CN104570003A - 一种探测大气二氧化碳浓度的激光雷达系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测大气二氧化碳的激光雷达系统及方法,激光雷达系统的ON波长激光器不采用常规的主动稳频技术，而是采用被动稳频加频率调制技术，ON激光的回波信号在极短的时间内变化反映的是由于频率调制带来的回波强度变化，我们提取一个周期的最小值来反映该时刻二氧化碳吸收峰处波长的回波信号，回波信号与发射能量监视光电探测器得到的信号进行归一化处理，即可得到准确的ON、OFF波长回波信号强度，通过差分吸收激光雷达方程即可反演出大气二氧化碳浓度。使用该方法可以提高系统的测量精度，并简化系统的复杂度。

Description

一种探测大气二氧化碳浓度的激光雷达系统及方法
技术领域
本发明涉及一种探测大气二氧化碳的激光雷达系统，尤其涉及一种基于差分吸收原理探测二氧化碳空间浓度分布的激光探测系统。
背景技术
自进入工业化社会以来，由于人类活动导致全球气候变暖已经得到了人们的广泛关注，CO2作为一种重要的温室气体，其源汇变化对于研究气候变暖有重要意义。差分吸收激光雷达作为监测大气CO2变化的一种有效的手段，得到了广泛关注。目前的差分吸收激光雷达一般需要两束频率不同的激光，其中一束激光波长处于二氧化碳的非吸收波长(OFF波长)，另外一束处在二氧化碳的吸收峰波长(ON波长)。通常情况下，处于吸收峰内的激光波长需要进行主动稳频，主动稳频需要比较复杂的仪器设备，另外由于频率参考单元(一般为低气压的二氧化碳)与大气中真实环境中的二氧化碳吸收峰波长会有一定差异，又会对测量结果带来一定的误差。
发明内容
本发明提出一种测量大气二氧化碳浓度的连续波差分吸收激光雷达系统及方法，解决了常规差分吸收激光雷达系统复杂，测量精度不高的问题。
本发明所述的激光雷达系统如附图1所示，包括ON波长激光器2，OFF波长激光器5，ON波长激光控制器1，OFF波长激光控制器4，第一电光调制器3，第二电光调制器6，第一光纤耦合器7，第二光纤耦合器9，光放大器8，发射光学单元10，接收光学单元12，第一光电探测器11，第二光电探测器13，AD采集卡14，用作数据处理的PC机单元15。
激光控制器1控制ON波长激光器2，ON波长激光器2输出激光经过电光调制器3进行正弦波强度调制。激光控制器4控制OFF波长激光器5，OFF波长激光器5输出激光经过电光调制器6进行正弦波强度调制。电光调制器3与电光调制器6的输出激光经过光束耦合器7耦合输出至光放大器8，光放大器的输出连接光纤耦合器9，耦合器分一小部分光进入光电探测器11进行发射能量监视，其余部分进入发射光学系统10射入大气中。接收光学系统12接收硬目标回波，回波激光经过光电探测器13，其与光电探测器11的输出信号输入AD采集卡14进行AD转换，得到的数字信号传输至PC机15进行数据处理。
系统测量原理如下：激光控制器1控制ON波长激光器2，使ON波长激光器2的波长被调制，调制范围应该覆盖二氧化碳吸收峰，调制的中心频率由内部的被动稳频单元，即恒流恒温控制器控制。电光调制器3和电光调制器6为强度调制器，它们的调制频率应该不同，便于在信号处理时在频域把ON和OFF激光的回波强度分开。ON波长激光器2的回波信号在短时间内有一个规律的抖动，该抖动是由于我们对ON波长激光器的波长进行调制的结果，一个周期内的最小值即为准确的二氧化碳吸收峰波长的回波信号。根据ON和OFF波长激光器的发射能量信号和接收能量信号，再根据差分吸收激光雷达方程，就能反演出大气二氧化碳的浓度。
所述ON波长激光器2和OFF波长激光器5为波长可调谐激光器，采用外腔可调谐激光器(ECDL)，或分布式反馈激光器(DFB)，其波长可以在二氧化碳吸收峰波长附近调谐，本专利所述吸收峰波长为1572nm波段。
所述ON波长激光控制器1和OFF波长激光控制器4包括恒流控制器和恒温控制器,恒温控制器精度优于千分之一度，恒流源温度系数小于100ppm/℃。
所述第一电光调制器3，第二电光调制器6为基于马赫曾得(Mach-Zehnder)干涉原理的激光强度调制器。
所述第一光纤耦合器耦7，第二光纤耦合器耦9为1×2光纤耦合器，工作频率覆盖激光器波长。
所述光放大器8可放大本专利所提及激光器工作波长，其出射功率满足测量要求。
所述激光发射单元10为扩束镜，可以将出射的激光发散角压缩。
所述接收光学单元12为接收望远镜，为反射式牛顿或者卡塞格林望远镜。
所述第一光电探测器11，二光电探测器13采用InGaAs单元探测器。
本发明的有益效果在于:
1、不需要对ON波长激光器进行精确的频率控制，从而减少由于稳频需要带来的一系列设备；
2、对ON波长激光器进行波长扫描，使其能够覆盖大气二氧化碳的吸收峰，回波的最小值即为ON波长的回波功率，该方法相比于传统方法可以更加精确的得到大气二氧化碳吸收峰处的激光回波功率，减小系统误差。
附图说明
图1为本系统实施例系统结构图，图中：1-ON波长激光控制器，2-ON波长激光器，3-第一电光调制器，4-OFF波长激光控制器，5-OFF波长激光器，6-第二电光调制器，7-第一光纤耦合器，8-光放大器，9-第二光纤耦合器，10-发射光学单元，11-第一光电探测器，12-接收光学单元，13-第二光电探测器，14-AD采集卡，15-PC机单元。
具体实施方式
根据发明内容所述方法，我们设计了一套探测大气二氧化碳的激光雷达系统，其中ON波长激光器2和OFF波长激光器5为EM4公司生产的DFB激光器，其波长覆盖1572nm，输出功率大于60mW；ON波长激光控制器1和OFF波长激光控制器4为自己研制，其温度稳定性由于千分之一度，恒流源稳定性由于100ppm/℃，并且可以进行电流调制，从而实现对激光器的波长调制；第一电光调制器3，第二电光调制器6为Thorlabs公司生产的10GHz激光强度调制器LN63S；第一光纤耦合器7，第二光纤耦合器9为普通的单模保偏光纤耦合器；光放大器8为IPG公司生产的针对1572nm波长进行放大的激光放大器，其最大输出功率为5W，由于光放大器自带输出准直镜，因此我们没有再添加其他发射光学单元；第一光电探测器11，第二光电探测器13为自行研制的光电探测器，具有100MV/W的光电转换能力；AD采集卡为自行研制的采样率为50Msps，分辨率为14bit的采集卡；PC机为普通的电脑。

Claims (4)

1.一种探测大气二氧化碳浓度的激光雷达系统，它包括ON波长激光器(2)，OFF波长激光器(5)，ON波长激光控制器(1)，OFF波长激光控制器(4)，第一电光调制器(3)，第二电光调制器(6)，第一光纤耦合器(7)，第二光纤耦合器(9)，光放大器(8)，发射光学单元(10)，接收光学单元(12)，第一光电探测器(11)，第二光电探测器(13)，AD采集卡(14)，用作数据处理的PC机单元(15),其特征在于：
ON波长激光控制器(1)控制ON波长激光器(2)，ON波长激光器(2)输出激光经过第一电光调制器(3)进行正弦波强度调制；OFF波长激光控制器(4)控制OFF波长激光器(5)，OFF波长激光器(5)输出激光经过第二电光调制器(6)进行正弦波强度调制；第一电光调制器(3)与第二电光调制器(6)输出的激光经过第一光纤耦合器(7)耦合输出至光放大器(8)，光放大器(8)输出的激光连接第二光纤耦合器(9)，第二光纤耦合器(9)分一小部分光进入第一光电探测器(11)进行发射能量监视，其余部分进入发射望远镜(10)射入大气中；接收望远镜(12)接收硬目标回波，回波激光经过第二光电探测器(13)，其与第一光电探测器(11)的输出信号输入AD采集卡(14)进行AD转换，得到的数字信号传输至PC机单元(15)进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种探测大气二氧化碳浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的ON波长激光器(2)和OFF波长激光器(5)采用波长可调谐的外腔可调谐激光器或分布式反馈激光器，它们的波长在二氧化碳吸收峰峰尖波长1572nm波段附近可调谐。
3.根据权利要求1所述的一种探测大气二氧化碳浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的ON波长激光控制器(1)和OFF波长激光控制器(4)包括恒流控制器和恒温控制器,恒温控制器精度优于千分之一度，恒流源温度系数小于100ppm/℃。
4.一种基于权利要求1所述探测大气二氧化碳浓度的测量方法，其特征在于方法如下：ON波长激光控制器(1)控制ON波长激光器(2)，使ON波长激光器(2)的波长被调制，调制范围应该覆盖二氧化碳吸收峰，调制的中心频率由内部的被动稳频单元，即恒流恒温控制器控制；第一电光调制器(3)和第二电光调制器(6)为强度调制器，为便于在信号处理时在频域把ON和OFF激光的回波强度分开，它们的调制频率不同；ON波长激光器(2)的回波信号在短时间内有一个规律的抖动，该抖动是由于我们对ON波长激光器的波长进行调制的结果，一个周期内的最小值即为准确的二氧化碳吸收峰波长的回波信号，根据ON和OFF波长激光器的发射能量信号和接收能量信号，以及差分吸收激光雷达方程反演出大气二氧化碳的浓度。
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