激光痕量氣體監(jiān)測儀的新進展：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
我們用一些近來的數(shù)據(jù)回顧了使用中紅外量子級聯(lián)激光器，帶間級聯(lián)激光器和銻化二極管激光器的發(fā)展。這種監(jiān)測儀主要用于高精度和高靈敏度測量大氣中的痕量氣體。在高性能軟件的控制下，利用吸收光譜進行快速掃描，集成和高精度擬合。通過中紅外波段，實現(xiàn)了出色的靈敏度。Aerodyne監(jiān)測儀證明了在自然情況下痕量氣體的測量精度達到10¹²級別，可實時測量CO₂，CO，CH₄，N₂O和H₂O的同位素。
我們還描述信號處理方法，以識別和降低測量噪音。光譜信息分析的原理是將光譜加載到數(shù)組中并利用濾波片，傅立葉分析，多元擬合和成分分析進行處理。我們提供一個儀器噪音分析的實例，噪音是由電子信號與光干涉條紋混合形成。

引言
隨著各種中紅外單片固態(tài)激光器的問世，使用基于中紅外激光儀器，對大氣痕量氣體的高精度測量已經(jīng)成為常規(guī)，包括量子級聯(lián)激光器（QCL），帶間級聯(lián)激光器（ICL）和基于銻化物的二極管激光器（TDL）。在3μm附近的波長范圍內(nèi)有缺口，但現(xiàn)在，設(shè)計人員有更多選擇，在3μm附近的波長區(qū)域頻率使用混合技術(shù)。
在本文中，我們回顧Aerodyne Research，Inc.（下稱ARI）公司使用中紅外激光監(jiān)測儀測量不同的痕量氣體，并達到高靈敏度和/或高精度水平。這些儀器基于快速掃描和精確光譜擬合的直接吸收光譜，在高性能軟件的控制下，在中紅外波段，利用長光程，在減壓情況下，通過熱電冷卻的激光和探測器實現(xiàn)出色的靈敏度。
這里介紹了兩種儀器：單激光儀器，光程長度最大為76 米；雙激光儀器，光程長度最大為210 米。通過仔細選擇波長，我們可以用單激光器同時測量多種氣體。根據(jù)吸收率來說，儀器噪音在1 s的平均值為〜5×10⁶，可以測量10¹²級別大氣中的氣體]。這些儀器可以在多種環(huán)境中使用，包括實驗室，偏遠現(xiàn)場和移動平臺（如卡車，輪船和飛機）。

ARI公司儀器介紹及其性能
一般來說，對于高濃度氣體，幾毫米的測量光程可能就足夠了；但對于痕量氣體來說，則需要數(shù)百米光程。Aerodyne氣體監(jiān)測儀儀器使用中紅外快速頻率掃描，直接吸收光譜并進行精確光譜擬合。儀器在減壓池中利用較長吸收光程的新型紅外激光源，對多種氣態(tài)分子提供靈活而直接的高精度測量。
光譜儀的基本配置比較簡單：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探測器。圖1顯示了這種裝置。
  多反腔有確定的路徑長度，符合標準的激光可以傳輸?shù)綑z測器，對樣品氣體的測量基于比爾-蘭伯特定律。
在許多情況下，激光掃描氣體出現(xiàn)多個吸收峰，從而測量多個不同氣體。讓兩道或更多激光通過吸收室，或者使用單個檢測器時分復用，可以測量更多的氣體。Aerodyne監(jiān)測儀盡可能使用反射光學元件，光學系統(tǒng)幾乎沒有色散。通過選擇不同波段激光和激光驅(qū)動，選擇峰值靈敏度不同的檢測器來匹配，測量給定單一氣體或一組氣體。對于不同的測量目的，選擇不同的吸收光程。一般多反腔的光程為7–76 米，一般使用寬帶透鏡；對于濃度非常低的氣體，210米光程的窄帶高反射率透鏡可以提高靈敏度。

儀器的優(yōu)化
在過去的幾年中，我們持續(xù)對儀器進行了改進，比如使用了新型的電流驅(qū)動器，它提供了QCL高順從電壓情況下的低噪音電流。我們還設(shè)計了低噪音激光驅(qū)動和其他電子設(shè)備，降低整個系統(tǒng)的噪音。使得平均1s采樣情況下，吸收噪音為〜5×10⁶，在均時100 s具有更高的精度，這相當于約5×10-7的最終吸收噪音。很多因素使得噪音超過檢測器限度，特別是窄帶電子噪音和光學干涉條紋。
中紅外激光微量氣體儀器由Aerodyne Research，Inc.生產(chǎn)的操作軟件“ TDLWintel”控制，讓每條激光可以設(shè)置為時分復用。TDLWintel可控制監(jiān)測儀的操作并實時處理數(shù)據(jù)。兩種激光電流斜率由TDLWintel定義，然后對檢測到的信號采樣（16位A / D在〜1-1.5 MHz下運行），同步求平均，基于HITRAN參數(shù)以及測得的溫度和壓力的曲線，與計算出的吸收值擬合，可以對多達16種氣體混合比實時記錄。數(shù)據(jù)可以以10 Hz采樣頻率記錄，最大有效數(shù)據(jù)率由泵抽速和吸收池的大小決定。實驗過程中一些情況，比如閥門開關(guān)或背景消減，也可由TDLWintel軟件控制。
我們展示了單激光（76米光程）和雙激光監(jiān)測儀（76米或者210米光程）的氣體測量噪音結(jié)果（平均1s），分別在表1和表2中，測量噪音為以空氣中的混合比表示，同時提供了噪音的不確定性。根據(jù)不同的吸收路徑和測量情況，吸收噪音最佳的結(jié)果在1s內(nèi)約為〜5×10⁶。
 
儀器的噪音分析  
了解測量噪音源對于保持儀器性能水平至關(guān)重要，通常將重點放在最終的噪音源分析和討論上，例如探測器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，統(tǒng)稱為“技術(shù)噪音”，可能來自光學和電子方面，并可能是噪音的主要來源。而在在短時間尺度上的噪音可能是更長的時間范圍的漂移。不同的噪音源可能表現(xiàn)出不同的功率譜密度（PSD），例如檢測器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音會表現(xiàn)出閃爍噪音（1 / f PSD）。噪音可能會在頻譜中產(chǎn)生隨機波動，或者它可能具有窄帶頻率。另一個復雜因素是信號處理算法對噪音信號的響應(yīng)。對于Aerodyne，混合比噪音是對噪音信號，以及壓力和溫度變量中多元擬合的結(jié)果。
了解和減少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音圖（方差作為平均時間的函數(shù)）以及功率譜，并將噪音劃分類型。Allan-Werle方差工具是一種通用工具，可以評估短時噪音和平均時間極限。按類型劃分噪音有助于指示其來源。三種常用噪音包括是暗噪音，輕噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在檢測器被堵塞的情況下報告的混合比）包括檢測器噪音，基本電子（Johnson）噪音以及其他多余的電子噪音。“輕噪音”（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，即閃爍噪音和散射噪音），激光驅(qū)動電流噪音（產(chǎn)生幅度波動）和干涉條紋的變化。 “比例噪音”（吸收深度較大時看到的多余噪音）包括激光驅(qū)動電流噪音，壓力和溫度噪音以及峰值位置運動結(jié)合調(diào)諧率誤差。
頻譜數(shù)組處理將頻譜分解為許多部分，并顯示出較多變量。通常應(yīng)用于頻譜數(shù)組的處理工具包括減去偏移量，平均值，擬合度，統(tǒng)計量度，變量[p]，[q]或這兩者的傅立葉變換，相關(guān)性，和主成分分析。盡管有很多處理的實例，但是很難提出一個通用的分析方法，幫助我們了解所看到的一切。即使我們“解剖”光譜并找到大的干涉條紋，這不一定意味著干涉條紋是多余噪音的來源，比如干涉條紋不動或它們的頻率太高而無法影響擬合。為了確定，我們需要確定導致多余的噪音因素，該因素的短期波動應(yīng)與混合比的波動匹配。
我們通過一個噪音分析的例子說明了分析過程。結(jié)果表明，多余噪音是由兩種波的混合，即光學干涉條紋和電子信號混合導致的，產(chǎn)生的低頻成分，明顯影響混合比的測定，而任一單一波則對結(jié)果幾乎沒有影響。

結(jié)論
 我們對當前Aerodyne Research，Inc.生產(chǎn)的微量氣體激光測量儀器進行了綜述。提供了一組氣體，以及同位素比的測量結(jié)果。儀器在性能上的改進包括降低了電源和激光驅(qū)動噪音。另外，制造工序變得更加精簡。目前吸收噪音在1s內(nèi)達到〜5×10⁶。然而，為獲得最佳性能，仍然需要對噪音做進一步的探索。本文中的實例顯示，多余噪音是由兩種波的混合，由光學干涉條紋和電子信號混合導致。

儀器的相關(guān)優(yōu)勢
1. 持續(xù)對儀器的改進及噪音的分析，測量痕量氣體的精度更高，測量氣體達到ppt級別，甚至在10Hz的頻率仍然保持極高的精度；
2. 一次同時測量多種氣體，消除了多臺儀器測量時氣體產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差并大大提高效率；
3. 儀器適用于多種環(huán)境，滿足實驗室測量，野外遠程測量和移動測量需求。