CN101923162B - 拉曼激光雷达标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼激光雷达标定装置及其标定方法。装置为接收光纤(13)的输出端套装有暗箱(11)，光纤(13)输出端口的侧面置有发光光谱范围涵盖氮气体和待标定气体光谱段的发光二极管(1)，光纤(13)与发光二极管(1)光路上置有准直透镜(10)和分束片(5)，分束片(5)的反射光路上置有第一滤光片(3)和第一探测器(2)、透射光路上置有第二滤光片(7)和第二探测器(6)；方法为将由第一探测器(2)和第二探测器(6)获得的待标定气体光谱段的光强P1和氮气体光谱段的光强P2及其强度表达式中的I_λN和I_λX代入拉曼激光雷达方程式，得

由该方程式得到待标定气体的浓度分布。它的结构简单，使用方便，可用于大气参数的定量测量。

Description

拉曼激光雷达标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达标定装置及标定方法，尤其是一种拉曼(Raman)激光雷达标定装置及其标定方法。

背景技术

拉曼激光雷达是光机电一体化的高技术产品，多用于大气参数的定量测量。由于拉曼激光雷达的系统较复杂，牵涉的功能部件较多，故而极易因系统中参数的变化而引发拉曼激光常数的改变，进而引起激光雷达常数的变化。为此，在拉曼激光雷达的实际应用中，常需对拉曼激光雷达常数进行定标。如在2000年11月出版的《大气科学》第24卷第6期杂志中“大气中水汽混合比的Raman激光雷达探测”一文曾公开了一种通过气象探空法来确定系统标定常数C_w的方法。它是在Raman激光雷达探测水汽混合比的过程中放一载有气象探空仪的探空气球，在某一段距离内将气象探空仪测量的水汽混合比与Raman激光雷达测得的Raman后向散射信号比和大气透光率修正函数的乘积进行归一化处理，来确定标定常数C_w的。但是，这种确定系统标定常数C_w的方法存在着不足之处，首先，需使用载有气象探空仪的探空气球，既增大了测量的成本，又不方便，还不易对大气中水汽混合比进行实时的定量测量，虽也有使用与水汽廓线仪探测结果的比较来确定Raman激光雷达常数的，却仍有着因水汽廓线仪的价格很高，较难实际应用的缺陷，这也是Raman激光雷达走向实用化的难以逾越的一大障碍；其次，仅适用于对大气中水汽混合比进行定量测量时的定标，而不能用于对大气中的其它气体进行定量测量时的定标，如不能对二氧化碳气体、气溶胶进行定量测量时的定标。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单，使用方便的拉曼激光雷达标定装置。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种规范、简便的拉曼激光雷达标定装置的标定方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：拉曼激光雷达标定装置包括拉曼激光雷达的接收光纤，特别是，

所述接收光纤的输出端套装有暗箱，所述暗箱中接收光纤的输出端口的侧面置有发光二极管；

所述发光二极管发光的光谱范围为涵盖氮气体和待标定气体的光谱段，其输入端与脉冲电源的输出端电连接；

所述接收光纤与发光二极管的光路上置有准直透镜，所述准直透镜后的光路上置有分束片，所述分束片的反射光路上依次置有第一滤光片和第一探测器、透射光路上依次置有第二滤光片和第二探测器，所述第一滤光片和第二滤光片分别互为氮气体光谱段的滤光片和待标定气体光谱段的滤光片。

作为拉曼激光雷达标定装置的进一步改进，所述的发光二极管发光的光谱范围为涵盖氮气体和二氧化碳气体的光谱段，其光谱范围为370～390nm；所述的发光二极管发光的光谱范围为涵盖氮气体和气溶胶的光谱段，其光谱范围为350～390nm或530～620nm；所述的发光二极管发光的光谱范围为涵盖氮气体和水汽的光谱段，其光谱范围为380～420nm；所述的脉冲电源输出的电压波形为矩形，其脉冲宽度为250～400us，频率为10～30Hz；所述的暗箱的内壁为粗糙面，且涂覆有黑色物质；所述的第一探测器和第二探测器分别位于暗箱的内壁上；所述的第一滤光片和第一探测器间的反射光路上置有第一衰减片；所述的第二滤光片和第二探测器间的透射光路上置有第二衰减片。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：拉曼激光雷达标定装置的标定方法包括拉曼激光雷达回波光强的测量，特别是标定步骤如下：

步骤1，分别由第一探测器和第二探测器获得待标定气体光谱段的光强P1和氮气体光谱段的光强P2，所述待标定气体光谱段的光强P1的强度表达式为P1＝I_λX·C₁，式中的I_λX为发光二极管在待标定气体光谱处的强度、C₁为激光雷达常数，所述氮气体光谱段的光强P2的强度表达式为P2＝I_λN·C₂，式中的I_λN为发光二极管在氮气体光谱处的强度、C₂为激光雷达常数；

步骤2，分别将光强P2、P1及其表达式中的I_λN和I_λX代入拉曼激光雷达方程式，得 $\frac{n_x\left(z\right)}{n_N\left(z\right)}=\frac{P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)}{P_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)}\·\frac{P2}{P1}\·\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_x}}{I_{{\mathrm{\λ}}_N}}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_N}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_x}}\·{\exp }^{\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)]\mathrm{dz}},$ 方程式中的η_X(Z)为待标定气体的浓度分布，η_N(Z)为氮气体的浓度分布，P_λX(Z)为待标定气体的回波强度分布，P_λN(Z)为氮气体的回波强度分布，β_λX和β_λN分别为待标定气体和氮气体的拉曼散射截面，其均为常数，

为大气修正项，包括大气分子和气溶胶消光的影响，由该拉曼激光雷达方程式得到待标定气体的浓度分布。

作为拉曼激光雷达标定装置的标定方法的进一步改进，所述的氮气体光谱处的谱线为386nm或607nm。

相对于现有技术的有益效果是，其一，标定装置采用于接收光纤的输出端套装有暗箱，暗箱中接收光纤输出端口的侧面置有发光光谱范围涵盖氮气体和待标定气体的光谱段、输入端与脉冲电源的输出端电连接的发光二极管，以及光纤与发光二极管的光路上置有准直透镜和分束片，分束片的反射光路上置有第一滤光片和第一探测器、透射光路上置有第二滤光片和第二探测器，其中的第一滤光片和第二滤光片分别互为氮气体光谱段的滤光片和待标定气体光谱段的滤光片的结构，既简单、实用，仅需对发光二极管一次定标，就可用于拉曼激光雷达的长期标定，又可于大气参数定量测量的过程中随时对拉曼激光雷达的标定常数进行定标，使用极为方便，还大大地降低了测量的成本，易于对大气中的待测气体进行实时的定量测量，更是具有普适性，可用于对大气中的各种气体进行定量测量时的定标，为拉曼激光雷达的实用化奠定了基础。标定装置中的暗箱屏蔽了外界杂散光的影响，两只滤光片保证了分别仅让氮气体和待标定气体所对应的两个波长的光透过，而滤去了不需要波长的光和背景光，脉冲电源确保了发光二极管发光强度的稳定，使输出的氮气体和待标定气体所对应的两个波长的光的发光强度比值的稳定度大于99％以上，并使对应的定标精度高达百万分之二；其二，标定装置的实现机理为，发光二极管发出包含拉曼激光雷达待探测两种气体所对应的两个波长的光，即发出包含氮气体和待标定气体所对应的两个波长的光，经准直透镜后成为平行光，该平行光经分束片分束成两束光，一束光经第一滤光片后被第一探测器探测，获得一种待测气体所对应的一个波长光的发光强度，另一束光经第二滤光片后被第二探测器探测，获得另一种待测气体所对应的另一个波长光的发光强度。只要这两个波长光的发光强度的比值稳定，再加上两种待探测气体中的一个的发光波长是已知的，即已知是氮气体的发光波长，则就可确定出另一个待探测气体的标定常数。其三，标定方法科学、规范、简便和有效。现以二氧化碳拉曼激光雷达为例，说明其理论依据如下：拉曼激光雷达方程式

$P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)=\frac{P_0\·C_1\·{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\·n_x\left(z\right)}{z^2}{\exp }^{-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}\left(z\right)]\mathrm{dz}}---\left(1\right)$

$P_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)=\frac{P_0\·C_2\·{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\·n_N\left(z\right)}{z^2}{\exp }^{-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}\left(z\right)]\mathrm{dz}}---\left(2\right)$

其中，λ₀、λ_x和λ_N分别为激光发射波长、二氧化碳气体和氮气体拉曼散射波长，

(z)和(z)分别为二氧化碳气体和氮气体拉曼散射回波强度随距离z的分布，P₀为激光发射功率，

和

分别为二氧化碳气体和氮气体分子的拉曼后向散射截面，通常认为是常数，n_x(z)和n_N(z)分别为二氧化碳气体和氮气体的浓度随距离z的分布，

和

代表大气衰减引起的作用。

由方程(1)和(2)可以得到方程(3)，

$\frac{n_x\left(z\right)}{n_N\left(z\right)}=\frac{P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)}{P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)}\·\frac{C_2}{C_1}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_N}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_x}}\·{\exp }^{\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)]\mathrm{dz}}---\left(3\right)$

一般大气中的氮气体浓度在干空气中的混合比分布很稳定，因此，可认为

就是拉曼激光雷达要定量测量的二氧化碳气体相对于氮气体的体积比廓线。

为大气透过率修正项，它的不确定性引起的误差很小。

如果我们明确地知道C₂/C₁，就可以定量地测量二氧化碳气体的浓度，本发明的方法就是以此用来确定C₂/C₁的。

作为有益效果的进一步体现，一是发光二极管发光的光谱范围优选为涵盖氮气体和二氧化碳气体的光谱段，其光谱范围为370～390nm，或者，发光二极管发光的光谱范围优选为涵盖氮气体和气溶胶的光谱段，其光谱范围为350～390nm或530～620nm，或者，发光二极管发光的光谱范围优选为涵盖氮气体和水汽的光谱段，其光谱范围为380～420nm，使标定装置有着明确的针对性，即可对二氧化碳气体、气溶胶和水汽进行精确的定标；二是脉冲电源输出的电压波形优选为矩形，其脉冲宽度优选为250～400us，频率优选为10～30Hz，不仅使发光二极管产生的热量与发散的热量相平衡，确保了发光二极管温度的稳定和发光强度的稳定，同时也减少了发光二极管的单位时间内发光的时间，延长了其使用寿命；三是暗箱的内壁优选为粗糙面，且涂覆有黑色物质，除屏蔽了外界的杂散光之外，还吸收了分束片和滤光片产生的反射和折射光；四是第一探测器和第二探测器分别优选位于暗箱的内壁上，使暗箱的体积最小化了；五是第一滤光片和第一探测器间的反射光路上优选置有第一衰减片，第二滤光片和第二探测器间的透射光路上优选置有第二衰减片，消除了当探测接收到的光的强度太大时，对探测器的损伤；六是氮气体光谱处的谱线优选为386nm或607nm，使定标更为精确。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的标定装置的一种基本结构示意图；

图2是将本发明的标定装置用于二氧化碳拉曼激光雷达时所选用的发光二极管发光的光谱曲线图，图中的横坐标为光谱波长(nm)，纵坐标为发光强度。由该光谱曲线图可知，发光二极管发光的光谱包含有测量二氧化碳时所需的两个波长371.7nm和386.7nm；

图3是使用本发明的标定装置对图2所示的两个波长的光强进行测量后得到的发光强度值比和稳定度的结果图，图中的横坐标均为测量次数，纵坐标图3a为发光强度比值、图3b为发光强度比值误差(％)。其中，图3a为两个波长371nm与386nm的强度比值，图3b为每次测量相对于平均值的误差，由其可知，稳定度达到了99.5％，说明了标定装置完全可用于拉曼二氧化碳激光雷达的定标，对应的定标精度更是达到了百万分之二；

图4是将本发明的标定装置用于二氧化碳拉曼激光雷达中，并结合本发明的标定方法定标后，由该二氧化碳拉曼激光雷达对某地区的大气参数进行定量测量后获得的水平二氧化碳的分布图。

具体实施方式

参见图1，接收光纤13的输出端套装有其内壁为粗糙面、且涂覆有黑色物质的暗箱11，暗箱11中接收光纤13的输出端口的侧面置有发光二极管1。发光二极管1发光的光谱范围为涵盖氮气体和待标定气体的光谱段，待标定气体可为二氧化碳气体或气溶胶或水汽，现选择二氧化碳气体，即发光二极管1发光的光谱范围为涵盖氮气体和二氧化碳气体的光谱段，其光谱范围为370～390nm。发光二极管1的输入端与脉冲电源12的输出端电连接，脉冲电源12输出的电压波形为矩形，其脉冲宽度可为250～400us，频率为10～30Hz，现选择脉冲宽度为300us，频率为20Hz。接收光纤13与发光二极管1的光路上置有准直透镜10，准直透镜10后的光路9上置有分束片5。分束片5的反射光路上依次置有第一滤光片3、第一衰减片4和第一探测器2、透射光路上依次置有第二滤光片7、第二衰减片8和第二探测器6；其中，第一滤光片3和第二滤光片7分别互为氮气体光谱段的滤光片和二氧化碳气体光谱段的滤光片，即，若第一滤光片3为氮气体光谱段的滤光片，则第二滤光片7为二氧化碳气体光谱段的滤光片，若第一滤光片3为二氧化碳气体光谱段的滤光片，则第二滤光片7为氮气体光谱段的滤光片，第一探测器2和第二探测器6分别位于暗箱11的内壁上。

参见图1、图2、图3和图4，拉曼激光雷达标定装置的标定方法的工作流程如下：对标定装置通电后，先分别由第一探测器2和第二探测器6获得二氧化碳气体光谱段的光强P1和氮气体光谱段的光强P2；其中，二氧化碳气体光谱段处的谱线为371.7nm或386.7nm，现选择为371.7nm，二氧化碳气体光谱段的光强P1的强度表达式为P1＝I_λX·C₁，式中的I_λX为发光二极管在二氧化碳气体光谱处的强度、C₁为激光雷达常数，氮气体光谱段处的谱线为386nm或607nm，现选择为386nm，氮气体光谱段的光强P2的强度表达式为P2＝I_λN·C₂，式中的I_λN为发光二极管在氮气体光谱处的强度、C₂为激光雷达常数。再分别将光强P2、P1及其表达式中的I_λN和I_λX代入拉曼激光雷达方程式，得 $\frac{n_x\left(z\right)}{n_N\left(z\right)}=\frac{P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)}{P_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)}\·\frac{P2}{P1}\·\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_x}}{I_{{\mathrm{\λ}}_N}}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_N}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_x}}\·{\exp }^{\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)]\mathrm{dz}},$ 方程式中的η_x(Z)为二氧化碳气体的浓度分布，η_N(Z)为氮气体的浓度分布，P_λX(Z)为二氧化碳气体的回波强度分布，P_λN(Z)为氮气体的回波强度分布，β_λX和β_λN分别为二氧化碳气体和氮气体的拉曼散射截面，其均为常数，

为大气修正项，包括大气分子和气溶胶消光的影响，由该拉曼激光雷达方程式得到二氧化碳气体的浓度分布，由此二氧化碳气体的浓度分布获得了如图4所示的水平二氧化碳的分布。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的拉曼激光雷达标定装置及其标定方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种拉曼激光雷达标定装置，包括拉曼激光雷达的接收光纤(13)，其特征在于：

所述接收光纤(13)的输出端套装有暗箱(11)，所述暗箱(11)中接收光纤(13)的输出端口的侧面置有发光二极管(1)；

所述发光二极管(1)发光的光谱范围为涵盖氮气体和待标定气体的光谱段，其输入端与脉冲电源(12)的输出端电连接；

所述接收光纤(13)与发光二极管(1)的光路上置有准直透镜(10)，所述准直透镜(10)后的光路(9)上置有分束片(5)，所述分束片(5)的反射光路上依次置有第一滤光片(3)和第一探测器(2)、透射光路上依次置有第二滤光片(7)和第二探测器(6)，所述第一滤光片(3)和第二滤光片(7)分别互为氮气体光谱段的滤光片和待标定气体光谱段的滤光片。

2.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是发光二极管(1)发光的光谱范围为涵盖氮气体和二氧化碳气体的光谱段，其光谱范围为370～390nm。

3.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是发光二极管(1)发光的光谱范围为涵盖氮气体和气溶胶的光谱段，其光谱范围为350～390nm或530～620nm。

4.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是发光二极管(1)发光的光谱范围为涵盖氮气体和水汽的光谱段，其光谱范围为380～420nm。

5.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是脉冲电源(12)输出的电压波形为矩形，其脉冲宽度为250～400us，频率为10～30Hz。

6.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是第一探测器(2)和第二探测器(6)分别位于暗箱(11)的内壁上。

7.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是第一滤光片(3)和第一探测器(2)间的反射光路上置有第一衰减片(4)。

8.根据权利要求1所述的拉曼激光雷达标定装置，其特征是第二滤光片(7)和第二探测器(6)间的透射光路上置有第二衰减片(8)。

9.一种权利要求1所述拉曼激光雷达标定装置的标定方法，包括拉曼激光雷达回波光强的测量，其特征在于标定步骤如下：

步骤1，分别由第一探测器(2)和第二探测器(6)获得待标定气体光谱段的光强P1和氮气体光谱段的光强P2，所述待标定气体光谱段的光强P1的强度表达式为P1＝I_λX·C₁，式中的I_λX为发光二极管在待标定气体光谱处的强度、C₁为激光雷达常数，所述氮气体光谱段的光强P2的强度表达式为P2＝I_λN·C₂，式中的I_λN为发光二极管在氮气体光谱处的强度、C₂为激光雷达常数；

步骤2，分别将光强P2、P1及其表达式中的I_λN和I_λX代入拉曼激光雷达方程式，得 $\frac{n_x\left(z\right)}{n_N\left(z\right)}=\frac{P_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)}{P_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)}\·\frac{P2}{P1}\·\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_x}}{I_{{\mathrm{\λ}}_N}}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_N}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_x}}\·{\exp }^{\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_x}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_N}\left(z\right)]\mathrm{dz}},$ 方程式中的η_X(Z)为待标定气体的浓度分布，η_N(Z)为氮气体的浓度分布，P_λX(Z)为待标定气体的回波强度分布，P_λN(Z)为氮气体的回波强度分布，β_λX和β_λN分别为待标定气体和氮气体的拉曼散射截面，其均为常数，为大气修正项，包括大气分子和气溶胶消光的影响，由该拉曼激光雷达方程式得到待标定气体的浓度分布。

10.根据权利要求9所述的拉曼激光雷达标定装置的标定方法，其特征是氮气体光谱处的谱线为386nm或607nm。

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