噪音污染检测仪

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10 Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

人们对于空气污染问题的关注度日渐提高，推动了空气污染检测仪市场的繁荣。近几年来，每到雾霾严重时，有些电商的空气污染检测仪甚至会卖到脱销。　　然而，这些民间使用的空气污染检测仪真的准确吗?2016年7月7日，两名英国约克大学国立大气科学中心的大气化学家阿拉斯泰尔?刘易斯(Alastair Lewis)和彼得?爱德华兹(Peter Edwards)在《自然》杂志撰文，质疑廉价空气污染检测装置的精度，呼吁研究者和政府加强对这些检测仪精度的检验，并出台相关标准。　　财新记者就这一问题采访了作者之一的彼得?爱德华兹，他向财新记者介绍，传统的空气污染检测装置采用的技术，在使用前都经过了专业机构的反复测试，它们的测量方法都是可追溯的，其不确定性也是可控的。这些装置唯一的问题是成本很高，一般每一台设备需要一万至十万美元不等。　　而在上述文章中提到的廉价的小型检测仪，虽然价格低廉、宣称精准，其使用的技术没有经过严格的测试，在真实的大气环境中不能进行准确测量。少数的研究中，这些廉价设备被拿来和专业的设备对比，检测特定的空气污染物，结果发现，廉价设备的检测结果变化很大，干扰物以及稳定性问题使这些设备很难做出真正可靠的测量。　　财新记者：这些廉价检测仪一般被用在哪些领域?　　彼得?爱德华兹：文章中提到的廉价检测仪由各种各样的公司售卖，有的用于城市范围的空气质量检测，有的用于个人周围的空气监测。这些检测仪所用的技术，过去大多都用于工业风险检测，对这种技术来说，在典型大气环境中是否测得准并不重要。　　财新记者：对用户来说，是否他们只是把这些数据当做一个参考，所以有没有标准其实不是很重要?　　彼得?爱德华兹：如果廉价检测仪只是被当做对空气污染的一个粗浅估测，那么它们能否提供准确可靠的数据确实没那么重要。但在这样的情况下，这些检测仪就应该在售卖和营销时说明它们的局限，任何购买这些仪器的人都应该被告知这些情况。　　财新记者：官方的高质量检测和个人用的廉价检测仪之间有什么区别?　　彼得?爱德华兹：专业的检测设备所用的技术都经过了数十年的发展，用于测量真实大气环境中的特定污染物。这些设备是基于光谱或质谱法制造出来的高度专业化的仪器，能够最小化来自其他化学成分的干扰从而最大化其精度和可靠性。因此，这些设备都具有极好的性能，其检测结果也经过多次的验证，非常可靠。　　相反，大多数廉价检测仪所用的技术并不是为了检测大气环境中的化学成分而发明的，它们原来都是用作工业用途，在工业的应用场景中，目标气体浓度远高于一般的的环境，而干扰也会少得多。这些技术在真实的大气环境中效果如何目前尚缺乏验证。　　财新记者：为什么专业设备和廉价设备之间的成本差距这么大?　　彼得?爱德华兹：专业设备所要求的组件往往非常昂贵，比如激光和高反射镜。此外，对设备性能的检测和验证也会使成本上升。　　财新记者：检测仪的精确度和其成本是成正比的吗?　　彼得?爱德华兹：基本上如此，但这不仅仅是价格的问题。有人可能会以极高的价格卖一个精度很低的仪器。一个仪器最重要的是其使用的技术是否和其用途相符合。

日前，由河北先河环保科技股份有限公司承担的国家国际科技合作项目&ldquo 大气复合污染高精度自动检测仪及系统集成联合研发&rdquo 顺利通过了受科技部国际合作司委托，河北省科技厅组织的专家组的验收，并得到了省内外技术专家的高度评价。　　针对近年来我国雾霾天气日趋严重，而国内大气复合污染监测技术相对落后的现状，河北先河环保科技股份有限公司与澳大利亚ECOTECH公司开展国际科技合作，引进了外方大气复合污染自动监测技术，经过消化吸收，研制开发了适合我国国情的各种大气复合污染物自动监测仪器，包括痕量气体自动监测仪(高精度二氧化硫监测仪、高精度氮氧化物监测仪、高精度一氧化碳监测仪)、温室气体自动监测仪(二氧化碳监测仪、甲烷监测仪)和霾的光散射特性监测仪浊度仪。大气复合污染物自动监测仪已经通过河北计量院的检测，各项指标达到国际同类产品的先进水平。仪器经成都市环境监测中心站等国内6个站点长期试运行，系统运行稳定，无人值守时间长，维护量小，操作简单，可以全面反映当地大气复合污染状况。　　通过本次国际科技合作，先河公司还开发了大气复合污染监测平台软件，可以通过集成PM2.5、PM10、能见度、臭氧监测仪等环境监测仪器，形成完整的大气污染监测平台，可实现对以灰霾为主的区域大气复合污染进行及时、准确的监测和预测预报，为环境管理达到&ldquo 测得准、说得清、管得好&rdquo 的目标提供技术支持，促进我国环境管理水平的提升。