一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置

摘要

本发明公开了一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集和信号分析单元，所述的激光发射单元采用D

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学遥测接收装置，具体是涉及将差分吸收激光雷达与D₂、H₂双拉曼 管差分吸收光源相结合，建立多波长差分吸收激光雷达装置，实现对对流层臭氧时空分布自 动连续监测的技术和方法。

背景技术

对流层臭氧占大气臭氧总量的10%左右，是一种重要的痕量气体，在对流层大气污染重 扮演着重要角色，臭氧是一种强氧化剂，它和其他化学物质反应产生多种有毒氧化物，对人 体健康造成极大危害，并且臭氧在光化学烟雾和灰霾生成中起着重要作用。对流层臭氧已成 为大气污染的首要表征物，开展臭氧时空探测装置获取对流层臭氧的时空分布数据和分布特 征具有重大的科学意义和应用价值。

差分吸收激光雷达以它的高测量精度、高时空分辨率以及能够连续测量等特点，成为测 量大气臭氧的重要主动遥感工具。目前存在的问题是系统比较复杂、体积较大、重量较重、 不易移动和运输，限制了它的应用区域范围；其次探测高度有限，大部分局限于500m～3km 的边界层高度内，第三是长时间连续运行往往可靠性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双拉曼管光源的差分 吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置，实现对对流层臭氧时空分布的高时空分辨 率、高精度昼夜连续探测；基于D₂、H₂双拉曼管光源，产生266nm、289nm、299nm、316nm 四个差分吸收波长对，实现近地面至对流层顶的臭氧浓度连续探测；拉曼频移光源具有设备 简单、成本低、激光波长稳定等优点，有利于差分吸收激光雷达的小型化和商业化；并且输 出的激光波长不存在激光波长漂移和激光波长标定等问题，有利于实现激光雷达自动化连续 测量；创新地使用四波长紫外光栅光谱仪取代干涉滤光片，有效减小了白天背景噪声干扰的 问题。

为解决上述问题，本发明的方案为：一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时 空分布昼夜自动探测装置，包括：Nd:YAG四倍频激光器1、充D₂的拉曼管13、充H₂的拉 曼管8、激光雷达接收光学系统17、信号分离和光电转换系统、工控机20、瞬态记录仪19、 半反半透镜2、第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一透镜7、第二 透镜9、第三透镜12、第四透镜14、第一直角棱镜10、第二直角棱镜11和第三直角棱镜15、 第四直角棱镜16；所述Nd:YAG四倍频激光器1和充D₂的拉曼管13、充H₂的拉曼管8、半 反半透镜2、第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一直角棱镜10、第 三直角棱镜11具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上组成激光发射系统，Nd:YAG 四倍频激光器1输出波长为266nm，输出的激光被半反半透镜2分为两束光，其中一束被第 一45⁰全反镜3折射后，经第一透镜7后在充满H₂的拉曼管8内聚焦，产生各级Stokes效应， 输出299nm拉曼频移光源，另一束266nm激光被第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6折射 后，经第三透镜12后再充满D2的拉曼管13内聚焦，产生各级Stokes（斯托克斯）效应(（各 级Stokes效应分为一级效应，二级效应、三级效应等，分别可以产生各种波长的拉曼频移光 源，如266nm的激光经H2的一级stokes效应后会产生299nm的激光），输出289nm、316nm 拉曼频移光源，两路光分别剩余的266nm激光和各自产生的299nm、289nm、316nm拉曼频 移光源，分别被第二透镜9、第四透镜14准直扩束，经扩束后的四波长激光发散角均小于 0.15mrad，分别第一直角棱镜10、第二直角棱镜11和第三直角棱镜15、第四直角棱镜16 发射到大气中;所述第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一直角棱镜 10、第二直角棱镜11、第三直角棱镜15、第四直角棱镜16固定在调整架上，调整架调谐精 度高，调整架上的旋钮调整1⁰，光束指向性调整0.02mrad；所述激光雷达接收光学系统17 搭载在光学平台的背面，使激光雷达接收光学系统17与激光发射系统不易受环境温度导致 的结构变形的影响，通过调整第一直角棱镜10、第三直角棱镜15，保证激光雷达接收光学 系统17与激光发射系统光轴平行；所述信号分离和光电转换系统包括四波长光栅光谱仪18 和266nm光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23、316nm光电倍增管 24，四波长光栅光谱仪18安装在激光雷达接收光学系统17尾部平面上，二者光轴重合，266nm 光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24分别 安装在光栅光谱仪尾部平面上，通过光栅光谱仪的四波长回波信号在266nm光电倍增管21、 289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24聚焦为一点，经266nm 光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24光电 转换为电流信号，并由瞬态记录仪19采集接收；所述工控机20自动控制Nd:YAG四倍频激 光器1、瞬态记录仪19工作，工控机20通过串口向Nd:YAG四倍频激光器1发送激光开启 信号，同时给瞬态记录仪19发送工作信号，进入预工作状态；Nd:YAG四倍频激光器1出 光后，Nd:YAG四倍频激光器1、瞬态记录仪19同时发送信号反馈给工控机20，工控机20 开始采集计时，Nd:YAG四倍频激光器1发射激光脉冲，瞬态记录仪19同步从266nm光电 倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23、316nm光电倍增管24中读取数 据并进行数据采集，并同时将实际采集脉冲数实时传递给工控机20，工控机20根据瞬态记 录仪19反馈的实际采集脉冲数进行计时和实时显示信号状态，同时监控Nd:YAG四倍频激 光器（1）、瞬态记录仪（19）的工作状态；计时达到预设结果时，工控机20通过串口向Nd:YAG 四倍频激光器1、瞬态记录仪19同时发送停止工作命令，工控机20将采集到的数字信号、 采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据文件，并通过差分吸收反演方法（该方法 具体采用双波长差分吸收方法，具体请见Claus Weitkamp所著《Range-Resolved Optical  Remote Sensing of the Atmosphere》书中的Differential-absorption lidar for ozone and industrial  emissions章节），得到所测光路路径上的臭氧浓度廓线；除获得臭氧浓度廓线外，同时可得 到边界层高度和颗粒物消光系数、云特性、颗粒物质量浓度等时空分布；这一工作过程是一 个循环不间断的过程。

所述D₂拉曼管13、H₂拉曼管8装置的289nm、299nm拉曼频移光的泵浦效率达到25%， D₂拉曼管13、H₂拉曼管8装置各自发射的289nm、316nm和299nm拉曼频移光束发射到大 气中的光轴平行。

所述第一透镜7、第二透镜9组成2倍扩束的系统，第三透镜12、第四透镜14组成2 倍扩束的系统，第二透镜9、第四透镜14采用消色差透镜，减小四波长激光指向性的差异。

所述四波长光栅光谱仪18采用4096lines/mm的高分辨率平面光栅，四波长光栅光谱仪 光谱分辨率为0.5nm，光学效率达到了30%以上。

所述基于双拉曼管的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置时间分辨率为 15min，空间分辨率为150m。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明中激光雷达系统各部件一体化设计，提高机械结构稳定性、可靠性，解决 了因为温度和机械振动产生形变，导致激光雷达系统不能长时间全天候的工作问题。

（2）本发明中的Nd:YAG四倍频激光器是一种通用的商业化激光器，具有高稳定性、 高可靠性、长工作寿命等特点，该类型的激光器中心波长稳定，不易发生漂移，Nd:YAG四 倍频激光器泵浦D₂、H₂拉曼管产生四波长差分吸收波长对，具有设备简单、成本低、激光 波长稳定等优点，输出的激光波长不存在激光波长漂移和激光波长标定等问题，有利于差分 吸收激光雷达的小型化和商业化。

（3）本发明中第二透镜、第四透镜采用空气隙消色差双合透镜，由人造熔融石英玻璃 和氟化钙两片透镜组成。这两种材料在紫外波段具有很高的透过率，对色差和球差都进行了 校正，有利于减小四波长激光束指向性的差异，提供激光雷达过渡区臭氧反演精度。

（4）本发明中使用四波长光栅光谱仪作为分光器件，克服了干涉滤光片易受温度、湿 度、压力等环境影响的缺点，提高了系统的长期稳定性；四波长光栅光谱仪采用高光谱分辨 率光栅，光谱分辨率能够达到0.5mm，带外抑制能力较干涉滤光片大大提高，有效滤去杂散 光干扰，提高了信号信噪比；四波长光栅光谱仪具有很好的选择性，特别适合多波长、多通 道的光信号检测。

（5）本发明采集获得266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号，能同时探测对 流层低层、中层、高层的臭氧时空分布，实现了对流层臭氧的时空分布昼夜连续监测。

附图说明

图1为本发明激光雷达接收光学设置系统图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自 动探测装置，设置有Nd:YAG四倍频激光器1、充D₂的拉曼管13、充H₂的拉曼管8、激光 雷达接收光学系统17、信号分离和光电转换系统、工控机20、瞬态记录仪19、半反半透镜 2、第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一透镜7、第二透镜9、第三 透镜12、第四透镜14、第一直角棱镜10、第二直角棱镜11和第三直角棱镜15、第四直角 棱镜16；所述Nd:YAG四倍频激光器1和充D₂的拉曼管13、充H₂的拉曼管8、半反半透镜 2、第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一直角棱镜10、第三直角棱 镜11具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上组成激光发射系统，Nd:YAG四倍频激 光器1输出波长为266nm，输出的激光被半反半透镜2分为两束光，其中一束被第一45⁰全 反镜3折射后，经第一透镜7后在充满H₂的拉曼管8内聚焦，产生各级Stokes效应，输出 299nm拉曼频移光源，另一束266nm激光被第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6折射后，经 第三透镜12后再充满D2的拉曼管13内聚焦，产生各级Stokes（斯托克斯）效应，输出289nm、 316nm拉曼频移光源，两路光分别剩余的266nm激光和各自产生的299nm、289nm、316nm 拉曼频移光源，分别被第二透镜9、第四透镜14准直扩束，经扩束后的四波长激光发散角均 小于0.15mrad，分别第一直角棱镜10、第二直角棱镜11和第三直角棱镜15、第四直角棱镜 16发射到大气中；所述第一45⁰全反镜3、第二45⁰全反镜5、第三45⁰全反镜6、第一直角棱 镜10、第二直角棱镜11、第三直角棱镜15、第四直角棱镜16固定在调整架上，调整架调谐 精度高，调整架上的旋钮调整1⁰，光束指向性调整0.02mrad；所述激光雷达接收光学系统17 搭载在光学平台的背面，使激光雷达接收光学系统17与激光发射系统不易受环境温度导致 的结构变形的影响，通过调整第一直角棱镜10、第三直角棱镜15，保证激光雷达接收光学 系统17与激光发射系统光轴平行；所述信号分离和光电转换系统包括四波长光栅光谱仪18 和266nm光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23、316nm光电倍增管 24，四波长光栅光谱仪18安装在激光雷达接收光学系统17尾部平面上，二者光轴重合，266nm 光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24分别 安装在光栅光谱仪尾部平面上，通过光栅光谱仪的四波长回波信号在266nm光电倍增管21、 289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24聚焦为一点，经266nm 光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23和316nm光电倍增管24光电 转换为电流信号，并由瞬态记录仪19采集接收；所述工控机20自动控制Nd:YAG四倍频激 光器1、瞬态记录仪19工作，工控机20通过串口向Nd:YAG四倍频激光器1发送激光开启 信号，同时给瞬态记录仪19发送工作信号，进入预工作状态；Nd:YAG四倍频激光器1出 光后，Nd:YAG四倍频激光器1、瞬态记录仪19同时发送信号反馈给工控机20，工控机20 开始采集计时，Nd:YAG四倍频激光器1发射激光脉冲，瞬态记录仪19同步从266nm光电 倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23、316nm光电倍增管24中读取数 据并进行数据采集，并同时将实际采集脉冲数实时传递给工控机20，工控机20根据瞬态记 录仪19反馈的实际采集脉冲数进行计时和实时显示信号状态，同时监控Nd:YAG四倍频激 光器1、瞬态记录仪19的工作状态；计时达到预设结果时，工控机20通过串口向Nd:YAG 四倍频激光器1、瞬态记录仪19同时发送停止工作命令，工控机20将采集到的数字信号、 采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据文件，并通过差分吸收反演方法（该方法 具体采用双波长差分吸收方法，具体请见Claus Weitkamp所著《Range-Resolved Optical  Remote Sensing of the Atmosphere》书中的Differential-absorption lidar for ozone and industrial  emissions章节），得到所测光路路径上的臭氧浓度廓线；除获得臭氧浓度廓线外，同时可得 到边界层高度和颗粒物消光系数、云特性、颗粒物质量浓度等时空分布；这一工作过程是一 个循环不间断的过程。

本发明工作过程：

工控机20自动控制激光雷达系统各部件工作，工控机20通过串口向Nd:YAG四倍频激 光器1发送激光开启信号，同时给瞬态记录仪19发送工作信号，进入预工作状态；Nd:YAG 四倍频激光器1出光后，Nd:YAG四倍频激光器1、瞬态记录仪19同时发送信号反馈给工控 机20；工控机20开始采集计时，Nd:YAG四倍频激光器1发射激光脉冲，瞬态记录仪19同 步从266nm光电倍增管21、289nm光电倍增管22、299nm光电倍增管23、316nm光电倍增 管24中读取数据并进行数据采集，并同时将实际采集脉冲数实时传递给工控机20，工控机 20根据瞬态记录仪19反馈的实际采集脉冲数进行计时和实时显示信号状态，同时监控各个 部件的工作状态；计时达到预设结果时，工控机20通过串口向Nd:YAG四倍频激光器1、 瞬态记录仪19同时发送停止工作命令，工控机20将采集到的数字信号、采集参数和仪器工 作状态数据保存为激光雷达数据文件，并通过差分吸收反演方法，得到所测光路路径上的臭 氧浓度廓线；除获得臭氧浓度廓线外，同时可得到边界层高度和颗粒物消光系数、云特性、 颗粒物质量浓度等时空分布；这一工作过程是一个循环不间断的过程。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用于限制本发明。本发明未详细阐述部分属 于本领域技术人员的公知常识，凡在本发明原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本 发明的保护范围之内。