具有4.53微米量子级联激光器和卡尔曼滤波器的湿度增强型N2O光声传感器

近日，来自中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、莱特勒海岸帕萨卡莱大学的联合团队发表了一篇题为《具有4.53微米量子级联激光器和卡尔曼滤波器的湿度增强型N2O光声传感器》的论文。

项目简介

准确测量大气中N2O浓度有助于评估其对全球气候和平流层臭氧的影响。用于测量N2O广泛使用的分析方法是气相色谱（GC）。然而，GC是一种无法实现连续测量的方法，因此无法有效确定气体浓度的短期变化。基于激光吸收光谱的光学气体传感器可以实现对微量气体的高灵敏度、高选择性和高时间分辨率的测量。

光声光谱（PAS）由于其高灵敏度、零基线、紧凑性和高动态范围而近年来在微量气体测量中被广泛使用。与前述的吸收光谱技术相比，PAS技术在构造上相对较简单。在PAS中，目标分子吸收调制光能量，然后通过非辐射弛豫产生声波。

本研究中，介绍了一种高灵敏度的N2O光声传感器，使用了4.53 μm QCL和卡尔曼滤波器在高湿度环境下。将水蒸气添加到N2O/N2混合气中，以改善N2O的振动-平移（V-T）弛豫速率，从而提高检测限。同时，在PASN2O传感器中使用了卡尔曼自适应滤波，进一步提高了测量精度。通过长时间、连续7小时的大气N2O测量来展示了N2O光声传感器的能力。

实验细节

图1展示了基于中红外QCL（HEALTHY PHOTON, Model HPQCL-Q）的PAS N2O传感器系统的示意图。该PAS传感器使用先进的4.53μm连续波QCL作为激发光源。

Fig. 1. Schematic of a QCL based N2O sensor system. FG: function generator; LIA: lock-in amplifier.

宁波海尔欣光电科技有限公司为此项研究提供了HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头、QC750-Touch™ 量子级联激光屏显驱动器。

HPQCL-Q™                                      QC750-Touch™

通过改变温度和电流，QCL的波长可以在2206.3 cm⁻¹至2211.2 cm⁻¹之间进行调谐（图2(a)）。图2(b)显示了在不同工作温度下QCL输出功率与电流之间的关系。

Fig. 2.  (a) Current tuning of QCL at different operating temperatures; (b) the relationship  between  QCL  output  power  and  current  at  different  operating temperatures.

结论

基于中红外QCL开发了一种APAS N2O传感器。通过对气体样品进行加湿处理以及将透射的激光光线反射回PAS池，提高了传感器对N2O检测的性能。在加湿环境下，N2O测量的低检测限为28 ppbv，并相应的测量精度为34 ppbv。Allan-Werle分析表明，通过增加平均时间到800秒，低检测限可以提高到1 ppbv。通过使用卡尔曼自适应滤波器，降低了逐帧噪声，并在不牺牲系统时间分辨率的情况下提高了测量精度2.3倍。已通过长时间、连续测量大气中的N2O来验证了开发的PAS N2O传感器的可靠性。这种开发的PAS N2O传感器在大气监测、农业活动和汽车排放监测等方面具有潜在的应用前景。

参考文献：

Humidity enhanced N2O photoacoustic sensor with a 4.53 μm quantum cascade laser and Kalman filter, Photoacoustics Volume 24, December 2021, 100303.