基于TDLAS技术的机载水汽密度测量仪

郝晓辉，杨 飞，贾少龙，郝 奎，张志远

(1.航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006；2.山西工程职业学院 机械电子工程系，山西 太原 030009)

水汽在大气中所占的比例很小，仅0.1%～3%，却是大气中最活跃的成分[1]，对于空气中水汽密度的研究具有重要价值。传统的湿度测量方法有湿度计法、电学法、化学法等[2]，这些测量方法在机载环境下较难实现。目前应用最广泛的湿敏电容式湿度传感器和冷镜式露点仪均存在响应时间慢的问题[3]，无法满足机载环境下实时测量的要求。

国外相关研究机构和学者在应用可调谐激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术测量高空水汽密度方面进行了很多的研究，并取得了一系列的研究成果。2007年，美国科罗拉多大学将基于TDLAS技术的低温露点湿度计应用在球载水汽测量装置[4]中。2013年，哈佛大学研制了近红外TDLAS湿度计，搭载到NASA的WB-57飞机上进行湿度测量，用于对中纬度卷云特性进行研究[5]。2013年，德国的Buchholz等[6]研制了基于TDLAS技术的机载湿度测量系统。美国的航空公司已经将SpectraSensor公司的WVSS-Ⅱ水蒸气传感器安装在航空飞机上进行气象预报。

国内相关机构和作者在应用TDLAS技术测量水汽密度方面也进行了很多的研究。2016年，山东大学研制了基于TDLAS技术的湿度测量仪[7]。2019年，聂伟[8]采用TDLAS技术，在实验室开展了大动态范围露点/霜点温度精确测量方法研究、露点/霜点温度测量结果溯源研究以及极低温度环境下露点/霜点测量的环境适应性研究，通过与标准仪器对比，全范围测量结果小于1 ℃。国内虽在应用TDLAS技术测量湿度有了突破性进展，但尚未将该技术在机载环境下应用。

航空工业太原航空仪表有限公司于2018年研制了机载大气总含水量测量装置[9]，目前已安装在人工影响天气飞机上，用于测量总水含量(固态、液态、气态)。在该测量装置的基础上进行改进，设计了一种满足机载环境的体积小、响应时间快、测量精度高的水汽密度测量仪。

采用TDLAS技术、激光波长调制技术，通过控制激光器温度，调制激光器工作电流使激光器输出的波长在1368.6 nm的吸收谱线附近进行扫描，光电探测器将经过水汽吸收的光信号转换为电信号，采用二次谐波检测技术测得二次谐波的幅值，计算得出原始水含量。通过露点发生器产生不同浓度的水汽，分别通过水汽密度测量仪与高精度冷镜式露点仪，以高精度冷镜式露点仪为标准对水汽密度测量仪进行全量程标定，得出拟合曲线。之后对标定后的水汽密度测量仪进行了精度和响应时间测试。为了验证水汽密度测量仪在机载环境下测量的可行性，将该仪器安装在山西省人影办的运12人工影响天气飞机上，进行了飞行试验。

该项研究填补了国内机载水汽测量装置的空白，为飞机飞行过程的水汽密度的测量提供了一种可靠的装置。

1 TDLAS测量的基本原理

根据Beer-Lambert定律[10-12]，一束单色激光穿越气体介质时，其强度变化可以用式(1)来表示。

(1)

式中：It为穿越气体介质时经过气体吸收后的激光强度；Io为无气体吸收时的参考激光强度；P为气体介质的总压；S(T)为该气体特征谱线的线强度，它表示该谱线的吸收强度，只与温度有关；φ(υ)为线型函数，它表示了被测吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关;X为气体的体积浓度；L为激光在气体中传播的距离；α(υ)为测量中得到的光谱吸收率信号。

φ(υ)线型函数的谱线形状是以分子跃迁点频率为中心的呈现出的一种分布状态，反映了光谱吸收系数随波长的相对变化情况，线型函数在吸收线的中心有最大值。

在利用TDLAS技术检测气体浓度时，最开始采用的是直接吸收光谱技术，该方法简单，不用标定就可以测得气体的浓度。直接吸收的检测方法是通过对比激光的原始光强信号和以频率或波长为函数采集得到的经过待测气体的吸收光强信号，再根据测量得到的吸收线的强度和形状计算得出待测气体的浓度值[13]。

但是直接吸收光谱技术的检测灵敏度低，容易受到检测系统中各种背景噪声(主要是激光器、光电探测器与电路中所产生的各种噪声)的影响。直接吸收光谱技术主要是通过控制激光器的波长在气体分子中心波长附近扫描，从而得到气体分子的光谱吸收线。但是由于待测气体分子吸收光谱窄，而且不能长时间地将激光输出波长稳定在同一范围内，所以利用直接吸收光谱技术在检测气体浓度时的准确度不能保证。

随着激光技术的不断发展，激光的调制技术已经足够成熟，为了提高气体检测灵敏度，在直接吸收存在检测误差并且检测灵敏度低的情况下，又出现了波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术[14]以及频率调制光谱(Frequency Modulation Spectroscopy,FMS)技术[15]。通过对激光器的直流驱动信号进行交流调制可以在一定程度上消除由系统背景噪声引起的低频频谱。笔者采用了激光的波长调制技术作为研究的技术手段。

使用的光源为可调谐激光二极管，可调谐激光二极管是一种具有窄线宽、波长由温度和电流进行控制的激光器。将频率为ω、调制幅度为α的高频正弦波叠加到频率为υc的锯齿波对激光器进行光调制，激光器输出的光频率可以用式(2)表示。

υ=υc+αcosωt

(2)

经过长度为L的装有被测气体的吸收池后，其透射光强的数学表达式[16-17]如式(3)所示。

I(υ)=Io(υ)exp[-k(υ)LC]

(3)

根据指数ex的性质，当指数∣x∣<<1时，ex≈1+x。

当吸收光谱应用于气体检测时，由于浓度C非常小，因此k(υ)LC<<1，可以将I(υ)表示为式(4)。

I(υ)=Io(υ)[1-k(υ)LC]

(4)

吸光度A(υ)与频率υ的关系为

A(υ)=k(υ)LC

(5)

将吸光度利用余弦傅里叶级数展开为各次谐波分量，如式(6)所示。

(6)

式中：调制频率角θ=ωt，将式(2)代入式(6)，并利用傅里叶级数展开，将得到吸光度的各谐波分量，见式(7)。

(7)

在调制幅度远小于吸收线时，对上式进行泰勒技术展开得到式(8)。

(8)

由式(8)可知，第n次谐波分量大小与吸收系数k(υ)的n阶导数、光程长度L以及被测气体的浓度C成正比关系[18]。选择中心对称且谐波信号最强的二次谐波分量进行检测。

HITRAN(High-Resolution Transmission Molecular Absorption Database)数据库是一个包含各种气体分子光谱参数的数据库，具有很高的权威性，根据查询，HITRAN数据库中H2O分子的吸收谱线图在波长1368.6 nm时，H2O分子的吸收线强最大。因此选择波长1368.6 nm作为H2O分子浓度测量的中心波长。

2 系统概述

水汽密度测量仪的系统结构框图如图1所示，主要由气体采集器、进气管路、出气管路、吸收池组件、电源板、信号处理板6部分组成。

图1 系统结构框图

电源板的作用是将机上+28 V直流电源转换为产品内部需要的各种电压，并且在进行电压转换前，为了应对机载环境下的复杂电磁环境，设计了电源防反接功能、滤除机上电源干扰功能、防机上电源浪涌电压冲击功能、防雷功能等，同时在电源板上设计有驱动进气管路和吸收池加热的驱动电路。

气体采集器是用于采集目标气体的结构装置，它安装于飞机侧下方的蒙皮处，利用特殊的水气分离结构，将飞机飞行过程中的水滴、冰晶、杂质等直接通过气道流出，只将部分目标气体通过气体采集器的进气接头进入进气管路中。

水汽遇冷会发生液化现象，为了防止水汽进入吸收池内发生液化变为液态水使得测量到的水汽密度不准确，本系统在进气管路和吸收池部分设计了加温与加温控制功能。在进气管路中设计加热丝对管路进行加热，并在出口处设计PT100铂电阻温度传感器对进入吸收池内的气体温度监控，通过PWM(Pulse Width Modulation)调制方式将进气管路的温度控制在35 ℃±5 ℃。在吸收池壳体外部设计加热膜对吸收池壳体进行加热，并在吸收池内部设计温压模块对吸收池内的气体温度进行监控，通过PWM调制方式将吸收池内的温度控制在40 ℃±2 ℃。该设计保证了水汽密度测量的准确性。

目标气体通过吸收池进气接口进入吸收池内，激光器发出的激光经过准直器后发射出去，激光通过吸收池内气体吸收后，经过吸收后的调制光被光电探测器转换为电信号后传输到信号处理板上进行信号处理。

信号处理板在本系统中的主要作用是驱动激光器工作，对回波信号进行处理和计算。CPLD(Complex Programming Logic Device)在本系统的作用是通过编程产生各种波形。CPLD产生9.5 Hz的锯齿波、9.8 kHz的基频正弦波，将锯齿波和基频正弦波叠加后生成的12位数字信号送至LTC7541数模转换芯片，再经电流驱动放大电路驱动激光器工作。激光器的温度由MAX1968控制，MAX1968可双象限工作。通过采集激光器热敏电阻的温度，控制激光器的加温或制冷，保持激光器温度基本稳定。光电探测器输出的电流信号与激光器的背光探测器电流经过电流自平衡探测电路后去除掉直流分量，再经过I/V变换和放大后得到各次谐波信号。CPLD产生19.6 kHz的正余弦信号作为参考信号，与各次谐波信号通过双路正交锁相解调电路相乘得到2次谐波信号的幅值和相位，经低通滤波后由CPU进行A/D采集计算得出原始水含量。为了减小在低量程的误差，将激光器维持在直流状态，CPU通过不断调整2路D/A信号将双路正交锁相解调电路的输出值校准到零位，达到减小低量程误差的目的。

本系统需要对原始水含量进行全量程标定，选用瑞士MBW公司的973型高精度冷镜式露点仪作为标定参考，选用湖州唯立仪表厂的WLS-Ⅰ型低温露点发生器作为露点发生装置。由露点发生器产生不同湿度的气体，采用并联的方式通过本系统和冷镜式露点仪，对本系统的原始水含量与冷镜式露点仪测得的水汽密度值进行曲线拟合，最终得出拟合曲线。

3 软件实现

系统软件由综合处理软件和信号驱动软件组成。综合处理软件是基于ATXMEGA128A3的嵌入式软件，主要功能包括系统初始化、自检测(包括上电自检测、周期自检测)、静温和静压数据信号接收、激光器温度和功率信号采集、进气管温度信号采集、吸收池温度压力信号采集、进气管温控、吸收池温控、激光器温控、模拟量信号采集、原始水含量、水汽密度的计算、数据组合、数据发送。图2为综合处理软件流程图。

图2 综合处理软件流程图

信号驱动软件是基于EPM240T100的嵌入式软件，主要功能包括分频计数模块设计、正弦驱动信号设计、余弦驱动信号设计、复合驱动信号设计、解调输出信号设计。图3为信号驱动软件流程图。

图3 信号驱动软件流程图

4 试验测试

4.1 精度检测

利用露点发生器产生不同湿度的气体用于系统精度检测。采用冷镜式露点仪作为测量参考。由露点发生器产生的不同湿度气体，分别通过本系统和冷镜式露点仪，测量结果如表1所示。

表1 实验室测试结果 单位：g/m3

从表1可以得出，在0～10 g/m3的测量范围内误差小于3%。随着浓度的增加，绝对误差变大，在较大浓度的情况下，激光器调谐非线性以及光的散射和反射导致信噪比降低，从而引起测量误差增大。

4.2 响应时间检测

系统响应时间是衡量灵敏度的重要指标，测量值达到稳定值的90%即可认为是有效响应时间。系统开机预热，当系统工作稳定后，给定不同湿度气体，每0.5 s记录检测数据，检测最终达到给定值90%时所用时间，测试结果如图4所示。

图4 系统响应时间

由图4可知，系统响应时间为3 s左右。系统检测周期为0.1 s，响应时间主要与气体的流速和吸收池气体浓度稳定时间有关。要进一步提高响应速度，需要对吸收池进行改进，加大进气管路的直径或在吸收池内设计气流循环装置。

4.3 飞行验证

目前本系统已安装在人工影响天气飞机上，随飞机进行了多次探测任务。选取2021年1月20日的飞行数据(见图5)进行分析。

图5 2021年1月20日飞行数据

飞行作业高度约为4300 m，气温约-16 ℃，气压605 hPa，飞机作业区域为云中，相对湿度为100%时，对应绝对水含量1.49 g/m3。从图5中可以看出，系统测量的绝对水含量与当时气象条件相符。在多次飞行中，系统工作稳定，表明设计达到了预期要求。

5 结束语

研究了基于TDLAS技术、激光波长调制技术、二次谐波检测技术的机载水汽密度测量仪。首先对TDLAS测量的基本原理进行了研究，然后对本装置的系统和软件进行了概述，简要说明了本装置的主要组成、工作原理以及在研究过程中的考虑和解决方法。设计了满足机载复杂环境的体积小、精度高、响应时间快的水汽密度测量装置，创新性地设计了能够将水气分离的装置，使得测量到的水汽密度不受水滴、冰晶的影响。考虑到在飞行中不断变换的高度可能导致的吸收池结露，影响测量精度，设计了进气管路、吸收池智能温控。为了减小在低量程时的误差，在系统工作过程中不断进行失调订正。

为了验证系统设计是否达到要求，对系统进行了精度测试和响应时间测试，在0～10 g/m3的测量范围内误差小于3%，系统响应时间为3 s左右。之后又进行了飞行验证，测得的水汽密度与当时的气象条件相符。

机载水汽密度测量仪有较好的发展前景，通过分析不同航路的数据，不仅有助于更准确地预测雷暴、大雾、降雪天气，还可以替代探空气球，使得气象探测变得实时、廉价，还可以装在特定的飞机上以满足特定区域的气象探测。