机动车尾气的遥感监测，因其能在机动车正常行驶情况下监测机动车的瞬时排放而收到广泛关注和研究。自1989年，美国denwer大学研制出第一台遥感监测设备开始，遥感监测技术已经从基于非分光红外技术（nondispersion infrared, ndir）发展到基于可调谐二极管激光器（tunablediode laser，tdl）技术[1]，检测污染物种类从单一的co发展到co、hc和nox均能有效监测。遥感监测技术在各国均开始有益的试验研究和实际应用[2]。

本文从光学原理人手介绍了机动车尾气遥感监测的物理原理，并详细阐述了可调二极管激光吸收光谱学技术，以及在调制过程中的二次谐波调制技术。将可调二极管激光光谱学技术与传统遥感监测方法中的非分光红外技术和紫外差分技术进行对比，指出了其突出优点。随后介绍了基于可调二极管激光器的机动车尾气遥感监测系统，剖析了技术难点和解决方法。

2．遥感监测中的可调谐二极管激光光谱吸收技术

利用光学和光谱学技术对机动车尾气进行遥感监测历史已久。激光的高单色性、方向性、高强度的优良特性，使得建立在二极管激光与调制技术基础之上的可调谐二极管激光光谱吸收技术具有高选择性、高灵敏度、实时快速等优点。可调谐二极管激光器(tdl)的工作原理是通过测量被测气体分子在特征波峰上的吸收而引起的电子信号的变化来分析被测物质浓度。tdl是由镓砷(gaas)、镓锑(gasb)或铟磷(inp)等材料作为衬底，经过外延生长和后工艺加工等制备的具有复杂结构的激光器。在注入电流密度超过阈值电流密度工作的条件下，tdl发射出特定波长的激光，其激射波长由材料的结构特性所决定。随着注入电流密度的变化，其激射波长会在一定的窄波段范围内发生改变，通过这个特性可以高速改变阈值电流密度，高速测试到和被测气体分子特征光谱波峰相一致的波长。由于激射波长非常精确，对于每个待测气体成分可选择不受干扰的吸收波段进行分析。tdl的出现，很好的解决了以前传统的遥感检测中所遇到的一些问题，例如高时间分辨率、高灵敏度、高选择性等等一些实时监测要求等。

2．1 可调谐二极管激光光谱吸收技术原理

电磁辐射与原子和分子间的相互作用是光谱遥感探测污染物成分以及特性的基础，根据环境中痕量气体成分在紫外、可见和红外光谱的特征吸收性质来反演其浓度。可调谐二极管激光光谱吸收技术作为光学遥感方法的一种，是用几百米到几公里，甚至更长的光程代替了传统试验室中的取样池，采用检测激光光束的透射谱，即使光束从待测气体的一侧入射通过污染气体，在另一端出射用探测器接收的方法。发射器与接收器间的距离确定了光程(大气的折射率近似为1．0)，测量原理基于beer-lambert定律。

i(λ)=i0(λ)exp(—σ(λ)c l)(1—1)

其中，i(λ)为为透射光谱强度；io(λ)为激光的初始强度；σ(λ)则表示在波长入处的分子吸收系数，c即为吸收物质的浓度，l为总的光程。

进一步，根据实际应用要求，将公式(1—1)改进为：

i(λ)=io(λ)exp(-ps(t)φ(v)c l) (1-2)

其中，s(t)为谱线的线强度，只与温度有关，单位(cm-2mpa)，可以运用hitran数据库直接进行计算得出；p为气体的总压，单位mpa；φ(v)为线性函数，表示被测吸收谱线的性质与温度、压强和气体的种类等有关。

综上，可调谐二极管激光吸收光谱技术是利用调谐激光波长通过被测气体的特征吸收区的直接吸收光谱技术，由测得的吸收谱线的线形、线宽和强度可以计算出分子的吸收截面，进而计算出被测气体的浓度，因此是一种不需要定标的直接测量。

2．2 谱线选择

采用可调谐二极管激光光谱吸收技术，吸收谱线的选择非常重要。要求满足下列条件：谱线中心波长必须与tdl的中心波长和光探测器的响应波长相适应。谱线不能位于多种气体吸收的交叉谱带，否则容易产生交叉干扰。选择测量的吸收谱线不仅必须要适合用到的tdl的中心波长，而且还要跟其他气体分子在吸收区域没有交叉吸收，以排除其他分子吸收的干扰从而提高测量精度。

应尽量选择吸收线型较为规则如lorenze或者gauss型的谱线。

图1为利用哈佛大学提供hitran数据库[4]。得到在常温(23℃)时co和c02在l um至3um波长范围内的谱线图：

根据图1和2，选择2 000 nm作为c02的吸收谱线，选择co为l 570 nm。 同理，取hc为1 650 nm和no为670 nm．

2．3 调制光谱技术

可调谐二极管激光器具有这样的性质：注入电流密度达到或者超过阈值电流密度时，可调谐二极管激射出特定波长的激光，随着注入tdl电流密度的变化，激射波长(对应其光子能量)将在一定范围内发生变化。每一种气体分子都对应着一套特征的吸收谱线，通过调整发射波长至被测气体分子某…吸收谱线，光子能量将全部或部分被吸收，此过程不易受其他气体分子干扰，这对待测气体浓度进行分析极为有利。