CN102628947B - 大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达测量装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达测量装置及探测方法，该装置包括：光路、数据采集单元、主控计算机，所述光路的前部依次包括：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片和半反半透镜；所述分色片的分光送入光电探测器A，半反半透镜的反射分光送入光电探测器B，半反半透镜的透射分光送入光电探测器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转换数据采集单元与主控计算机相连，所述光电探测器A、B分别设有控制单元，控制单元分别与主控计算机相连。

Description

大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米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臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达高精度测量装置及探测方法，属激光大气探测领域。

背景技术：

大气臭氧廓线常规传统的测量方法是无线电探空技术和激光雷达测量技术，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。

不足之处：

(1)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；

(2)实验的过程中需要不断的更换染料，实验的连续性得不到很好的保障；

(3)由于激光能量的不稳定，导致测量结果不准确。

(4)由于探测器动态范围的存在，导致有效测量高度范围受到限制。

发明内容：

本发明提供大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达测量装置，该装置测量数据的稳定性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；特别是能测量高空微弱的瑞利和拉曼信号，因而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廓线的测量。

本发明同时提供大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达探测方法，该方法简单，激光回波能量稳定，从一次试验的三通道数据中就可反演出实测大气臭氧随高度的垂直分布；测量的精度比常规差分吸收激光雷达所测结果高。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达测量装置，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和半反半透镜；

所述分色镜的分光送入光电探测器A，半反半透镜的反射分光送入光电探测器B，半反半透镜的透射分光送入光电探测器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转换数据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。光电探测器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。光路的后部接收还包括一全反镜，半反半透镜的透射分光经全反镜反射后送入光电探测器C。

大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤：

Nd:YAG激光器的二倍频532nmn光经过扩束镜扩束后，再经过反射镜垂直反射进入大气，激光在大气中发生拉曼、瑞利和米散射，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片和半反半透镜以及全反镜分光，分别进入拉曼和瑞利/米三通道，

散射光中的氮拉曼光607nm首先被分色镜分出进入拉曼通道，由光电探测器A探测后经光子计数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)；

散射光中的瑞利信号532nm经半反半透镜后，反射部分进入瑞利通道，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)；

将拉曼散射回波信号P(z)以及高空瑞利散射回波信号Q(z)代入下列方程组(1)和(2)，其中x为气溶胶消光系数，y为大气臭氧浓度，k和k1为常数，k取1，k1为激光雷达仪器参数，Z为激光传输的高度，对反演的结果影响很小，通过解方程组就可得到y值，即大气臭氧的浓度廓线；

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(可测量)，Q(z)为高空瑞利回波信号强度(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，根据以下测得高空臭氧浓度廓线；

由(2)得到： $\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}=-2{\∫}_{z_0}^z(x+3y)\mathrm{dz}$

$\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}=-2(x+3y)$

代入(1)得 $\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}+6\ln \frac{k}{P\left(z\right)z^2}=0.0006+9.1x$

$\ln \left(Q\left(z\right)z^2\right)+6\frac{\ln k}{z^{2}P\left(z\right)}=\frac{1}{x}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+0.0006+9.1x$

令 $\ln \left(Q\left(z\right)z^2\right)+6\ln \frac{k}{z^{2}P\left(z\right)}-0.0006=R\left(z\right)$

则 $\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}-R\left(z\right)x=-{9.1x}^2$ 满足伯努利方程

所以 $\frac{1}{x}=e^{-{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}[{\∫}_{z_0}^z\left(9.1e^{{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}\right)\mathrm{dz}+0.0001]$

$x=\frac{1}{e^{-{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}[{\∫}_{z_0}^z\left(9.1e^{{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}\right)\mathrm{dz}+0.0001]}.$

大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达探测方法，该方法还包括以下步骤，

半反半透镜的透射光部分(532nm)直接进入米通道，或者经过全反镜全反后进入米通道，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，测得低空米散射回波信号强度Q(z)；

根据方程组：

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

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

其中P(z)为拉曼回波信号强度(可测量)，Q(z)为低空米散射回波信号强度(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，测得低空臭氧浓度廓线。

本发明相比现有技术的有益效果如下：

(1)拉曼-瑞利/米激光雷达相结合的方法测量大气臭氧廓线；从一次实验中同时测得拉曼一瑞利-米激光雷达回波信号，在拉曼-瑞利-米散射中同时考虑大气由于臭氧的吸收引起的消光，从拉曼-瑞利/米回波信号中反演得到准确的大气臭氧廓线。

(2)测量的数据稳定，解决了差分吸收激光染料激光光源的不稳定(染料的寿命短，只有几十分钟就得换染料)，拉曼-瑞利/米激光雷达可以连续测量几十个小时(甚至24小时连续观测)激光能量都很稳定；

(3)拉曼-瑞利散射通道采用光子计数技术能测量高空的微弱信号，测量的高度远远大于常规差分吸收激光雷达测量的范围，差分吸收激光雷达的测量范围一般只是从地面1公里到对流层几公里。

本发明用ND:YAG激光器发出的二次倍频激光(532nm)输出到大气中与大气气溶胶和大气分子和臭氧分子发生散射和吸收；并和大气氮分子发生拉曼散射，拉曼散射的回波信号由于大气气溶胶及大气分子的消光和臭氧的吸收而衰减；在瑞利/米散射和拉曼散射的通道中同时考虑大气臭氧的吸收；在瑞利/米散射激光雷达方程和拉曼散射激光方程中同时考虑由于臭氧的吸收引起的消光，联合考虑臭氧吸收的瑞利/米散射激光雷达方程和拉曼散射激光雷达方程，利用瑞利/米和拉曼散射的回波信号数据测得大气臭氧的含量随高度变化的廓线。

本发明联合瑞利/米和拉曼散射激光雷达方程得到一伯努利方程，再利用瑞利/米散射和拉曼散射的回波信号数据，测得大气臭氧含量随高度的变化值。拉曼通道采用光子计数探测技术，能测量到高空的微弱拉曼回波信号，高空瑞利散射通道也采用光子计数技术，可以设置门控的开门时间测量高空瑞利散射回波信号，把瑞利/米散射和拉曼散射的回波信号扣除背景噪声信号，然后代入由瑞利/米散射和拉曼散射激光雷达方程组成的含有臭氧吸收的伯努利方程，解得大气臭氧含量随高度变化的空间分布值。

(1)在瑞利-米散射和拉曼散射中考虑臭氧的吸收。

(2)联合瑞利-米散射和拉曼散射方程得到含臭氧吸收的伯努利方程。

(3)通过改变门控时间得到高空的瑞利和拉曼散射信号，增加大气臭氧的探测高度。

该技术发明可以应用于大气对流层和平流层的较大范围内的大气臭氧廓线的测量。可以用于大气环境和大气污染的实际监测。

附图说明：

图1为本发明拉曼-瑞利-米激光雷达测量大气臭氧廓线的探测方法示意图主要说明部分。

图2为激光雷达大气臭氧测量装置结构示意图。

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；f-全反镜；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：

如图1所示，Nd:YAG激光器的二次谐波激光输出经过扩束镜扩束，然后经过反射镜反射后，垂直进入大气，后向散射光被望远镜接受，散射光被聚焦在望远镜的焦点处再经过光路耦合到三探测器：一是拉曼散射通道；另一是瑞利通道，该通道采用门控技术，在一定的高度处开始测量，以确保光子计数器不由于能量过饱和而被损坏；第三个是米通道。在瑞利-米散射和拉曼散射的激光雷达方程中，同时考虑由于臭氧的吸收引起的消光，利用瑞利-米、拉曼通道所测数据，联合由瑞利-米和拉曼散射方程组所得到的伯努利微分方程，测得大气臭氧含量随高度变化的廓线。

Nd:YAG激光的二倍频(532nmn)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片和半反半透镜以及全反镜分光分别进入拉曼，瑞利和米三通道，散射光中的氮拉曼光607nm首先被分色片分出进入拉曼通道，该通道为光子技术器，数据采集由门控信号进行控制，数据采集卡和门控信号都由主控计算机控制；散射光中的瑞利信号(532nm)经半反半透镜后，反射部分进入瑞利通道，该通道为光子计数技术，数据采集由门控信号控制；透射光部分(532nm)直接进入米通道，或者经过全反镜全反后进入米通道，该通道是A/D转换技术，数据采集卡由主控计算机控制。

散射光中的氮拉曼光607nm首先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)；

散射光中的瑞利信号532nm经半反半透镜后，反射部分进入瑞利通道，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)；

半反半透镜的透射光部分(532nm)直接进入米通道，或者经过全反镜全反后进入米通道，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，测得低空米散射回波信号强度Q(z)；

把拉曼通道的回波信号P(z)以及瑞利/米通道回波信号Q(z)代入下列方程组(1)和(2)，其中x为气溶胶消光系数，y为大气臭氧浓度，k和k1为常数，k取1，k1为激光雷达仪器参数，对反演的结果影响很小，Z为激光传输的高度。通过解方程组就可得到y值，即大气臭氧的浓度廓线。高空瑞利散射回波信号强度Q(z)和低空米散射回波信号强度Q(z)分别代入以下方程：

解方程组

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

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

其中P(z)为拉曼回波信号强度(可测量)，Q(z)为瑞利/米回波信号强度(可测量)，高空为瑞利回波信号强度，低空为米回波信号强度，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。高空瑞利回波信号和低空米回波信号分别代入公式(2)，再结合公式(1)，可得出包括高空和低空的大气臭氧廓线。

由(2)得到： $\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}=-2{\∫}_{z_0}^z(x+3y)\mathrm{dz}$

$\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}=-2(x+3y)$

代入(1)得 $\ln \frac{Q\left(z\right)z^2}{k_{1}x}+6\ln \frac{k}{P\left(z\right)z^2}=0.0006+9.1x$

$\ln \left(Q\left(z\right)z^2\right)+6\frac{\ln k}{z^{2}P\left(z\right)}=\frac{1}{x}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+0.0006+9.1x$

令 $\ln \left(Q\left(z\right)z^2\right)+6\ln \frac{k}{z^{2}P\left(z\right)}-0.0006=R\left(z\right)$

则 $\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}-R\left(z\right)x=-{9.1x}^2$ 满足伯努利方程

所以 $\frac{1}{x}=e^{-{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}[{\∫}_{z_0}^z\left(9.1e^{{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}\right)\mathrm{dz}+0.0001]$

$x=\frac{1}{e^{-{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}[{\∫}_{z_0}^z\left(9.1e^{{\∫}_{z_0}^{z}R\left(z\right)\mathrm{dz}}\right)\mathrm{dz}+0.0001]}$

参考文献：

Tetsuo Fukuchi，Takashi Fujii，Nianwen Cao，Koshichi Nemoto，and NobuoTakeuchi，Tropospheric O3 measurement by simultaneous differentialabsorption lidar and null profiling and comparison with sonde measurement，Opt.Eng.40(9)1944-1949(September 2001)

Claims (2)

1.大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤：

Nd：YAG激光器的二倍频532nmn光经过扩束镜扩束后，再经过反射镜垂直反射进入大气，激光在大气中发生拉曼、瑞利和米散射，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片和半反半透镜以及全反镜分光，分别进入拉曼和瑞利/米通道；

散射光中的607nm光首先被分色镜分出进入拉曼通道，由光电探测器A探测后经光子计数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                                               

；

散射光中的532nm光经半反半透镜后，反射部分进入瑞利通道，由光电探测器B探测后经光子计数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

；

将拉曼散射回波信号强度以及高空瑞利散射回波信号强度

代入下列方程组（1）和（2），其中x为气溶胶消光系数，y为大气臭氧浓度，k和k1为常数，通过解方程组就可得到y值，即大气臭氧的浓度廓线；

方程组：

其中

为拉曼回波信号强度，

为高空瑞利回波信号强度，

为气溶胶消光系数，

为大气臭氧浓度，

与

为常数，z为激光传输的高度；根据以下测得高空臭氧浓度廓线；

由（2）得到：

代入（1）得

 

 

 

 

。

2.根据权利要求1所述的大气臭氧廓线拉曼-瑞利/米激光雷达探测方法，该方法还包括以下步骤：

上述半反半透镜的透射光部分直接进入米通道，或者经过全反镜全反后进入米通道，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，测得低空米散射回波信号强度

；

根据方程组：

其中

为拉曼回波信号强度，

为低空米散射回波信号强度，

为气溶胶消光系数，

为大气臭氧浓度，

与

为常数，z为激光传输的高度，测得低空臭氧浓度廓线。

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