CN105158230A - 基于ccd成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，采用激光发射器交替垂直向上发射两个差分波长的激光光束，侧向散射光在角度α范围内通过成像透镜接收，分别通过滤光器去除大气背景散射光，通过像增强器放大光信号强度后，由CCD成像芯片采集图像信息。本发明方法消除了后向散射式差分吸收激光雷达的测量盲区，提高了大气边界层污染气体的测量精度和可靠性，对于研究大气边界层污染气体具有十分重要的意义和实用性。

Description

基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置

技术领域

本发明涉及大气污染测量方法领域，具体是一种基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置。

背景技术

大气污染气体是大气物理、天气预报以及大气环境研究中一个重要的气象参数。目前比较常用的手段有气球探空、卫星反演和激光雷达探测。激光雷达在探测精度、空间分辨率和时间分辨率上的优势使其越来越受到科学技术人员的重视。目前，人们为了探测大气中污染气体的空间分布廓线，常常采用多波长差分吸收激光雷达的方法。如中国科学院安徽光学精密机械研究所的一项发明专利CN1877308A(授权公告日为2006年12月13日)中叙述的一种“基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置”。该装置采用一台Nd:YAG激光器分时泵浦不同的拉曼管产生不同的受激拉曼波长用来探测污染气体。但是所有的差分吸收激光雷达都存在几何因子的问题。由于差分吸收激光雷达发射的两个光束的光学质量不能完全相同以及和能量分布的不均匀性，导致两个光束的几何因子不一致，进而导致几何因子区数据反演的误差增大或者完全失效。而大气污染的测量近地面层的空间分布状况是最重要的监测范围。因此，激光雷达在近端数据的反演和运用都受到巨大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，以实现激光雷达近端数据的反演和运用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：采用激光发射器、CCD成像系统，所述CCD成像系统包括成像镜头、滤波器、像增强器、CCD成像芯片，利用激光发射器垂直向上向大气发射两束差分波长的激光光束，其中一个激光光束波长对应所测污染气体的强吸收线，另一个激光光束波长对应所测污染气体的弱吸收线，并由大气产生相应的侧向散热光，侧向散热光在在角度α范围内被CCD成像系统中成像镜头接收，再依次通过CCD成像系统中滤光器去除大气背景散射光、像增强器放大光信号强度后，由CCD成像芯片采集图像信息，将CCD成像系统各像素的偏角θ、角宽度dθ和CCD成像系统与激光发射器发射的光束之间的垂直距离D代入CCD成像激光雷达方程之中，CCD成像激光雷达方程为：

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{on}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{on}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ}---\left(1\right),$

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{off}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{off}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ},---\left(2\right),$

由公式(1)、(2)反演计算出大气边界层污染气体的垂直廓线，公式(1)、(2)中，C为激光雷达常数，P₀是发射激光波长的功率，β是侧向散射系数，T_V、T_R分别为激光雷达发射路径和接收路径的透过率。

所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所测量的污染气体有O3，SO2和NO2，其中测量臭氧时，差分吸收波长对为280nm和290nm，测量SO2时，差分吸收波长对为300nm和301.5nm，测量NO2时，差分吸收波长对为446.8nm和448.1nm。

所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：激光发射器发射的两束激光光束可采用分时交替发射；或者采用同时发射，要求发射方向为垂直向上，相互平行，间距大于20mm。

所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所述侧向散射光的测量角度α和测量装置的放置角度满足从激光发射端到无穷远处的激光光束成像，即测量角度α大于90°。

所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所述滤光器的光学透射谱和像增强器的光谱范围包含差分吸收需要的两个波长。

本发明的装置消除了后向散射式差分吸收激光雷达的测量盲区，提高了大气边界层污染气体的测量精度和可靠性，对于研究大气边界层污染气体具有十分重要的意义和实用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为激光光柱的成像示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，采用激光发射器1、CCD成像系统，CCD成像系统包括成像镜头5、滤波器6、像增强器7、CCD成像芯片8，利用激光发射器1垂直向上向大气发射两束差分波长的激光光束2、3，其中一个激光光束波长对应所测污染气体的强吸收线，另一个激光光束波长对应所测污染气体的弱吸收线，并由大气产生相应的侧向散热光，侧向散热光在在角度α范围4内被CCD成像系统中成像镜头5接收，再依次通过CCD成像系统中滤光器6去除大气背景散射光、像增强器7放大光信号强度后，由CCD成像芯片8采集图像信息，将CCD成像系统各像素的偏角θ、角宽度dθ和CCD成像系统与激光发射器1发射的光束之间的垂直距离D代入CCD成像激光雷达方程之中，CCD成像激光雷达方程为：

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{on}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{on}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ}---\left(1\right),$

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{off}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{off}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ},---\left(2\right),$

由公式(1)、(2)反演计算出大气边界层污染气体的垂直廓线，公式(1)、(2)中，C为激光雷达常数，P₀是发射激光波长的功率，β是侧向散射系数，T_V、T_R分别为激光雷达发射路径和接收路径的透过率。

所测量的污染气体有O3，SO2和NO2，其中测量臭氧时，差分吸收波长对为280nm和290nm，测量SO2时，差分吸收波长对为300nm和301.5nm，测量NO2时，差分吸收波长对为446.8nm和448.1nm。

激光发射器1发射的两束激光光束2、3可采用分时交替发射；或者采用同时发射，要求发射方向为垂直向上，相互平行，间距大于20mm。

侧向散射光的测量角度α和测量装置的放置角度满足从激光发射端到无穷远处的激光光束成像，即测量角度α大于90°。

滤光器的光学透射谱和像增强器的光谱范围包含差分吸收需要的两个波长。

具体实施例：

(1)基于CCD成像激光雷达测量大气臭氧气体廓线

激光发射器采用Nd：YAG的四倍频光泵浦高压气体产生受激拉曼光，或者采用OPO激光器的倍频光，来产生臭氧吸收线上的两个波长。如选择289nm和299nm。289nm对应所测污染气体的强吸收线，299nm对应所测污染气体的弱吸收线。采用交替发射的方式。在距离激光发射器一定的距离(一般在50-200m范围内)放置CCD成像系统。CCD成像系统包含鱼眼镜头、滤波器、像增强器和CCD成像芯片。鱼眼镜头成像范围为120°，能够对整个发射光柱进行成像，同时对289nm和299nm有较高的透过率，并能消色差，消除或降低不同波长的成像差异性。滤光器要就能够透射289nm和299nm，并且对带外背景有较高的抑制比。像增强器应在289nm和299nm波段有较好的增益系数。激光光束成像在像增强器上，激光光束成像被像增强器放大后用CCD成像芯片采集保存，最后传输到计算机中处理。

(2)基于CCD成像激光雷达测量大气二氧化硫气体廓线

激光光源采用OPO激光器的倍频光，来产生二氧化硫吸收线上的两个波长，选择300nm和301.5nm。方案与上述方案相同，器件参数与300nm和301.5nm波段匹配。

(3)基于CCD成像激光雷达测量大气二氧化氮气体廓线

激光发射器采用OPO激光器的基频光，来产生二氧化氮吸收线上的两个波长，选择448nm和446.8nm。方案与上述方案相同，器件参数与448nm和446.8nm波段匹配。

(4)激光光柱的标定方案

如图2所示，CCD成像系统13沿光轴方向11倾斜一定角度对激光光柱AOB12进行成像测量，在像面14上成像A′O′B′。成像面的每个像素与光柱的一段对应。由于像素大小差异、成像畸变和成像结构的差异，需要对像素与光柱进行空间标定。标定时按照图2，用标准的条纹尺代替激光光柱，放置在距离成像系统近处，能够覆盖成像范围，激光光柱与成像系统的距离为D，条纹尺与成像系统的距离为D′。这样计算出每个像素点对应的成像角度和成像范围，然后通过几何计算出每个像素与光柱空间的对应关系。

显然，本领域的的技术人员可以通过对本发明所涉及基于CCD成像激光雷达测量大气污染气体廓线的装置各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，如果这些修改和变动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修改和变型在内。

Claims (5)

1.基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：采用激光发射器、CCD成像系统，所述CCD成像系统包括成像镜头、滤波器、像增强器、CCD成像芯片，利用激光发射器垂直向上向大气发射两束差分波长的激光光束，其中一个激光光束波长对应所测污染气体的强吸收线，另一个激光光束波长对应所测污染气体的弱吸收线，并由大气产生相应的侧向散热光，侧向散热光在在角度α范围内被CCD成像系统中成像镜头接收，再依次通过CCD成像系统中滤光器去除大气背景散射光、像增强器放大光信号强度后，由CCD成像芯片采集图像信息，将CCD成像系统各像素的偏角θ、角宽度dθ和CCD成像系统与激光发射器发射的光束之间的垂直距离D代入CCD成像激光雷达方程之中，CCD成像激光雷达方程为：

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{on}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{on}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{on})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ}---\left(1\right),$

$P(z,\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})=\frac{C_{{\mathrm{\λ}}_{off}}{P}_0\left({\mathrm{\λ}}_{off}\right)}{D}\mathrm{\β}(\mathrm{\θ},{\mathrm{\λ}}_{off})T_V{T}_{R}d\mathrm{\θ},---\left(2\right),$

由公式(1)、(2)反演计算出大气边界层污染气体的垂直廓线，公式(1)、(2)中，C为激光雷达常数，P₀是发射激光波长的功率，β是侧向散射系数，T_V、T_R分别为激光雷达发射路径和接收路径的透过率。

2.根据权利要求1所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所测量的污染气体有O3，SO2和NO2，其中测量臭氧时，差分吸收波长对为280nm和290nm，测量SO2时，差分吸收波长对为300nm和301.5nm，测量NO2时，差分吸收波长对为446.8nm和448.1nm。

3.根据权利要求1所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：激光发射器发射的两束激光光束可采用分时交替发射；或者采用同时发射，要求发射方向为垂直向上，相互平行，间距大于20mm。

4.根据权利要求1所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所述侧向散射光的测量角度α和测量装置的放置角度满足从激光发射端到无穷远处的激光光束成像，即测量角度α大于90°。

5.根据权利要求1所述的基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，其特征在于：所述滤光器的光学透射谱和像增强器的光谱范围包含差分吸收需要的两个波长。