CN101493406B - 基于差分吸收的大气二氧化碳远距离激光相干探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，On、Off光源激光器的输出端通过气体池与探测器、控制器、光源激光器、频移器、调制器、发射光学系统、接收光学系统、滤波器、混频探测器、滤波放大采样电路、系统控制及二氧化碳数据反演处理装置相连接，本发明的目的是提供一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，可以实现对远距离二氧化碳气体浓度的高精度快速检测。

Description

基于差分吸收的大气二氧化碳远距离激光相干探测装置
技术领域
本发明涉及一种探测大气的激光雷达装置，尤其涉及基于差分吸收原理远距离探测二氧化碳空间浓度分布的相干激光探测装置。
背景技术
大气中的CO2与人类生活息息相关，普遍得到环境学者的关注和研究。CO2与生物圈是如何相互影响的(得到量化的信息，哪些地方是源，哪些地方是汇)，自然界C元素循环机制怎样等等，对CO2的许多方面至今尚不很清楚。关于CO2时空分布的知识及其变化原因的理解，对预测将来CO2水平及其对温度变化的影响也是必需。大气CO2浓度的探测十分重要，是弄清这些问题的重要前提。
激光雷达特别适用于对大气的探测。这是因为激光束的许多优异性能几乎都可以在大气探测激光雷达中的充分利用。激光的高亮度、高准直度和短脉冲特性，使得大气探测激光雷达具有很高的探测灵敏度和空间分辨能力；激光可以遥测大气的时空分布，这不仅有助于详细了解大气中各种气体成分的实况，而且对研究大气的扩散规律也很有价值。目前，激光对二氧化碳的远距离遥测主要采用Raman散射原理。Raman散射雷达具有激光波长无严格选择、系统结构相对简单的优点，但探测灵敏度较低，不能快速掌握大气中二氧化碳的时空分布及变化情况。
发明内容
本发明的目的是提供基于差分吸收的大气二氧化碳远距离激光相干探测装置，可以实现对远距离二氧化碳气体浓度的高精度快速检测。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，On光源激光器的输出端通过气体池A与探测器A的输入端连接，探测器A输出端与控制器A输入端连接，控制器A输出端与On光源激光器输入端连接；On光源激光器输出端与 频移器输入端连接、频移器输出端与调制器输入端连接，调制器输出端与发射光学系统输入端连接；接收光学系统输出端与滤波器A输入端连接，滤波器A输出端与混频探测器A输入端连接，On光源激光器输出端与混频探测器A输入端连接；混频探测器A输出端与滤波放大采样电路输入端连接，滤波放大采样电路输出端与用以发射系统控制指令，完成空间扫描和相关数据收集，并对差分吸收回波数据进行处理得到二氧化碳空间浓度分布信息的系统控制及二氧化碳数据反演处理装置的输入端连接；扫描驱动装置的输出端分别与发射光学系统和接收光学系统输入端连接。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述装置中还设有Off光源激光器，Off光源激光器的输出端通过气体池B与探测器B的输入端连接，探测器B输出端与控制器B输入端连接，控制器B输出端与Off光源激光器输入端连接；所述On光源激光器和Off光源激光器的输出端通过波分复用器与所述频移器输入端连接；所述接收光学系统与滤波器之间设有分波器；分波器的输出端与滤波器B的输入端连接；滤波器B的输出端与混频探测器B输入端连接；混频探测器B输出端与所述滤波放大采样电路输入端连接；Off光源激光器输出端与混频探测器B输入端连接。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述频移器为声光频移器或电光频移器。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述调制器为声光调制器或机械调制器。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述滤波器为光纤滤波器或滤波片。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述频移器具体为声光频移器。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述调制器具体为声光调制器。
一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，所述滤波器A和滤波器B为光纤滤波器A和光纤滤波器B；光纤滤波器A和光纤滤波器B的输出端分别与混频探测器A和混频探测器B的输入端相连接。
本发明基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置利用差分吸收原理，通过产生特定的激光波长实现对二氧化碳吸收光谱进行探测，从而实现对二氧化碳浓度的远距离高灵敏度探测。基于相干检测技术可进一步提高探测装置的灵敏度。可以实现对远距离二氧化碳时空分布的快速检测。
本发明与现有技术相比，其显著的优点是：1)解决了对二氧化碳气体浓度的远距离探测问题；2)作为一种主动探测方式，较少受环境、气候的影响，可以全天候工作；3)采用差分吸收探测技术，提高了对二氧化碳浓度的探测精度和灵敏度；4)采用相干探测技术，提高了探测信噪比，克服了背景光的不利影响；5)通过大范围时空扫描和回波数据反演技术，可以对大范围的二氧化碳浓度的时空分布变化进行快速检测；6)装置采用全固态激光器和光纤连接方式，体积与能耗较小，安装和操作简便，具有应用方便灵活的优点。
附图说明
图1为实施例1本装置结构框图。
图2为实施例2本装置结构框图。
具体实施方式
实施例1
参见图1所示，本发明基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置是一种适合于远距离大范围二氧化碳浓度时空分布激光探测装置置。本发明由高精度波长控制系统、声光调制系统、激光发射接收扫描系统、激光回波相干探测系统、系统控制和二氧化碳浓度数据反演系统构成，即On光源激光器1通过气体池A2与探测器A3连接，探测器A3与控制器A4连接，控制器A4与On光源激光器1连接。Off光源激光器5通过气体池B6与探测器B7连接，探测器B7与控制器B8连接，控制器B8与Off光源激光器5连接。On光源激光器1和Off光源激光器5通过波分复用器9、声光频移器10、声光调制器21与发射光学系统11连接。接收光学系统13通过分波器14分别与光纤滤波器A15、光纤滤波器B16连接。光纤滤波器A15、Off光源激光器5与混频探测器A17连接，光纤滤波器B16、On光源激光器1与混频探测器B18连接。混频探测器 A17、混频探测器B18与滤波放大采样电路19连接，滤波放大采样电路19与系统控制及二氧化碳数据反演装置20连接。扫描驱动装置12与发射光学系统11、接收光学系统13连接。
具体而言，由On光源激光器1发生On激光，激光通过CO2气体池A2后被探测器A3接收，控制器A4通过检测探测器A3的信号反馈产生控制电压对On光源激光器1进行高精度波长控制，将On光源激光器1的输出激光波长控制在CO2的吸收峰内。，由Off光源激光器5发生Off激光，激光通过CO2气体池B6后被探测器B7接收，控制器B8通过检测探测器B7的信号反馈产生控制电压对Off光源激光器5进行高精度波长控制，将Off光源激光器5的输出Off激光波长控制在CO2的吸收峰外侧。On光源激光器1、Off光源激光器5的主分光通过波分复用器9复用到同一光路中，通过声光频移器21产生对出射激光频率进行移频，再通过声光调制器10将其变换成脉冲激光，通过发射光学系统11出射。由扫描驱动装置12驱动发射光学系统11和接收光学系统13对给定区域范围内的二氧化碳浓度时空分布进行探测。
On激光和Off激光在大气中传播，由于处于不同的CO2吸收谱线位置而产生不同的吸收效应，其大气回波通过接收光学系统13接收后，被分波器14分成On回波和Off回波信号。Off回波信号通过光纤滤波器A15滤除背景光后，与Off光源激光器5引出的种子光同时进入混频探测器A17进行相干混频探测，相干探测信号进入滤波放大采样电路19进行信号的滤波、放大和采样，得到沿探测路径的二氧化碳Off光回波数据。On回波信号通过光纤滤波器B16滤除背景光后，与On光源激光器1引出的种子光同时进入混频探测器B18进行相干混频探测，相干探测信号进入滤波放大采样电路19进行信号的滤波、放大和采样，得到沿探测路径的二氧化碳On光回波数据。
采样得到的二氧化碳On、Off回波数据被送入系统控制和二氧化碳数据反演处理系统20进行处理。利用差分吸收原理，对扫描区域内各扫描段、各探测时刻以及探测路径上的各点二氧化碳浓度数据进行解算，最终得到二氧化碳浓度的时空分布数据。
实施例2
参见附图2所示，本发明基于差分吸收的大气二氧化碳远距离激光相干探测 装置是一种适合于远距离大范围二氧化碳浓度时空分布激光探测装置置。本发明由高精度波长控制系统、声光调制系统、激光发射接收扫描系统、激光回波相干探测系统、系统控制和二氧化碳浓度数据反演系统构成，即On光源激光器1通过气体池A2与探测器A3连接，探测器A3与控制器A4连接，控制器A4与On光源激光器1连接。On光源激光器1通过声光频移器10、声光调制器21与发射光学系统11连接。接收光学系统13与光纤滤波器B16连接。光纤滤波器B16与混频探测器B18连接。混频探测器B18与滤波放大采样电路19连接，滤波放大采样电路19与系统控制及二氧化碳数据反演装置20连接。扫描驱动装置12与发射光学系统11、接收光学系统13连接。
具体而言，由On光源激光器1发生激光，激光通过CO2气体池A2后被探测器A3接收，控制器A4通过检测探测器A3的信号反馈产生控制电压对On光源激光器1进行高精度波长控制，将On光源激光器1的输出激光波长交替控制在CO2的吸收峰内和吸收峰外侧。通过声光频移器10产生对出射激光频率进行移频，再通过声光调制器21将其变换成脉冲激光，通过发射光学系统11出射。由扫描驱动装置12驱动发射光学系统11和接收光学系统13对给定区域范围内的二氧化碳浓度时空分布进行探测。On激光在大气中传播，其大气回波通过接收光学系统13接收。回波光信号通过光纤滤波器B18滤除背景光后，与On光源激光器1引出的种子光同时进入混频探测器B18进行相干混频探测，相干探测信号进入滤波放大采样电路19进行信号的滤波、放大和采样，按照输出激光波长的调制时序关系分别得到沿探测路径的二氧化碳On光回波数据。采样得到的二氧化碳On回波数据被送入系统控制和二氧化碳数据反演处理系统20进行处理。利用差分吸收原理，对扫描区域内各扫描段、各探测时刻以及探测路径上的各点二氧化碳浓度数据进行解算，最终得到二氧化碳浓度的时空分布数据。
实施例3
激光器采用Off光源激光器5，其余同实施例2。

Claims (7)

1.一种基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于：On光源激光器的输出端通过气体池A与探测器A的输入端连接，探测器A输出端与控制器A输入端连接，控制器A输出端与On光源激光器输入端连接；Off光源激光器的输出端通过气体池B与探测器B的输入端连接，探测器B输出端与控制器B输入端连接，控制器B输出端与Off光源激光器输入端连接；所述On光源激光器和Off光源激光器的输出端通过波分复用器与频移器输入端连接；频移器输出端与调制器输入端连接，调制器输出端与发射光学系统输入端连接；接收光学系统的输出端通过分波器分别与滤波器A与滤波器B的输入端连接，滤波器A输出端与混频探测器A输入端连接，On光源激光器输出端与混频探测器A输入端连接；滤波器B的输出端与混频探测器B输入端连接；Off光源激光器输出端与混频探测器B输入端连接；混频探测器A输出端与滤波放大采样电路输入端连接，混频探测器B输出端与所述滤波放大采样电路输入端连接，滤波放大采样电路输出端与用以发射系统控制指令，完成空间扫描和相关数据收集，并对差分吸收回波数据进行处理得到二氧化碳空间浓度分布信息的系统控制及二氧化碳数据反演处理装置的输入端连接；扫描驱动装置的输出端分别与发射光学系统和接收光学系统输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述频移器为声光频移器或电光频移器。
3.根据权利要求1所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述调制器为声光调制器或机械调制器。
4.根据权利要求1所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述滤波器为光纤滤波器或滤波片。
5.根据权利要求2所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述频移器为声光频移器。
6.根据权利要求3所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述调制器为声光调制器。
7.根据权利要求1所述的基于差分吸收的远距离二氧化碳相干激光探测装置，其特征在于所述滤波器A和滤波器B为光纤滤波器A和光纤滤波器B；光纤滤波 器A和光纤滤波器B的输出端分别与混频探测器A和混频探测器B的输入端相连接。 
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