CN105319191A - 一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，包括激光发射子系统、回波信号接收子系统和信号采集子系统，所述激光发射子系统用于发射高能量脉冲激光束，所述回波信号接收子系统用于接收后向散射信号并把回波光信号转换成电信号，所述的信号采集子系统用于接收上述电信号；本发明解决了现阶段已有的激光雷达系统探测波段窄而少以及已有的激光雷达系统功能单一的问题；另外本发明的激光雷达系统可实现对大气生物气溶胶性质的实时、快速、可靠、非接触式连续监测。

Description

一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统，具体涉及一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统。

背景技术

作为一种先进的主动遥感仪器，激光雷达可实现对大气成分和状态进行连续的精细探测。激光雷达与微波雷达的区别在于，它采用激光作为发射源而后者采用微波。自从1960年世界上第一台激光器问世以来，由于在探测距离、时空分辨率、长期连续监测等方面具有独特技术优势，激光雷达在军用和民用的多个领域均被广泛使用。激光雷达系统主要由激光发射子系统、回波信号接收子系统和数据采集子系统等三部分构成。激光雷达的种类众多，可根据探测平台、工作波长、散射机制以及探测目标等不同来划分。然而，无论哪一种类型激光雷达，其基本工作原理均是，采用脉冲激光器发射出的高功率激光束在大气中传输时被大气成分所散射，其中后向散射信号被回波信号接收子系统接收，进而经过高精度分光后使用探测器转换成电信号，最后利用数据采集子系统采集电信号并传输至电脑。

生物气溶胶（bioaerosols）对环境污染、全球气候变化以及公共卫生安全等方面具有重要的影响，从而引起社会各界和研究学者的不断关注，已成为国内外科学界的重要研究课题。生物气溶胶主要是指悬浮在空气中的生物颗粒，包括细菌、真菌、病毒、孢子、花粉及其副产物，尺寸可从几十纳米到几毫米，其主要来源于土壤、江河湖海以及动植物等生物圈。由此可见，相对于沙尘和海盐气溶胶的来源（沙漠或海洋），生物气溶胶的来源更加多样化（均可来自陆地与海洋），其每年进入大气中的量可达~1000Tg。研究显示，生物气溶胶在大气中的平均数浓度约为1.9cm-3，约占大气颗粒物数浓度的30%；另外，其质量浓度在农村和雨林地区分别占细粒子（小于1μm）和粗粒子（大于1μm）总质量浓度的~30%和~70%；有学者利用飞机观测结果还发现活性细菌约占高空（8~15km）0.25~1μm之间大气总颗粒物浓度的20%。

除具有一般气溶胶的特性以外，生物气溶胶还具有传染性、致敏性等特点，其借助空气介质扩散和传输而具有相当长的生命期，从而引发范围更广的人体急、慢性疾病以及动植物疾病。为此，近年来国内外学者开展了许多生物气溶胶观测研究，这些研究的侧重点和出发点也有所不同，主要包括生物气溶胶的鉴定技术、浓度监测及其人体健康效应等。生物气溶胶的监测技术主要包括离线和在线两种方式，其中离线方式具有低时间分辨率、高成本、分析时效低等特点，而在线方式则具有快速、实时、连续观测等优势。实践证明，在线监测技术比传统离线方法更适用于实时监测生物气溶胶的变化规律。截至目前，各种生物气溶胶的监测手段均已取得许多非常有价值的研究成果，但是能够实时、快速获得生物气溶胶性质的时空分布特征（尤其是其垂直分布）的探测手段依然还很缺乏。此外，由于生物气溶胶具有种类众多、来源丰富、成分复杂等特点，使其探测技术更具有挑战性。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，包括激光发射子系统、回波信号接收子系统和信号采集子系统，所述激光发射子系统用于发射高能量脉冲激光束，所述回波信号接收子系统用于接收后向散射信号并把回波光信号转换成电信号，所述的信号采集子系统用于接收上述电信号。

进一步，所述激光发射子系统用于同时发射355nm紫外与1064nm近红外波长的高能量脉冲激光束。

进一步，所述激光发射子系统包括高功率脉冲激光器、倍频器、三倍频器、激光扩束准直器以及三个高反射带宽反射镜；所述高功率脉冲激光器发射出基频近红外波段激光；所述倍频器使基频近红外波段激光波长变为可见光波段；所述三倍频器把近红外和可见光波段激光转换为紫外激光；所述激光扩束准直器增大激光束光斑尺寸同时减少激光束发散角；所述三个高反射带宽反射镜用于改变激光束路径。

进一步，所述回波信号接收子系统包括天文望远镜、光阑、三个二色镜、三个窄带滤光片、偏振分光晶体、六个凸透镜、两个光电倍增管、雪崩型二极管、二个光栅光谱仪；所述天文望远镜用于接收不同距离的回波信号强度；所述光阑用于设定接收子系统合理的视场角，减少背景信号的影响从而提高信噪比；所述三个二色镜均用于选择不同的波段范围，即反射或透射小于某一特定波段的短波，而透射或反射大于该波段的长波；所述三个窄带滤光片均用于选择所需要的波段信号同时过滤掉该波段以外的回波信号；所述偏振分光晶体用于将回波米散射信号的总信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分；所述六个凸透镜均用于回波光信号的聚焦或准直平行；所述光电倍增管和雪崩型二极管均用于把分光之后的回波光信号转换为电信号；所述光栅光谱仪用于接收微弱的全波段荧光信号并转换成电信号。

进一步，所述信号采集子系统包括Licel瞬态数据采集器、触发源探测器及计算机；所述Licel瞬态数据采集器用于采集从探测器输出来的电信号；所述触发源探测器用于探测激光发射子系统的部分散射激光从而触发信号采集子系统，实现对不同距离回波信号的识别；所有的信号采集用计算机控制与显示，并存储于硬盘。

进一步，所述Licel瞬态数据采集器同时采用模拟信号方式和光子计数方式两种手段采集大动态范围回波信号。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明利用高能量紫外激光束激发大气中生物气溶胶的荧光信号，然后采用64通道光栅光谱仪接收全波段的微弱荧光光谱，解决现阶段已有的激光雷达系统探测波段窄而少的问题。并且同时探测355nm波段偏振散射信号、387nm氮气拉曼信号和407nm水汽拉曼信号，进一步准确获得生物气溶胶的浓度、形状等重要信息，解决现阶段已有的激光雷达系统功能单一的问题。该激光雷达系统可实现对大气生物气溶胶性质的实时、快速、可靠、非接触式连续监测。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的光路原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本实施的光谱仪式激光雷达系统，包括激光发射、回波信号接收和信号采集等三个功能子系统。其中激光发射子系统同时发射紫外和近红外激光束，激光束被大气中生物气溶胶颗粒所散射后，使用回波信号接收子系统接收后向散射信号并进一步处理，经过高性能探测器把回波光信号转换成电信号并传输给信号采集子系统。信号采集子系统对米散射信号同时采用模拟和光子计数两种方式采集并记录、存储；而对于微弱信号如拉曼与荧光信号，采用光子计数方式进行采集并记录、存储。

本实施例的激光发射子系统，包括高功率脉冲激光器、倍频器、三倍频器、扩束准直器以及三个高反射带宽反射镜。高功率脉冲激光器发射出基频近红外波段激光，经过倍频器使得波长变为可见光波段，再利用三倍频器把近红外和可见光波段激光转换为紫外激光。使用激光扩束准直器，不仅能增大激光束光斑尺寸，还可有效减少激光束发散角。三个高反射带宽反射镜用于改变激光束路径，从望远镜光轴向空气中发射，达到激光雷达系统发射与接收同轴的目的。

本实施例的回波信号接收子系统，包括天文望远镜、光阑、三个二色镜、三个窄带滤光片、偏振分光晶体、六个凸透镜、两个光电倍增管、雪崩型二极管、二个光栅光谱仪。天文望远镜，用于接收不同距离的回波信号强度。光阑用于设定接收子系统合理的视场角，减少背景信号的影响从而提高信噪比。三个二色镜，均用于选择不同的波段范围，即反射（或透射）小于某一特定波段的短波，而透射（或反射）大于该波段的长波。三个窄带滤光片，均用于选择所需要的波段信号同时过滤掉该波段以外的回波信号。偏振分光晶体，用于对回波米散射信号的总信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分。六个凸透镜，均用于回波光信号的聚焦或准直平行。光电倍增管和雪崩型二极管均用于把分光之后的回波光信号转换为电信号。光栅光谱仪，用于接收微弱的全波段荧光信号并转换成电信号。

本实施例的信号采集子系统，包括Licel瞬态数据采集器、触发源探测器及计算机。Licel瞬态数据采集器，用于采集从探测器输出来的电信号。为了同时采集近场的强回波信号和远场的弱回波信号，数据采集器同时采用模拟信号方式和光子计数方式两种手段采集大动态范围回波信号。非常微弱的拉曼信号和荧光信号，单独使用光子计数方式采集。触发源探测器，用于探测激光发射子系统的部分散射激光从而触发信号采集子系统，实现对不同距离回波信号的识别。所有的信号采集用计算机控制与显示，并存储于硬盘。

本实施例的激光发射子系统同时发射355nm紫外与1064nm近红外波长的高能量脉冲激光束；激光束与大气中生物气溶胶之间发生物理过程，被散射后，利用回波信号接收子系统的天文望远镜接收回波光信号。回波信号接收子系统对接收到的后向散射激光信号进行精细分光、过滤及探测等处理，同时获得355nm波长的总米散射信号以及垂直和水平偏振2个分量、387nm波长的氮气拉曼散射信号、407nm波长的水汽拉曼散射信号以及谱宽约360nm的64通道全波段荧光光谱信号。回波信号接收子系统将所得到的米散射回波信号转换成电信号，并将该些电信号传输至信号采集子系统，同时采用模拟和光子计数两种方式采集，最后输送至计算机显示与存储；回波信号接收子系统将微弱的拉曼信号和荧光信号传输给信号采集子系统，采用2个32阵列式光电倍增管把光信号转换成电信号，再利用光子计数方式采集，最后输送至计算机显示与存储。

本实施例的雷达系统利用高能量紫外激光束激发大气中生物气溶胶的荧光信号，然后采用64通道光栅光谱仪接收全波段的微弱荧光光谱，解决现阶段已有的激光雷达系统探测波段窄而少的问题。并且同时探测355nm波段偏振散射信号、387nm氮气拉曼信号和407nm水汽拉曼信号，进一步准确获得生物气溶胶的浓度、形状等重要信息，解决现阶段已有的激光雷达系统功能单一的问题。该激光雷达系统可实现对大气生物气溶胶性质的实时、快速、可靠、非接触式连续监测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射子系统、回波信号接收子系统和信号采集子系统，所述激光发射子系统用于发射高能量脉冲激光束，所述回波信号接收子系统用于接收后向散射信号并把回波光信号转换成电信号，所述的信号采集子系统用于接收上述电信号。

2.根据权利要求1所述的一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统用于同时发射355nm紫外与1064nm近红外波长的高能量脉冲激光束。

3.根据权利要求1所述的一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统包括高功率脉冲激光器、倍频器、三倍频器、激光扩束准直器以及三个高反射带宽反射镜；所述高功率脉冲激光器发射出基频近红外波段激光；所述倍频器使基频近红外波段激光波长变为可见光波段；所述三倍频器把近红外和可见光波段激光转换为紫外激光；所述激光扩束准直器增大激光束光斑尺寸同时减少激光束发散角；所述三个高反射带宽反射镜用于改变激光束路径。

4.根据权利要求1所述的一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：所述回波信号接收子系统包括天文望远镜、光阑、三个二色镜、三个窄带滤光片、偏振分光晶体、六个凸透镜、两个光电倍增管、雪崩型二极管、二个光栅光谱仪；所述天文望远镜用于接收不同距离的回波信号强度；所述光阑用于设定接收子系统合理的视场角，减少背景信号的影响从而提高信噪比；所述三个二色镜均用于选择不同的波段范围，即反射或透射小于某一特定波段的短波，而透射或反射大于该波段的长波；所述三个窄带滤光片均用于选择所需要的波段信号同时过滤掉该波段以外的回波信号；所述偏振分光晶体用于将回波米散射信号的总信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分；所述六个凸透镜均用于回波光信号的聚焦或准直平行；所述光电倍增管和雪崩型二极管均用于把分光之后的回波光信号转换为电信号；所述光栅光谱仪用于接收微弱的全波段荧光信号并转换成电信号。

5.根据权利要求1所述的一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：所述信号采集子系统包括Licel瞬态数据采集器、触发源探测器及计算机；所述Licel瞬态数据采集器用于采集从探测器输出来的电信号；所述触发源探测器用于探测激光发射子系统的部分散射激光从而触发信号采集子系统，实现对不同距离回波信号的识别；所有的信号采集用计算机控制与显示，并存储于硬盘。

6.根据权利要求5所述的一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统，其特征在于：所述Licel瞬态数据采集器同时采用模拟信号方式和光子计数方式两种手段采集大动态范围回波信号。