CN102788763A

CN102788763A - 利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统

Info

Publication number: CN102788763A
Application number: CN2012103193350A
Authority: CN
Inventors: 郑玉臣; 刘巧君; 朱建华; 罗时荣
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2012-11-21

Abstract

一种利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，主要用于监测大气中一些具有特征吸收的气体分子，如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、臭氧和一些芳香族有机物等。系统利用激光诱导击穿光谱所产生的白光作为光源，采用望远镜作为光学信号接收器，通过采集差分吸收光谱信号监测大气状况。系统可以自由调节击穿光谱光源的位置，选择不同高度的大气进行差分，亦可对某一高度层间的大气进行测量与分析。

Description

利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统

技术领域

本发明涉及一种大气监测系统，尤其是指利用激光诱导击穿光谱所产生的白光作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要用于监测大气中一些具有特征吸收的气体分子，如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、臭氧和一些芳香族有机物等。

背景技术

差分吸收光谱（DOAS）技术最早出现在上世纪70年代末，它主要以大气中的痕量污染气体对光波的窄带特征吸收光谱为基础，通过特征吸收光谱监测大气中污染气体的类型及含量。差分吸收光谱系统具有许多优点，如无需对监测的气体进行采样，简化了监测步骤；可以测量痕量气体的浓度而不改变其化学性质，避免了测量对象化学性质变化带来的测量误差；可以同时判断及测量多种气体的存在和含量，具有高分辨率、高探测灵敏度等特点，同时它还可以对大气进行大范围、连续的实时监测，能准确地反应大气污染状况，因此差分吸收光谱系统在大气监测中的应用十分广泛。

如图1所示，为已有差分吸收光谱大气监测系统的示意图，其公开在Appl. Opt.期刊2003年42卷21期第4362-4368页上，论文题目为“利用障碍闪光灯和电荷耦合器件光谱仪进行大气NO₂长程测量”（Long-path measurement of atmospheric NO₂ with an obstruction flashlight and a charge-coupled-device spectrometer），作者Yotsumi Yoshii等。该系统采用安装在焚化炉烟囱上高度为130 m的4盏氙灯作为光源，在离光源水平距离5500 m处的实验室安置高度为31 m的望远镜和光谱仪装置，接收氙灯经过大气传输后的光信号，对其进行处理分析。

图2为另一差分吸收光谱大气监测系统的示意图，其公开在《分析仪器》2008年第1期第7-11页上，论文题目为“差分吸收光谱法大气环境质量在线连续监测系统的设计”，作者崔厚欣等。该系统采用高压短弧氙灯作为光源，其发出的光经望远镜准直后射向远处的角反射镜，被角反射镜返回的光信号再由望远镜接收器接收，由光纤导入光谱仪分光，分光后的信号进入PDA转变成电信号，经ADC转换并最终送入计算机进行处理。该系统采用角反射器反射回的光谱与已知的氙灯光谱作差分。

图3的差分吸收光谱大气监测系统的示意图，公开在《物理学报》2006年55卷6期第3165-3169页上，论文题目为“差分吸收光谱技术监测大气气溶胶粒谱分布”，作者司福祺等。该系统同样以氙灯作为光源，其发出的光经望远镜主镜M准直为平行光后射向远处的角反射镜，被角反射镜返回的光信号再由望远镜接收，经主镜的会聚作用后被次镜M1反射并在光纤的入射端面聚集，由光纤导入光谱仪分光，分光后的信号进行光电转换后进入计算机进行处理。为了实现双光路测量，该系统在离仪器4m及340m处分别安装角反射器，测量时通过望远镜的转动获得不同光程的光强进行差分。

为实现差分，以上三个系统均采用高压氙灯作为光源，此类系统的限制在于：

安装在高空的氙灯或者角反射器都具有固定的位置，一般是安装在监测点附近较高的建筑物上，安置后不能轻易改变，这就对差分吸收系统的使用地点进行了限制，同时也限定了此类系统所监测的大气层高度的上限，使其无法对更高高度的大气状况进行监测；无论是采用氙灯光谱还是低空光谱与较高空光谱作差分，此类系统只可以获得某一固定高度以下大气层的整体状况，而无法对整个大气层作分层监测与比较；整套系统的元件异地安置，亦增加了日常维护的成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，该系统可以自由调节击穿光谱光源的位置，选择不同高度的大气进行差分，亦可对某一高度层间的大气进行测量与分析。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要可分为三大部分：

1. DOAS光路发射单元，其包括，

激光器，经倍频和三倍频后分别输出波长为532nm和355nm的激光束；

扩束器，用其将所述激光器输出的倍频和三倍频光信号进行扩束；

具有波面整形作用的自适应光学单元；

作为激光发射器的望远镜，用以将经自适应光学单元调整的激光发射并于空中目标高度聚焦，使之产生激光诱导击穿光谱点光源；

2. DOAS光路接收单元，其包括，

作为光学信号接收器的望远镜，用以接收点光源光谱经过大气后的光信号；

3. DOAS信号采集处理单元，本专利提供两套方案：

（1）方案一为光电倍增管探测系统，其包括，

用于分光的单色仪；

步进马达，与单色仪相连，用于控制单色仪的中心波长；

光电倍增管，用于接收从单色仪出射的光信号，并将其转变为电信号；

信号瞬态记录仪，用以完成对光电转换后的电信号的采集、模数转换、暂存等数据处理工作；

计算机终端，用于对整个DOAS系统的控制及数据存储；

（2）方案二为门控ICCD光谱仪探测系统，其包括，

门控ICCD光谱仪，用于将望远镜接收到的光信号进行分光采集及光电转换；

计算机终端，用于对整个DOAS系统的控制及数据存储。

接收单元2和信号采集处理单元3之间由传导光纤连接。该光纤两端分别与外端含凸透镜的进光筒相接，用于光信号的收集与传递。

所述的激光器是Nd:YAG固体激光器，脉冲能量为100~300 mJ，重复频率为10~50 Hz；

所述的扩束器为凹透镜，所述的发射激光经扩束后的光束直径为25~60 mm；

所述的自适应光学单元，含波面整形器，在计算机的控制下，可以通过对波面整形器的调节，改变输出激光的发散角度，使其经发射望远镜发射后可以聚焦于空中预定的目标高度，产生激光诱导击穿光谱；

所述的发射望远镜和接收望远镜为牛顿望远镜，直径为300~600 mm；

所述的信号采集处理单元3的两套方案适用于大部分天气情况，但当大气污染较严重，能见度差或湍流剧烈的情况下，方案一的信号采集元件信号瞬态记录仪的光电计数通道可以采集极微弱的回波光，保证该探测系统的正常工作。

本发明利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要优点如下：

1．具有波面整形作用的自适应光学单元的引入，与望远镜配合使用，使激光器发射的光束聚焦于空中可变的目标高度，在计算机控制下的自适应的光学调整可克服大气湍流作用带来的不利影响，提高了系统实用性；

2．克服了传统系统只能探测固定空气层整体状况的缺点，新系统不但可以改变探测的高度，而且可以选择感兴趣的空气层进行监测与比较；

3．两种信号采集方案的引入，可于不同的大气状况及探测高度情况下选择使用光电倍增管系统或门控ICCD光谱仪系统，提高系统的灵活性；

4．系统设计合理，操作方便。避免了系统元件异地安置带来的使用和维护上的不便。

附图说明

下面结合附图就本发明的最佳实施例详细说明如下：

图1为已有技术之一的差分吸收光谱大气监测系统示意图；

图2为已有技术之二的差分吸收光谱大气监测系统示意图；

图3为已有技术之三的差分吸收光谱大气监测系统示意图；

图4为本发明利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统方案一的示意图；

图5为本发明所述系统采用的单色仪内部结构及光学光路走向图；

图6为用本发明所述系统采集到的近地面高度的激光诱导击穿光谱。

由于该系统方案二的门控ICCD光谱仪采集系统已经属于现有技术，本发明在此不再赘述。

具体实施方式

本发明提出的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统的示意图如图4和5所示，从固体Nd:YAG激光器1输出的二倍频（532nm）和三倍频（355nm）激光束，经扩束器2进行扩束后，进入自适应光学单元3进行波面整形。整形后的激光进入发射望远镜4，经4的反射镜和主镜射向空中，并于目标高度聚焦，产生可视为点光源的激光诱导击穿光谱。该点光源发出的光经大气传输后进入牛顿接收望远镜5，接收到的光信号经5的主镜及次镜的反射后，通过一小孔光阑6进入两端含凸透镜的进光筒的传导光纤7，此传导光纤7入光端的进光筒置于光阑6后，用以收集大气光谱信号，传导光纤7尾端的出光筒固定于光栅单色仪8的入光端，使采集到的大气光谱信号进入单色仪分光。单色仪的具体结构及光学光路走向如图5所示。单色仪中控制光栅或棱镜位置的转动轴在单色仪外部与一步进马达9连接，通过该步进马达的的控制改变光栅或棱镜位置，从而自由选择单色仪分出的单色光的中心波长。单色仪8分出的光经出光缝直接进入光电倍增管10，光信号在此转变为电信号。转换后的电信号由电缆导入信号瞬态记录仪11，该信号瞬态记录仪用以完成对光电转换后的电信号的采集、模数转换、暂存等数据处理工作；步进马达9及信号瞬态记录仪11均由计算机12中的程序控制，激光器1发射激光的频率亦可由计算机的内置程序改变，使之与采集信号的频率一致，减小误差，具有波面整形作用的自适应光学单元3在计算机12的控制下调整其参数，用以改变激光在空中聚焦位置的高度。

如图4所示，从固体Nd:YAG激光器1输出的二倍频（532nm）和三倍频（355nm）激光束，经扩束器2进行扩束后，进入自适应光学单元3进行波面整形。在计算机12的控制下，3的各个参数已经按要求进行了相应的调整，这就决定了输出的激光在空中聚焦的高度，产生可视为点光源的激光诱导击穿光谱。图6为使用该系统采集到的近地面高度的激光诱导击穿光谱。在实际应用中，通过计算机和自适应光学单元的联合使用可使激光于空中不同高度聚焦，产生点光源，采集它们的回波光并将不同高度的光谱做差分即可得到感兴趣的大气层的状况。

虽然本发明已给出具体实施例如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术的人员，在不脱离本发明精神的范围内，可做出各种的变动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其可实现大气的实时监测，准确地反应大气污染状况。

2.如权利要求1所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要由发射单元、接收单元和信号采集处理单元三部分构成。

3.如权利要求2所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，其系统中的发射单元进一步包括激光器、扩束器、具有波面整形作用的自适应光学单元及发射望远镜，其中的激光器是Nd:YAG固体激光器，其脉冲能量为100~300 mJ，重复频率为10~50 Hz。

4.如权利要求2所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，其系统中的接收单元为望远镜。

5.如权利要求2所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，其系统中的信号采集处理单元有两套解决方案，分别为方案一光电倍增管探测系统和方案二门控ICCD光谱仪探测系统。

6. 如权利要求5所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，其系统中信号采集处理单元的方案一进一步包括单色仪、步进马达、光电倍增管、信号瞬态记录仪、计算机终端；方案二进一步包括门控ICCD光谱仪、计算机终端。

7.如权利要求6所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，方案一系统中的步进马达两端分别与单色仪和计算机控制终端相接，用于控制单色仪处于不同的中心波长；步进马达的精度为400步/转，每转对应单色仪中心波长变化25 nm，即步进马达每前进一步，在其控制下，单色仪的中心波长相应增加0.0625 nm，实际应用中可根据所需的测量精度采用不同步数的步进马达。

8.如权利要求6所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，方案一系统中的光电倍增管的工作电压可在0-850V之间选择。

9.如权利要求6所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，方案一系统中的信号瞬态记录仪有两种信号记录方式，模拟计数及光电计数，分别对应较强信号及较弱信号状况。

10.如权利要求6所述的利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其特征在于，方案一系统中的计算机控制终端安装有激光触发控制程序、光电倍增管电压控制程序、步进马达控制程序及信号采集软件。