Benchmarking vorcompensierte strommodulierte Diodenlaser-basierte differentialabsorption Lidar für CO2-Gas-Konzentrationsmessungen mit kHz-Rate

Wir präsentieren ein einstellbares Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie-System (TDLAS), das bei 1,5711 µm für CO2-Gas-Konzentrationsmessungen betrieben wird. Das System kann entweder im traditionellen Direktmodus (dTDLAS) mit dreieckigem Wellenlängenscan oder im kürzlich demonstrierten wellenlängen-umgeschalteten Einzel-Laser-Differential-Absorption-Lidar (WTSL-DIAL) Modus unter Verwendung von vorcompensierten Stromimpulsen betrieben werden. Der Einsatz solcher vorcompensierten Impulse kompensiert die langsamen thermischen Konstanten des Diodenlasers, was zu einem schnellen Umschalten zwischen ON- und OFF-Resonanzwellenlängen führt. Eine kurze Messzeit ist in der Tat entscheidend für atmosphärische Messungen, bei denen Umgebungsfaktoren wie Turbulenzen oder mechanische Vibrationen andernfalls Sensitivität, Präzision und Genauigkeit beeinträchtigen würden. Ein System, das in beiden Modi betrieben werden kann, ermöglicht es uns, das neuartige experimentelle Verfahren mit der gut etablierten dTDLAS-Methode zu vergleichen. Die Theorie hinter der neuen WTSL-DIAL-Methode wird ebenfalls erweitert, um die Periodizität der Strommodulation einzubeziehen, die grundlegend für die Berechnung der OFF-Resonanzwellenlänge ist. Ein Zwei-Detektor-Schema wurde gewählt, um den Einfluss von Laserintensitätsfluktuationen über die Zeit (1/f-Rauschen) zu unterdrücken, und deren Leistung wird schließlich mit einem Ein-Detektor-Ansatz verglichen. Der Hauptunterschied zwischen dTDLAS und WTSL-DIAL in Bezug auf die Signalverarbeitung liegt darin, dass erstere zeitaufwändige Datenverarbeitung erfordert, was die maximale Aktualisierungsrate des Instruments einschränkt, während letztere rechnerisch einfachere und schnellere Konzentrationsmessungen ermöglicht. Um andere Leistungskennzahlen zu vergleichen, wurde die Aktualisierungsrate für beide Methoden auf 2 kHz festgelegt. Zur Analyse der dTDLAS-Daten wurde eine Vier-Parameter-Lorentzsche Anpassung durchgeführt, bei der die Anpassungsfunktion die sechs wichtigsten benachbarten Absorptionslinien um 1,5711 µm umfasste. Ähnlich wurde die spektrale Überlappung zwischen denselben Linien bei der Echtzeitanalyse der WTSL-DIAL-Daten berücksichtigt. Unsere Untersuchung zeigt, dass die WTSL-DIAL-Methode für die untersuchten Zeitintervalle 3,65 ± 0,04-mal präziser ist; jedoch sind die CO2-Konzentrationsmessungen, die auf dTDLAS basieren, weniger anfällig für systematische Fehler, insbesondere druckbedingte. Die experimentellen Ergebnisse werden von einer eingehenden Erklärung und Diskussion der verwendeten Modelle sowie deren Vor- und Nachteilen begleitet.