气体光学检测技术及其应用研究进展

关键词：气体光学检测；吸收光谱法；主动式检测；被动式检测；光谱成像

1 引言

随着全球经济的快速发展，人们对能源和化工原料的需求日益增加，虽然这些能源和化工原料为日常生活带来极大的便利和改善，但与之俱来的各个领域的气体泄漏事故却时有发生。常用的易燃易爆气体如石油气、甲烷和氯乙烯等可能会因泄露而引发爆炸、火灾等事故。2018年11月，河北省张家口市中国化工集团河北盛华化工有限公司氯乙烯气柜发生泄漏并扩散到厂区外公路上，遇明火发生爆燃，致多人死亡。类似这种气体泄漏事故还会导致巨大的经济损失。此外，一些无毒、无味和看似无害的气体，也会对人类生活环境造成极大危害。例如，通常用于电力系统的SF6气体和诸如生产生活中排放的CO2之类的气体将导致温室效应，造成全球气候变暖。

传统气体检测主要是人工采样和预处理采样。传统化学测量方法，包括化学反应方法、电化学法、色谱及质谱相关技术，都属于人工采样的方式。人工取样后，将试样进行分离、富集和掩蔽，通过特定的化学反应或计量关系，只能在实验室对气体进行分析，或进行现场初步定性定量的分析。预处理采样是将预处理的测量气体输送到测量管中，并通过测量安装在管道两端的光学探头(红外或紫外探头)来测量气体的浓度。由于传统气体传感器的接触性原理，使其难以实现远距离精确测量，且大多数传统气体传感器(电化学气体传感器、PID气体传感器等)只能对目标气体进行单点监测，难以满足大范围实时动态监测。

随着光谱成像技术的发展，光谱学方法发展日趋迅速，相比于传统的气体检测方法，光谱法不需要样品制备，具有快速、非侵入、高效和动态等优点，适用于现场快速检测和连续实时在线分析，成为各国研究和应用的热点。本文首先介绍气体光学检测技术的理论基础及工作原理，其次对气体光学检测的技术特点及应用领域进行了归纳对比，重点阐述了各检测技术的应用研究现状，最后对气体光学检测技术的发展与应用进行总结与展望。

2 理论基础

2.1 分子吸收光谱理论

分子中包含原子和电子，分子、原子和电子都是具有能量且运动着的物质。分子内有三种形式的运动状态能量：电子的运动能量E e、原子的运动能量E v以及分子的转动能量E j，则分子能量的总和E为

E=E e+E v+E j(1)

当一定频率的光穿过待测气体时，待测气体中的分子吸收一个具有一定能量的光量子，完成较低能级基态E1到较高能级基态E 2的跃迁，被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能量差完全相等，否则不能被吸收。不同的分子受到辐射时有着不同的振动方式，所以结构不同的两种物质必然会有两种不同的吸收光谱。图1是根据HITRAN数据库模拟的几种常见气体分子的吸收谱线。

图1.常见气体分子的吸收谱线

2.2 Lambert-Beer定律

朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律[6]是光谱吸收技术的基本理论

来源。当一束单色光穿过物体时，由于光的反射、衍射以及物体中的散射介质对光的散射作用导致入射光的损耗，其原理如图2所示。气体浓度越大，对入射光的吸收衰减能力越强，其输出光强为

(2)

式中：I(λ)为输出光强，I0(λ)为输入光强，α(λ)为待测气体在波长为λ处的吸收截面，L为待测气体吸收路径的长度，C为待测气体的浓度。本文所介绍的几种主动式气体检测技术都是基于Lambert-Beer定律而实现的。

图2.光谱吸收原理图

2.3 层辐射传输模型

层辐射传输模型是被动式气体检测技术的理论基础。目标气体和背景的红外辐射在传输到检测系统期间受到环境辐射和大气的干扰，如图3所示，该模型将整个传输路径分成一系列匀质层，每个匀质层的光谱辐射都是其自身光谱辐射与传输到下一层的出射辐射之和，此时红外探测器接收到的出射辐射为

(3)

……

图3.被动遥测层辐射传输模型

图4.被动遥测三层模型

图7. 系统原理图及测量结果。(a) SO2/NO2污染气体激光雷达系统框图；(b) 激光雷达测量 SO2的时间演化图；(c) 激光雷达测量 NO2的时间演化图

……

6 结论

本文综述了各种典型气体光学检测技术的应用研究及发展现状，首先介绍了气体光学检测技术的理论基础，分类介绍了主动式和被动式气体光学检测技术的原理和特点，然后介绍了各种气体光学检测技术的应用领域、研究现状及未来发展趋势，对各种气体光学检测技术进行了对比。虽然基于光谱学方法的气体检测技术出现了多种技术路径，并取得了重大成果，但仍面临着以下问题及挑战：

1) 现有的气体光学检测系统由于普遍采用单孔径镜头，因此存在系统结构复杂、体积大、视场小的问题，系统分辨率与探测视场之间的矛盾难以兼顾。对此，未来可采用多孔径前端系统对同一目标物体探测，从而有效缩小系统体积，增大系统的视场与分辨率。

2) 所需探测的气体组分越来越复杂，测量环境中要求具有较低的气体浓度检测能力，因此开发出气体探测专用的高灵敏度红外探测器，再配合图像处理等技术手段进行气体探测成为重要的研究方向。

4) 在提高系统硬件配置的同时，气体红外图像增强算法也有待提高。未来可将超分辨率重构算法应用于图像后端处理，该算法基于无先验知识贝叶斯模型的最大似然估计法，通过对多个镜头探测到的多幅低分辨率图像使用SIFT算法进行图像间的亚像素配准，可以重构出分辨率更高、视野更宽的气体云团图像，可在一定程度上补偿系统硬件缺陷带来的不足。

综上所述，气体光学检测技术将会因其快速、高效、精准的优势而拥有更加广泛的应用前景，随着该技术领域的不断发展，人类将很大程度上可以有效避免有害气体所带来的危险事故。

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来源：光行天下