利用IPDA激光雷达和InGaAs/InP单光子探测器实现的同时多气体检测

《Optics & Laser Technology》：Simultaneous multi-gas detection using IPDA lidar with InGaAs/InP single-photon detector

单光子多气体IPDA激光雷达系统通过时间域重叠光谱与可重构光路设计，实现多气体同步检测，单扫描周期内完成乙炔、氰化氢、一氧化碳、甲烷识别，利用高灵敏度单光子探测器量化浓度，实验验证系统稳定性和准确性（乙炔均值误差0.03%标准差0.43%，甲烷0.05%和0.48%）。

　　

郭克欣|韩浩斌|李泽凯|胡家东|邱家伟|于赛芬|张振|夏海云

中国南京信息工程大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，210044

摘要

本文提出并展示了一种基于时域重叠光谱技术的单光子多气体集成路径差分吸收（IPDA）激光雷达系统，该系统采用了可重构的光学路径。通过特定的时序策略，在时域内安排和组合多种气体的吸收线。与传统顺序检测气体的时分复用技术不同，该系统能够利用单像素单光子探测器在单次扫描周期内同时检测所有气体。只有被识别的气体才会被进行详细分析，从而提高了检测效率和准确性。利用单光子探测器的高时间分辨率和对微弱信号的优异检测能力，可以定量估计被识别气体的路径积分浓度。采用多波长可编程光栅滤波器进一步增强了背景噪声抑制能力。首先，使用10微秒的扫描周期和1秒的平均时间，识别出四种类型的气体；其次，对C?H?和CH?的路径积分浓度进行了4小时的连续监测，以验证系统的稳定性和准确性。C?H?的均值和标准差分别为0.03%和0.43%，CH?的均值和标准差分别为0.05%和0.48%。

引言

工业园区、城市管道和矿场中的气体泄漏是环境污染和安全风险的主要来源[1]、[2]、[3]。不同工业过程排放的气体虽然成分复杂，但包含可识别的特征成分——例如化工厂排放的挥发性有机化合物（VOCs）、煤矿排放的甲烷（CH?）和一氧化碳（CO）[4]、[5]。然而，气体泄漏类型的多样性意味着传统的单一气体监测方案存在效率低和成本高的问题。因此，开发一种能够快速准确识别多种气体的连续日夜监测系统对于有效的泄漏预警和追溯管理至关重要。

光谱技术凭借其“分子指纹”级的高选择性和高灵敏度，已成为环境监测、工业安全和科学研究等领域多气体检测的核心技术支持[6]、[7]、[8]。根据检测距离和方法的不同，该技术框架主要分为两类：原位检测和遥感。典型的原位多气体检测技术包括腔体衰减光谱[9]、可调谐二极管激光吸收光谱、光声光谱[10]和光学频率梳光谱[11]、[12]、[13]。这些技术能够在局部区域内实现快速响应并实现高精度检测。相比之下，遥感能够在非接触条件下获取区域气体分布信息，具有较长的检测范围[14]、[15]。主流的多气体遥感技术包括差分光学吸收光谱（DOAS）[16]和傅里叶变换红外（FTIR）光谱[17]。DOAS通常使用宽带光源和光谱仪来解析和分析气体的差分吸收特征，主要在紫外（UV）和可见（Vis）光谱区域。然而，其光谱分辨率通常限制在约0.1纳米，适用于检测UV-Vis波段内吸收线宽度在纳米级别的气体。FTIR技术由于在红外波段具有宽光谱覆盖范围的优势而被广泛采用，能够同时捕获多种气体的特征吸收特征[18]、[19]。FTIR技术基于傅里叶变换光谱原理，其核心是利用干涉仪获取包含样品吸收信息的时间域干涉图，然后通过傅里叶变换将时间域干涉图转换为频率域光谱。然而，这一过程对仪器稳定性有严格要求。此外，FTIR通常依赖阳光作为被动遥感的光源，这在夜间和复杂天气条件下进行连续监测时存在挑战。

受FTIR从时域到频域转换原理的启发，我们提出了一种基于时域重叠光谱技术的单光子多气体传感系统，该系统具有高度的灵活性和可扩展性。系统的激光源阵列可以根据待测气体（GUT）轻松重新配置。不同激光器的触发时间延迟被设计为分离在时域中重叠的GUT吸收峰，从而能够在单次扫描周期内同时识别多种气体。同时，使用单光子探测器（SPD）实现极弱信号的高灵敏度检测[20]、[21]。InGaAs/InP SPD的宽响应光谱（1500–1700 nm）覆盖了丰富的气体吸收线，适用于多气体检测[22]。该系统能够实现大气中多种气体的快速、精确和昼夜连续检测，无需机械扫描。

系统参数

激光雷达系统的示意图和照片分别如图1(a)和(b)所示。系统使用了四台中心波长分别为1531.588 nm（L-C?H?）、1548.190 nm（L-H??CN）、1568.035 nm（L-CO）和1653.725 nm（L-CH?）的激光器，分别用于检测乙炔（C?H?）、氰化氢（H??CN）、CO和CH?。选择这些气体的特定吸收线是为了避免强水蒸气干扰和相互重叠，同时保持足够的吸收强度。

气体种类识别

步骤1：首先同时激活所有激光器，获取GUT吸收后的总透射曲线（I${}_{\text{t}}$I${}_{\text{0,t}}$）进行归一化的。

结论

总之，本文提出了一种基于时域重叠光谱技术的单光子IPDA激光雷达系统，并通过实验进行了验证。通过将气体吸收峰按时间顺序排列，可以在单次扫描周期内同时检测所有目标气体，从而快速识别泄漏的气体种类。此外，仅对被识别的气体进行详细分析可以提高浓度检测的准确性。

CRediT作者贡献声明

郭克欣：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、数据分析。韩浩斌：撰写——原始草稿、验证、数据分析。李泽凯：撰写——审稿与编辑、研究调查。胡家东：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法设计。邱家伟：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。于赛芬：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、资金筹集。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42305147）、国家自然科学基金（项目编号：42405138）和江苏省自然科学基金（项目编号：BK20230428）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。