一种创新的长光程离轴DOAS系统：面向Cl?监测的高透光率设计与专用光谱处理算法

《Optics and Lasers in Engineering》：An Innovative Long-Path Off-Axis DOAS System: High Light Throughput Design and Dedicated Spectral Processing Algorithm for Cl 2 Monitoring

　　

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  提出了一种新型长光程离轴光学构型，以缓解传统同轴系统中的中央遮挡限制，并通过光线追踪仿真对其光学性能进行了评估。
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  提出了一种具有物理先验约束的光谱处理算法（DOAS-Cl₂-PINN），以解决传统DOAS在处理缓慢变化吸收光谱方面的技术瓶颈。
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  将LP-OA-DOAS系统与DOAS-Cl₂-PINN算法相结合，能够在噪声较大的开放大气环境中实现对Cl₂浓度的精确反演。
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  气室结果对应的等效检测限为36.93 ppb（假设Cl₂在200 m范围内均匀分布）；为期六个月的工业部署证实，在无泄漏事件期间系统运行稳定且未出现误报。

引言

长光程差分光学吸收光谱法（LP-DOAS）是一种用于原位定量区域气体分布和通量的有力工具，能够实现大规模非侵入式监测[1,2]。LP-DOAS已成为监测臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO_x）等大气污染物的成熟方法[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。一些研究者还基于紫外DOAS开展了对硫化氢（H₂S）、二硫化碳（C₂S）和氨气（NH₃）的动态检测研究[[10], [11], [12], [13]]。然而，该方法尚未被广泛应用于开放光程环境中的微量氯气（Cl₂）泄漏监测。主要原因是Cl₂在紫外-可见光区域呈现宽带吸收特征[14,15]，使得传统差分方法难以提取有效的谱特征信号进行浓度反演。此外，其缓慢变化的吸收特征容易被环境噪声（如颗粒物散射和杂散光）所掩盖[[16], [17], [18]]。为应对上述挑战，本研究提出了一种长光程离轴DOAS系统（LP-OA-DOAS），集成了自动光谱处理和浓度反演算法，用于开放光程环境中的Cl₂监测。

高压氙灯因其高发光强度和宽光谱覆盖范围而常用于DOAS系统中[19]，但其体积庞大、功耗高和发热量大的缺点限制了现场部署。紫外发光二极管（UV-LED）集紧凑性、能效和长寿命于一体，成为一种极具吸引力的替代方案。例如，AbdulAziz等人利用白光LED检测了二氧化氮（NO₂），检测限约为1 ppm [20]。Jochen等人将双LED光源集成到LP-DOAS系统中，用于围栏线微量芳香族烃的监测[21]。此外，Jan-Marcus Nasse等人提出了一种新型LP-DOAS构型，采用激光驱动LED供电，具有高强度、适中功耗、长寿命和高稳定性，显著提升了系统整体性能[22]。尽管具有上述优势，传统LED在宽光谱覆盖下的光谱强度不足，而激光驱动LED的成本仍然过高，难以实际应用。为克服这些不足，本研究采用了一种闪烁氙灯，在保持完整光谱覆盖的同时支持多模式光谱轮询采集，延长了使用寿命并降低了整体成本。

早期的LP-DOAS系统采用收发分离结构，导致光学对准困难（图1a）。后续的一体化收发设计简化了系统调节；然而，卡塞格林式和牛顿式望远镜（图1b、图1c）存在副镜中央遮挡问题，导致光利用效率低和部署复杂。Merten等人提出了一种基于光纤的一体化方案，采用外芯发射、内芯接收（图1d）[23]。该设计降低了准直难度并提高了光学吞吐量，使其成为现代DOAS系统的主流构型。上述所有构型均存在因沿光轴放置的反射镜和光纤支架造成的中央遮挡问题，从而降低了光学吞吐量。采用将光路与中心轴分离的离轴构型可以避免这一问题。

DOAS基于比尔-朗伯定律和已建立的痕量气体吸收截面，通过在开放大气光程的紫外-可见光波长范围内识别和定量分析窄带吸收来实现测量。DOAS的有效性在很大程度上取决于目标气体具有快速变化的吸收特征[[24], [25], [26], [27]]。然而，如图2所示，Cl₂在紫外-可见光波长范围内呈现宽带吸收结构[14,28]。因此，DOAS无法有效提取Cl₂的谱特征。根据现有文献调研，仅有Ye等人报道了基于吸收光谱高阶多项式拟合的实验室Cl₂浓度反演方法[29]。该方法对环境干扰的抗扰能力不足。基于机器学习的算法为解决该问题提供了新的视角，大量研究已证实其在光谱分析中相比传统信号处理基准的优越性能[[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。在我们的先前工作中，我们构建了一个一维卷积神经网络（1D-CNN）模型，从原始光谱中直接提取Cl₂吸收特征。该方法实现了高精度的Cl₂浓度反演，并在实验室采集的数据集上得到了严格验证[36]。然而，在实际的开放大气场景中，光谱信号受到多源噪声干扰的严重污染。现有模型的泛化能力有限，无法适应复杂的现场监测场景。

本研究开发了一种新型长光程离轴DOAS（LP-OA-DOAS）系统，并集成了专用的光谱处理算法。本研究的主要贡献总结如下：

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  光学系统创新。提出了一种非对称光学布局以避免中央遮挡，光线追踪仿真表明该构型能有效提升光学吞吐量。此外，引入了可调节平面镜以构建折叠光路实现精确光束对准，同时采用高稳定性闪烁氙灯确保宽带光谱覆盖、延长使用寿命并降低系统成本。
• (2)
  分析算法创新。提出了一种集成物理信息约束的光谱处理算法。该方法通过将物理知识融入反演过程，解决了传统差分光学吸收光谱法在Cl₂分析中的局限性，从而提高了Cl₂浓度反演的准确性和可靠性。

本文结构如下。第2节建立了仿真模型，用于比较同轴和离轴构型的光通量。第3节介绍了LP-OA-DOAS系统及开放光程实验平台的构建。第4节提出了一种物理信息驱动的光谱处理框架。第5节讨论并展示了同轴与离轴系统的对比性能，验证了所提出光谱处理算法的有效性，并给出了户外实验测试结果。最后，第6节总结了本文的主要结论、创新点及未来研究方向。

章节摘要

蒙特卡洛光线追踪仿真与光学分析

我们在LightTools中建立了光线追踪模型，以评估离轴布局和同轴构型的光学效率。为了隔离结构效应，我们忽略了非理想损耗（如大气湍流和表面引起的性能退化），并假设在最大接收角内的所有光线均无损耗传播。

LP-OA-DOAS系统设计与实验装置

本节介绍了本文所开发的LP-OA-DOAS系统的整体架构及其户外实验平台。通过开放长光程实验，在实际大气条件下获取Cl₂吸收光谱。

Cl₂光谱去噪与浓度反演方法

如上所述，Cl₂呈现宽带紫外吸收，但其特征在开放大气监测中易受环境干扰，使得反演充满挑战。为解决这一技术瓶颈，本研究开发了一种名为DOAS-Cl₂-PINN的模型，该模型集成了卷积块注意力模块（CBAM）和物理信息约束。嵌入该模型中的物理先验有三类：(a)实测Cl₂吸收截面，作为……

结果与讨论

基于第2.1节开发的同轴与离轴DOAS系统对比仿真模型，本节首先定量分析了这两种光学构型在光通量传输效率和抗系统对准误差鲁棒性方面的性能差异。并在自建的LP-OA-DOAS平台上进行了实验验证，以评估其实际应用性能。

结论

针对工业场景中开放大气Cl₂监测的实用需求，本研究通过硬件与算法联合开发，成功研制了一种新型长光程离轴DOAS系统（LP-OA-DOAS）。基于仿真分析与现场实验相结合的综合研究，主要结论如下：

首先，在LightTools中进行了光线追踪仿真，评估了离轴结构相对于同轴结构的光学性能……

CRediT作者贡献声明

Tonghua Jia：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、验证、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。Guangxu Cheng：撰写—审阅与编辑、验证、资源获取、项目管理、资金获取、概念构思。Wenrong Shi：验证、软件、调查研究。Sheng Chen：资源获取、项目管理、资金获取、数据管理。Jiacong Yang：调查研究、形式化分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2022YFC3004504）的资助。

Tonghua Jia|Guangxu Cheng|Wenrong Shi|Sheng Chen|Jiacong Yang