用于发射检测的差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达 (DIAL) 是一种先进的激光遥感技术，可精确测量污染物、温室气体和工业排放物的浓度和分布。本文将概述 DIAL 在排放物检测方面的应用、其显著优势、最新进展以及未来展望。

工业革命见证了向燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料的重大转变，推动了令人印象深刻的进步，但也造成了广泛的环境危害。这些活动排放的废气会损害空气质量，是导致全球变暖和气候变化的主要因素。因此，准确监测这些排放对环境保护和公众福祉至关重要。

基于排放清单的传统方法准确性有限，因此需要一种能够自主评估和验证局部点源排放的独立测量方法。

差分吸收激光雷达 (DIAL) 已成为高精度测量和检测排放的重要技术。它依靠大气分子和气溶胶通过瑞利和米氏散射对激光的反向散射。

DIAL 最初开发于 1966 年，用于测量水蒸气 (H2O)，后来被用于测量各种大气气体，包括臭氧 (O3) 和多种污染气体，如二氧化氮 (NO2)、二氧化硫 (SO2)、氨 (NH3)、二氧化碳 (CO2) 和一氧化碳 (CO)。大气气候变化探测网络（NDACC）是一项国际倡议，其中包括一个 DIAL 臭氧激光雷达全球网络。

差分吸收激光雷达如何实现精确的排放测量？
DIAL 技术依靠的是目标发射物在精心选择的波长上对激光的吸收差异。仪器发射两个波长的激光脉冲--一个波长与目标发射的强吸收线（共振）重合，另一个波长的吸收极少（非共振）。

当这两个激光脉冲在大气层中传播时，共振光束优先被目标发射物吸收，而非共振光束受到的影响最小。通过分析这两种波长的反向散射光，可以检测到信号强度的差异，从而揭示出激光光束路径上的气体浓度综合情况。

通过测量信号强度和飞行时间的差异，DIAL 系统可获得范围分辨测量结果，从而绘制浓度分布图和二维或三维浓度图。将这种空间绘图数据与气象数据相结合，就能准确量化污染源的排放率。此外，在垂直面上进行 DIAL 测量可以创建一个浓度数据平面，根据风速和风向知识计算出排放通量。

测量排放源的最佳 DIAL 配置距离为 100-200 米，在上风和下风方向都有清晰的视线，确保高灵敏度和最小干扰。

优缺点
DIAL 可直接量化排放，而无需依赖估计的燃烧效率或运行条件，从而可对排放估计进行测试和验证。它的遥感能力对于危险的火炬尤为重要，无需直接进入，可在难以到达的地点进行测量。此外，它还能提供范围分辨的三维排放绘图，从而精确识别和量化排放源。

不过，它通常用于短期评估，可能无法捕捉到快速变化，而且 DIAL 设施的物理尺寸可能会限制对较小地点的访问。虽然它可以在各种天气条件下运行，但微风和浓雾会给测量带来挑战。

最新研发成果
QLM 先进的差分吸收激光雷达在甲烷检测试验中表现出色
在科罗拉多州立大学甲烷排放技术评估中心（METEC）最近进行的测试中，英国初创公司 QLM Technology 展示了其用于甲烷排放检测的激光雷达成像系统的行业领先性能。

该系统名为 "量子气体激光雷达"，结合了差分吸收激光雷达、可调谐二极管激光吸收光谱和时间相关单光子计数。该系统可生成甲烷等温室气体的激光雷达图像，从而实现管道和储气设施泄漏的快速可视化和量化。

在 METEC 的 "推进排放检测发展"（ADED）项目中进行的为期 81 天的试验中，QLM 的甲烷监测解决方案成功检测到 264 个甲烷泄漏点，泄漏量从 0.05 到 7 千克/小时不等，在 10-80 米的试验排放总量 1.85 吨中识别出 1.39 吨（75%）。

"QLM技术公司表示："我们相信，这一性能是任何类型的连续甲烷监测技术所能达到的最佳性能之一，所展示的性能将超过美国环保署（EPA）对石油和天然气行业逃逸性排放连续监测解决方案的预期要求。

用于实时量化工业排放的高重复率移动 DIAL
虽然紫外线和可见光 DIAL 系统取得了长足的进步，但在中红外光谱区域，尤其是 2.5 μm 到 4 μm 之间的研究却相对有限。然而，这一光谱区域对各种大气成分和有害气体（如 CH4、NO2、SO2 和 H2S）具有很强的吸收特性，因此很有希望用于气体检测。

发表在《清洁生产杂志》上的一项研究介绍了一种安装在移动平台上的高重复率中红外 DIAL 系统。该系统使用固态可调谐光参量振荡器激光器，以 500 Hz 的频率发射脉冲，波长范围为 2.5 μm 至 4 μm。该系统包括实时激光能量记录监测通道，并采用卷积校正来选择激光波长，以确保精确度。

设计的 DIAL 系统在现场测试中展示了对气体羽流的快速实时监测。它在测量工业/环境排放水平的低二氧化氮和二氧化硫浓度时表现出了极高的灵敏度。此外，DIAL 的移动性和二级时间分辨率使其成为工业设施周围预警、泄漏检测和排放绘图的理想选择。

未来展望
差分吸收激光雷达是一种多功能的原位气体测量方法，在环境监测、气候研究和工业排放管理的各种应用中具有巨大的潜力。随着技术的进步，差分吸收激光雷达预计将得到越来越多的应用，从重点实地调查到建立永久性监测网络。它与卫星的结合有望实现全球范围的监测，为全球范围内的排放报告和核查提供支持。 

参考资料

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Shi, T., Han, G., Ma, X., Zhang, M., Pei, Z., Xu, H., ... & Gong, W. (2020). An inversion method for estimating strong point carbon dioxide emissions using a differential absorption Lidar. Journal of Cleaner Production, 271, 122434. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122434

Von Fabrizio Innocenti & Rod Robinson. (2022). Differential Absorption Lidar (DIAL) Measurements of Pollutants and Greenhouse Gases from Industrial Emissions. [Online]. https://www.ingenieur.de/fachmedien/gefahrstoffe/messverfahren/differential-absorption-lidar-dial-measurements-of-pollutants-and-greenhouse-gases-from-industrial-emissions/

作者：Owais Ali