CN102628946A - 大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-米/瑞利多功能激光雷达测量装置及探测方法，该装置可以用来对影响大气环境和气候的臭氧和二氧化硫进行长期的，较大高度范围内的准确测量，测得的数据具有准确性，可靠性，可以用来对大气环境和气候变化的研究。该装置包括：光路、数据采集单元、主控计算机，所述光路前部依次包括：激光发射器、扩束器、反射镜、接收望远镜和准直镜，光路的后部接收分别为分色镜、半反半透镜。

Description

大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置及探测方法

技术领域：

本发明涉及一种大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置及探测方法，属激光大气探测领域。

背景技术：

大气二氧化硫和臭氧廓线的常规传统的测量方法是无线电探空技术和激光雷达测量。

不足和存在的问题：无线电探空仪探测的精确度和实际地空间位置坐标存在很大的不确定性；太阳光度计测量的是整层大气的臭氧和二氧化硫的含量，不能进行空间分辨测量；而激光雷达测量比探空测量方便准确，但是就用激光雷达对大气臭氧廓线进行测量而言，国内外常规的测量方法是差分吸收激光雷达测量，该方法所需要的激光光源的条件很苛刻，染料寿命很短导致激光光源的能量不稳定，而且不经济；

最主要的问题：采用的波段都是紫外波段，但是在紫外波段臭氧和二氧化硫都存在吸收，这导致臭氧和二氧化硫的探测存在相互的干扰，使测量的结果不够精确。

发明内容：

本发明的目的是提供一种大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置，该装置可以用来对影响大气环境和气候的臭氧和二氧化硫进行长期的，较大高度范围内的准确测量，测得的数据具有准确性，可靠性，可以用来对大气环境和气候变化的研究。

本发明同时提供一种探测方法，该发明方法简单，激光回波能量稳定，测量的结果较常规差分吸收测量结果精确。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置，该装置包括：

光路、数据采集单元、主控计算机，所述光路前部依次包括：激光发射器、扩束器、反射镜、接收望远镜和准直镜，光路的后部接收分别为分色镜、半反半透镜(532nm/266nm)和全反镜(532nm/266nm)；

所述分色镜的分光送入光电探测器A，半反半透(532nm/266nm)镜的反射光送入光电探测器B，全反镜(532nm/266nm)的反射光送入光电探测器C，光电探测器A、B经数据采集单元与主控制计算机相连，光电探测器C经A/D转数据换采集单元与主控计算机相连，所述光电探测器A、B均设有门控单元，各门控单元分别与主控计算机相连。

激光发射器采用Nd:YAG激光器；光电控制器A、B、C采用光电倍增管，门控单为光电倍增管门控电路；所述数据采集单元为光子计数卡和A/D转换数据采集卡。

一种探测方法，包括以下步骤：

Nd:YAG激光器的二倍频532nm和四倍频266nm光经过扩束镜扩束后，再经过反射镜垂直反射进入大气，激光在大气中发生瑞利、拉曼和米散射，散射光被望远镜接受，聚焦在望远镜的焦点上，再经过准直镜准直后被分色镜、半反半透(532nm/266nm)镜和全反镜(532nm/266nm)，分别进入拉曼和瑞利/米通道，

散射光中的氮拉曼光607nm被第一分色镜分出进入拉曼通道，由光电探测器A探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得拉曼散射回波信号强度P(z)；

散射光中的532nm光(遮挡住266nm光源)经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得高空瑞利散射(532nm)回波信号强度Q(z)；

散射光中的532nm光(挡住266nm光源)经半反半透镜透射光镜全反镜反射进入米通道，由光电探测器C探测后经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得低空米散射(532nm)回波信号强度Q(z)；

将拉曼通道607nm的拉曼散射回波信号P(z)和瑞利/米通道532nm的散射回波信号Q(z)代入伯努利方程组：

$y=\frac{d\left(\ln \frac{k}{{p\left(z\right)z}^2}\right)}{\mathrm{dz}}-0.0001-1.85x---\left(1\right)$

${Q\left(z\right)z}^2=k_1\mathrm{xexp}[-2{\∫}_{z_0}^z(x+3y)\mathrm{dz}]---\left(2\right)$

其中P(z)为拉曼回波信号强度，Q(z)为瑞利/米回波信号强度，x为气溶胶消光系数，y为臭氧浓度，k与k₁为常数，z为激光传输的高度；

利用方程组(1)，(2)，解方程组得到大气臭氧的含量随高度变化的分布廓线。

上述探测方法，还包括以下步骤：

散射光中的266nm(遮挡住532nm光源)光经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测，经数据采集单元送入主控计算机，测得瑞利散射(266nm)回波信号强度Q(z)；

散射光中的266nm(遮挡住532nm光源)光经半反半透镜透射后，由全反镜反射进入米通道，由光电探测器C探测，经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得米散射(266nm)回波信号强度Q(z)

从以上两回波信号中反演总吸收引起的总消光；

从总消光中扣除纯净大气臭氧吸收引起的消光，得到二氧化硫吸收引起的消光，再根据二氧化硫在266nm处的吸收截面，得到准确二氧化硫的含量随高度的分布廓线。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、现有的大气二氧化硫和臭氧廓线的差分吸收激光雷达的常规观测，存在二氧化硫和臭氧相互影响，测量结果的准确度有待于提高。

2、现有的差分吸收激光雷达的染料激光输出本身存在寿命很短的问题，导致激光的输出能量的不稳定和实验的非连续。

3、本发明对大气二氧化硫和臭氧廓线实行同时观测，通过拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量大气臭氧的浓度廓线，使用的波段不存在二氧化硫的干扰，因而能准确高精度测量臭氧的含量；用Nd:YAG二倍频(532nm)，不存在二氧化硫的吸收，能在不存在二氧化硫干扰的情况下准确测量大气臭氧廓线；同时用Nd:YAG四倍频激光测量二氧化硫，从四倍频回波信号的总吸收引起的消光中扣除准确的大气臭氧导致的消光，即可测得准确的二氧化硫含量。解决在测量二氧化硫和臭氧的过程中，二氧化硫和臭氧相互干扰的问题，得到准确的二氧化硫和臭氧廓线。

4、本发明可以用来对影响大气环境和气候的臭氧和二氧化硫进行长期的，较大高度范围内的准确测量，测得的数据具有准确性，可靠性，可以用来对大气环境和气候变化的研究。

5、本发明所测数据的稳定性远远超过常规差分吸收激光雷达的数据，因而数据的可信度准确度大大提高；测量的高度也较常规差分吸收激光雷达的测量范围大大增加；试验条件比差分吸收简单，稳定，经济。能方便实用于大气臭氧和二氧化硫廓线的测量。

附图说明：

图1为本发明拉曼-瑞利-米激光雷达测量大气二氧化硫和臭氧廓线探测方法的主要说明部分。

图2为大气二氧化硫和臭氧廓线测量装置的结构示意图。

图2中：a-接收望远镜；b-小孔光阑；c-会聚透镜；d-分色镜；e-半反半透镜(532nm/266nm)；f-全反镜；m代表二倍频；n代表四倍频；I代表拉曼通道；II代表瑞利通道；III代表米通道。

具体实施方式：

本发明用ND:YAG激光器的二次谐波(二倍频)和四次谐波(四倍频)激光输出到大气中，在二次谐波的后向散射信号(遮挡住266nm光源)和氮拉曼散射回波信号中考虑大气臭氧的吸收引起的消光；由二次谐波的后向散射雷达方程和氮拉曼回波的拉曼散射雷达方程组成方程组，得到含有臭氧消光的伯努利方程，该方程中不存在二氧化硫的吸收引起的消光，解该伯努利方程得到大气臭氧的廓线；最后从四次谐波回波信号(遮挡住532nm光源)的总吸收消光中扣除纯净大气臭氧吸收引起的消光，从而得到准确二氧化硫的含量。

本发明的大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-米/瑞利多功能激光雷达测量装置包括：

光路、数据采集单元、主控计算机，所述光路前部依次包括：激光发射器、扩束器、反射镜、接收望远镜和准直镜，光路的后部接收分别为分色镜、半反半透(532nm/266nm)镜和全反镜(532nm/266nm)；

所述分色镜的分光送入光电探测器A，半反半透镜(532nm/266nm)反射光送入光电探测器B，半反半透镜透射光经过全反镜(532nm/266nm)反射光送入光电探测器C，光电探测器A、B经光子计数数据采集单元与主控制计算机相连，光电探测器C经A/D转换数据采集单元与主控制计算机相连，所述光电探测器A、B均设有门控单元，各门控单元分别与主控计算机相连。激光发射器的电源控制端与主控计算机相连。

探测时，Nd:YAG激光器的二倍频532nm和四倍频266nm光经过扩束镜扩束后，再经过反射镜垂直反射进入大气，激光在大气中发生瑞利、拉曼和米散射，散射光被望远镜接受，聚焦在望远镜的焦点上，再经过准直镜准直后经分色镜、半反半透(532nm/266nm)镜和全反镜(532nm/266nm)，分别进入拉曼、瑞利/米三个通道。

第一步：散射光中的氮拉曼光607nm被分色镜分出进入拉曼通道，由光电探测器A探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得拉曼散射回波信号强度P(z)；

散射光中的532nm光(遮挡住266nm光源)经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得高空瑞利散射回波信号强度Q(z)；

散射光中的532nm光(遮挡住266nm光源)经半反半透镜透射再由全反镜反射后进入米通道，由光电探测器C探测后经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得低空米散射回波信号强度Q(z)；

即用532nm作光源(遮挡住(266nm光源)的拉曼-米/瑞利激光雷达测量大气臭氧：在拉曼和瑞利/米信号中考虑大气臭氧的吸收，把拉曼和瑞利/米通道测得的回波信号P(z)和Q(z)代入伯努利微分方程组，解方程组得到大气臭氧含量随高度的空间分布。其中瑞利/米通道测得的回波信号Q(z)表示：将高空瑞利通道的回波信号Q(z)和低空米通道的回波信号Q(z)分别代入公式(2)，再结合公式(1)，即可测得高空和低空的大气臭氧的廓线。

其中伯努利方程组为：

$y=\frac{d\left(\ln \frac{k}{{p\left(z\right)z}^2}\right)}{\mathrm{dz}}-0.0001-1.85x---\left(1\right)$

${Q\left(z\right)z}^2=k_1\mathrm{xexp}[-2{\∫}_{z_0}^z(x+3y)\mathrm{dz}]---\left(2\right)$

其中，该方法种P(z)为拉曼回波信号强度(可测量)，Q(z)为高空瑞利或低空米通道的回波信号强度(可测量)，x为气溶胶消光系数，y为臭氧浓度(要求的量)，k与k₁为常数，z为激光传输的高度。

第二步：

散射光中的266nm光(遮挡住532nm光源)经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得高空瑞利散射回波信号强度Q(z)；

散射光中的266nm光(遮挡住532nm光源)经半反半透镜透射再由全反镜反射后进入米通道，由光电探测器C探测后经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得低空米散射回波信号强度Q(z)；

即从Nd:YAG四次谐波(266nm)(遮挡住532nm光源)的高空瑞利/低空米通道回波信号Q(z)中，反演总吸收(包括大气臭氧和二氧化硫)引起的总消光；高空瑞利/低空米通道回波信号用Q(z)表示，将高空瑞利通道的回波信号Q(z)和低空米通道的回波信号Q(z)分别代入公式(3)，即可测得高空和低空的二氧化硫的廓线。

考虑大气臭氧和二氧化硫吸收的激光雷达方程，把气溶胶消光系数x代入方程

即可解得大气臭氧和二氧化硫的总消光，该方程中Q(z)为266nm高空瑞利/低空米散射回波信号强度，x为气溶胶消光系数，k₁为常数，z为激光传输的高度，N₀₃为臭氧浓度，(就是前面第一步中得到的y，y表示臭氧浓度)，N_so2为二氧化硫浓度(待测值)。

第三步：从总消光中扣除纯净大气臭氧吸收引起的消光(大气臭氧的消光由臭氧吸收截面和大气臭氧浓度的乘积得到)，便得到二氧化硫吸收引起的消光，再根据二氧化硫在266nm处的吸收截面，就得到准确二氧化硫的含量随高度的分布廓线。大气二氧化硫的吸收截面可查阅得到(Atmospheric Radiation ITheoretical Bass by R.M.Goody，1964，OXFORD AT THE CLARENDON PRESS)。

参考文献：

1.Naohiko Goto，Takashi Fujii，Koshichi Nemoto，Error analysis of SO2measurement by multiwavelength differential absorption lidar，TetsuoFukuchi，Opt.Eng.38(1)141-145(January 1999).

2.“Trace atmospheric SO2 measurement by multi-wavelength curve-fitting and wavelength-optimized dual differential absorption lidar”，Takashi Fujii，Tetsuo Fukuchi，Nianwen Cao，oshichiNemoto，and Nobuo Takeuchi，Applied Optics，2002，43(3)，524-531.

Claims (6)

1.大气二氧化硫和臭氧廓线拉曼-瑞利/米多功能激光雷达测量装置，该装置包括：

光路、数据采集单元、主控计算机，所述光路前部依次包括：激光发射器、扩束器、反射镜、接收望远镜和准直镜，光路的后部接收分别为分色镜、半反半透镜和全反镜；

所述分色镜的分光送入光电探测器A，半反半透镜的反射光送入光电探测器B，全反镜的反射光送入光电探测器C，光电探测器A、B经数据采集单元与主控制计算机相连，光电探测器C经A/D转数据换采集单元与主控计算机相连，所述光电探测器A、B均设有门控单元，各门控单元分别与主控计算机相连。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述激光发射器采用Nd:YAG激光器。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述光电控制器A、B、C采用光电倍增管。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征是：所述门控单为光电倍增管门控电路；所述数据采集单元为光子计数卡。

5.一种探测方法，包括以下步骤：

Nd:YAG激光器的二倍频532nm和四倍频266nm光经过扩束镜扩束后，再经过反射镜垂直反射进入大气，激光在大气中发生瑞利、拉曼和米散射，散射光被望远镜接受，聚焦在望远镜的焦点上，再经过准直镜准直后被分色镜、半反半透镜和全反镜，分别进入拉曼和瑞利/米通道，

散射光中的氮拉曼光607nm被第一分色镜分出进入拉曼通道，由光电探测器A探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得拉曼散射回波信号强度P(z)；

散射光中的532nm光经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测后经数据采集单元送入主控计算机，测得高空瑞利散射回波信号强度Q(z)；

散射光中的532nm光经半反半透镜透射光镜全反镜反射进入米通道，由光电探测器C探测后经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得低空米散射回波信号强度Q(z)；

将拉曼通道607nm的拉曼散射回波信号P(z)和瑞利/米通道532nm的散射回波信号Q(z)代入伯努利方程组：

$y=\frac{d\left(\ln \frac{k}{{p\left(z\right)z}^2}\right)}{\mathrm{dz}}-0.0001-1.85x---\left(1\right)$

${Q\left(z\right)z}^2=k_1\mathrm{xexp}[-2{\∫}_{z_0}^z(x+3y)\mathrm{dz}]---\left(2\right)$

其中P(z)为拉曼回波信号强度，Q(z)为瑞利/米回波信号强度，x为气溶胶消光系数，y为臭氧浓度，k与k₁为常数，z为激光传输的高度；

利用方程组(1)，(2)，解方程组得到大气臭氧的含量随高度变化的分布廓线。

6.根据权利要求5所述探测方法，还包括以下步骤：

散射光中的266nm光经半反半透镜反射后进入瑞利通道，由光电探测器B探测，经数据采集单元送入主控计算机，测得瑞利散射)回波信号强度Q(z)；

散射光中的266nm光经半反半透镜透射后，由全反镜反射进入米通道，由光电探测器C探测，经A/D转换数据采集单元送入主控计算机，测得米散射回波信号强度Q(z)

从以上两回波信号中反演总吸收引起的总消光；

从总消光中扣除纯净大气臭氧吸收引起的消光，得到二氧化硫吸收引起的消光，再根据二氧化硫在266nm处的吸收截面，得到准确二氧化硫的含量随高度的分布廓线。

Images