CN105510274B - 机载激光大气co2柱浓度主动遥测系统 - Google Patents

机载激光大气co2柱浓度主动遥测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统。该机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统采用机载系统，探测范围广；采用的是主动探测方法，不受太阳光的影响，可以实现全天时观测，大大提升了系统的适用范围，此外，其采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用分布反馈式(DFB)激光器的窄线宽和波长可调谐等特性，实现CO2气体分子的单根吸收谱线“指纹区”的扫描和测量，具有灵敏度高、选择性好、抗其他气体干扰能力强等优点，可实时在线快速遥测CO2柱浓度，具有较好的推广应用价值。

Description

机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统
技术领域
本发明涉及大气光学遥感监测技术领域，尤其涉及一种用于大气CO2柱浓度遥测的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统。
背景技术
温室气体浓度持续增长已导致气候变暖等一系列全球及区域性问题，二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、氢氟碳化物、全氟碳化物等都被列入《京都议定书》减排清单，而CO2对增强温室效应的贡献率最大，约占50～60％。CO2作为一种重要的温室气体，其源和汇及它们的时空分布对预测未来大气CO2水平及相应的全球气候变化有重要意义。大气CO2浓度高分辨率垂直分布数据及其变化特征，对污染物扩散规律与输运路径、卫星对地遥感以及空间技术等国家安全战略高技术发展研究具有十分重要的价值。目前对大气CO2的源汇分布及其时空变化的理解还存在重大的不确定性，研究CO2的源与汇以及碳浓度的变化趋势要求高的探测精度，我国在此类探测仪器与装备的核心技术(包括观测方法和算法)研究方面与世界发达国家相比还存在很大差距。
目前可用于CO2气体遥测的方法主要有：激光雷达(LIDAR)、傅里叶光谱仪(FTS)、基于卫星平台的红外辐射探测仪、红外大气垂直探测干涉仪和扫描成像吸收光谱仪等。激光雷达属于主动探测方法，基于分子散射原理，探测距离有限，探测精度较低。傅里叶光谱仪、红外辐射探测仪、红外大气垂直探测干涉仪等属于被动探测方法，依赖太阳光，不能全天时观测。因此，业内亟需一种简单、轻便、成本相对较低且测量精度高的遥测设备，对CO2区域分布开展机载飞行测量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种实用性强、非接触式、可全天时观测的用于大气CO2柱浓度遥测的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，该机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统采用飞行器承载而进行对流层大气CO2柱浓度激光主动遥测，包括：信号发生器，其输出锯齿波信号和同步触发信号；激光源模块，其后端连接至信号发生器，其提供一束激光，该激光由锯齿波信号进行调谐，其波长能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线；光纤分束器，位于激光源模块的光路后端，其将由激光源模块提供的激光分束为四路，其中的第一路返回至激光源模块以调节激光的中心波长；激光收发单元，位于光纤分束器在第二方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第二路激光对地面发射，其获取相应与该第二路激光的回波信号，该回波信号包含激光收发单元与地面之间空气中CO2气体对激光的吸收光谱信息；时频转换模块，位于光纤分束器在第三方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第三路激光进行时频转换，得到干涉信号；功率监测模块，位于光纤分束器在第四个方向的光路后端，其监测由光纤分束器分束获取的第四路激光的强度变化，获取光强参考信号，该光强参考信号作为无CO2吸收的参考信号；数据采集模块，连接至信号发生器、激光收发单元、时频转换模块和功率监测模块，其在信号发生器发出的同步触发信号的触发下收集：由激光收发单元获取的回波信号；由时频转换模块获取的干涉信号；由功率监测模块获取的光强参考信号；GPS 定位模块，连接至信号发生器，其在信号发生器发出的同步触发信号的触发下获取飞行器的实时位置信息；以及上位机，连接至数据采集模块和 GPS定位模块，其结合回波信号、干涉信号、光强参考信号进行反演计算，得到对流层大气CO2柱浓度信息，结合实时位置信息，获取对流层大气 CO2柱浓度的区域分布。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，信号发生器、激光源模块、光纤分束器、时频转换模块、功率监测模块、数据采集模块和GPS定位模块被集成至系统主机中，外侧设置防震机箱；激光收发单元独立于系统主机和上位机设置，并通过光纤接口与系统主机光路连通，通过BNC接口与系统主机进行通信；上位机分别与系统主机内的数据采集模块和GPS定位模块进行通信。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光源模块包括：电流控制器、DFB激光器和光纤放大器，其中：电流控制器，其后端连接至信号发生器，其前端连接至DFB激光器，其中，该电流控制器利用信号发生器输出的锯齿波信号作为其调制信号，将DFB激光器的波长调谐到能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线的位置；DFB激光器，其利用该电流控制器输出的电流产生种子激光；
光纤放大器，其后端通过光纤连接至DFB激光器，其前端通过光纤连接至光纤分束器，该光纤放大器将DFB激光器产生的种子激光放大至预设功率，并将该激光输出至光纤分束器。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光源模块还包括：锁频模块、温度控制器，其中：锁频模块，位于光纤分束器在第一方向的光路后端，其检测由光纤分束器分束获取的第一路激光的中心波长；温度控制器，其后端连接至锁频模块，其前端连接至DFB激光器，该温度控制器通过调节DFB激光器的温度而使其输出激光的中心波长稳定在CO2气体的吸收谱线的中心位置。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光源模块中，温度控制器和电流控制器分立设置或一体化设置。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光源模块输出激光的波长介于1572nm～1573nm之间；其功率大于5W。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光收发单元包括：镜筒35光纤接口34、聚焦透镜24、光纤准直器25、光电探测器28、BNC接口33；其中，光纤准直器25通过光纤接口34将来自激光源模块的激光准直后对地发射；聚焦透镜24接收地面漫反射回来的激光并聚焦到光电探测器28上；光电探测器28将探测到的激光回波信号转成电信号，通过BNC接口33上传给数据采集模块10；聚焦透镜24、光纤准直器25、光电探测器28均被设置于镜筒35内，光纤接口34和BNC接口33设置于镜筒35的壳壁上。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，激光收发单元还包括：防护玻璃23、窄带滤光片27、温度传感器30、湿度传感器31，其中：镜筒35内壁做发黑处理，以减少杂光干扰；防护玻璃23保护聚焦透镜24；窄带滤光片27紧贴光电探测器28安装，其滤除太阳反射光的干扰；温度传感器30和湿度传感器31设置于镜筒内，两者将探测到的温度和湿度信号通过BNC接口33上传给数据采集模块。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，时频转换模块包括：干涉计和探测器；该时频转换模块中，干涉计的后端通过光纤连接至光纤分束器，探测器通过光纤连接至干涉计的前端；其中，由干涉计将第三路激光的锯齿波光信号转换为强弱分布的干涉光信号，由探测器将该干涉光信号转换为电信号，即干涉信号。
优选地，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中，飞行器为飞机、飞艇或无人机。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统具有以下有益效果：
(1)采用机载系统，探测范围广，并且采用的是主动探测方法，不受太阳光的影响，可以实现全天时观测，大大提升了系统的适用范围；
(2)采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用分布反馈式(DFB)激光器的窄线宽和波长可调谐等特性，实现CO2气体分子的单根吸收谱线“指纹区”的扫描和测量，具有灵敏度高、选择性好、抗其他气体干扰能力强等优点，可实时在线快速遥测CO2柱浓度；
(3)采用TDLAS技术，不需要单色仪、光谱仪等高精度分光仪器，整套系统的体积小，鲁棒性好，对环境适应能力强；摆脱了对高精度仪器的依赖，大大降低了成本。
附图说明
图1为根据本发明实施例机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统的结构示意图；
图2为图1所示机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统中激光收发单元结构示意图。
【主要元件】
1-信号发生器； 2-电流控制器； 3-温度控制器；
4-DFB激光器； 5-锁频模块； 6-光纤放大器；
7-光纤分束器； 8-时频转换模块； 9-功率监测模块；
10-数据采集模块； 11-GPS定位模块； 12-直流电源；
13-光纤接口； 14-BNC接口； 15-直流电源接口；
16-交流电源接口； 17-电源开关； 18,19-USB接口；
20-防震机箱； 21-上位机； 22-激光收发单元；
23-防护玻璃； 24-聚焦透镜 25-光纤准直器；
26-支撑固定杆； 27-窄带滤光片； 28-光电探测器；
29-支撑固定杆； 30-温度传感器； 31-湿度传感器；
32-直流电源接口； 33-BNC接口； 34-光纤接口；
35-镜筒。
具体实施方式
本发明提供了一种用于大气CO2柱浓度遥测的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其可以实现对大气CO2柱浓度的全天时观测。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其采用飞行器承载。请参照图1，本实施例机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统被加载于飞机、飞艇或无人机上，包括：信号发生器1、激光源模块、光纤分束器7、激光收发单元、时频转换模块8、功率监测模块9、GPS定位模块11、数据采集模块10、上位机21和直流电源12等。其中，信号发生器1、激光源模块、光纤分束器7、、时频转换模块8、功率监测模块9、GPS定位模块11、数据采集模块10和直流电源被集成至系统主机中，外侧设置防震机箱20。激光收发单元22独立于系统主机和上位机设置，并通过光纤接口13与系统主机光路连通，通过BNC接口14与系统主机进行通信。上位机通过USB接口-18、19分别与系统主机内的数据采集模块和GPS定位模块进行通信。
以下对本实施例机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统的各个组成部分进行详细说明。
请参照图1，信号发生器1输出锯齿波信号和同步触发信号。其中，锯齿波信号提供至激光源模块对激光波长进行调谐。同步触发信号提供给数据收集模块和GPS定位模块。
激光源模块提供一束激光，该激光的波长能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线。请参照图1，该激光源模块包括：电流控制器2、温度控制器3、 DFB激光器4、锁频模块5和光纤放大器6。
在激光源模块中，请继续参照图1，电流控制器2的后端连接至信号发生器1，前端连接至DFB激光器4，其驱动DFB激光器4工作，利用信号发生器1输出的锯齿波信号对激光器输出的激光波长进行调谐，使激光器输出波长介于1572nm至1573nm之间，从而能够扫描CO2气体位于 1572nm附近的一条吸收跃迁谱线。本实施例采用位于1572.3nm的吸收跃迁谱线。此外，区别与现有技术中其他扫描方向，激光源模块输出激光的功率必须足够高，以确保激光回波信号可被探测到。一般情况下，需要大于5W。
DFB激光器4的前端通过光纤放大器6连接至光纤分束器7，DFB激光器输出的种子激光经过光纤放大器6放大到预设功率，被输出至光纤分束器7。光纤分束器7将激光分为四路。
光纤分束器7位于光纤放大器6的光路后端，其将由光纤放大器6输出的激光分束为四路。
由光纤分束器7分出的四路激光中，第一路进入锁频模块5。该锁频模块5位于所述光纤分束器在第一方向的光路后端，其利用该路激光检测激光器输出激光的中心波长。温度控制器3的后端与锁频模块5相连接，前端与DFB激光器相连接，其通过调节DFB激光器的温度使其输出激光的中心波长稳定在CO2气体的吸收谱线的中心位置。
由光纤分束器7分出的四路激光中，第二路进入激光收发单元22。激光收发单元22位于所述光纤分束器7在第二方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第二路激光对地面发射，其获取相应与该第二路激光的回波信号，该回波信号包含激光收发单元与地面之间空气中CO2气体对激光的吸收光谱信息；
请参照图2，该激光收发单元22包括：防护玻璃23、聚焦透镜24、光纤准直器25、支撑固定杆26、窄带滤光片27、光电探测器28、支撑固定杆29、温度传感器30、湿度传感器31、直流电源接口32、BNC接口 33、光纤接口34、镜筒35。
请继续参照图2，在激光收发单元中，其中，防护玻璃23起保护聚焦透镜24的作用。光纤准直器25通过光纤接口34将来自系统主机的激光，准直后对地发射；聚焦透镜24接收地面漫反射回来的激光聚焦到光电探测器28上；窄带滤光片27紧贴光电探测器安装，滤除太阳反射光的干扰；光电探测器28将探测到的激光回波信号转成电信号，通过BNC接口33上传给系统主机内的数据采集模块10，该回波信号中包含激光收发单元 22与地面之间大气中CO2气体对激光的吸收光谱信息。温度传感器30和湿度传感器31将探测到的温度和湿度信号通过BNC接口33上传给系统主机内的数据采集模块10。直流电源接口32连接防震机箱20内的直流电源12和激光收发单元22内的温度传感器、湿度传感器、光电探测器。镜筒35内壁做发黑处理，以减少杂光干扰。
由光纤分束器7分出的四路激光中，第三路进入时频转换模块8。该时频转换模块8位于所述光纤分束器在第三方向的光路后端，包括：干涉计和探测器。其中，干涉计用于将锯齿波光信号转换为强弱分布的干涉光信号。探测器与干涉计相连接，其将干涉光信号转换为电信号，即干涉信号，再送入数据采集模块10进行采集。
由光纤分束器7分出的四路激光中，第四路进入功率监测模块9。该功率监测模块9位于所述光纤分束器在第四方向的光路后端，用于获取第四路激光的强度，作为系统的光强参考信号，同时可监测激光器的工作状态。该光强参考信号由数据采集模块10进行采集，作为无CO2吸收的参考信号。
数据采集模块10在信号发生器1发出的触发信号的触发下进行采集，数据采集模块的3个通道分别连接时频转换模块8、功率监测模块9和激光收发单元22，在触发信号的触发下5通道同步采样，该数据采集模块 10采集：(a)由时频转换模块8送入的干涉信号；(b)由功率监测模块送入的光强参考信号；(c)由激光收发单元送入的带有CO2气体吸收信息的回波信号、镜筒内的温度信号和湿度信号；并将这些信号通过USB接口 18上传至上位机21。
GPS定位模块11在信号发生器1发出的同步触发信号的触发下工作，获取系统的当前所在位置，并将获取的实时位置信息通过USB接口19上传至上位机21。
上位机21中连接至所述数据采集模块10，其结合所述回波信号、干涉信号、光强参考信号进行反演计算，得到对流层大气CO2柱浓度信息，结合实时位置信息，获取对流层大气CO2柱浓度的区域分布。
具体而言，上位机21：首先对干涉信号进行寻峰运算，再进行时频转换，将带有CO2气体吸收信息的回波信号和光强参考信号从时域转换到频域，对频域的回波信号和光强参考信号进行背景扣除、比值运算、积分运算等处理得到路径上CO2气体的吸光度曲线，根据温度和湿度传感器送入的温度、湿度数据对CO2气体吸收线的线型进行修正，进而得到精确的 CO2柱浓度，同时结合GPS定位模块送入的实时位置信息，获取空间大气 CO2柱浓度的区域分布。
直流电源12将由交流电源接口输入的交流电转换为直流电，为系统主机内的各个有源部件进行供电，同时通过直流电源接口为激光收发单元供电，其开闭由电源开关17进行控制。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)图中的电流控制器和温度控制器还可以采用合二为一的形式；
(2)随着激光技术的发展，DFB激光器和光纤放大器结合的方式未来也可以用大功率窄线宽可调谐激光器来代替；
(3)图中的聚焦透镜可以采用单透镜、双胶合透镜、菲涅尔透镜等多种形式。
综上所述，本发明不需要光谱仪等精密测量设备，与其他光学方法相比在减少装置体积和成本的同时又能够快速获取CO2柱浓度的区域分布信息，可应用于大气CO2浓度区域分布探测及污染源排放监督性监测研究，具有较强的实用性或较好的推广应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，采用飞行器承载而进行对流层大气CO2柱浓度激光主动遥测，包括：
信号发生器，其输出锯齿波信号和同步触发信号；
激光源模块，其后端连接至所述信号发生器，其提供一束激光，该激光由所述锯齿波信号进行调谐，其波长能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线；
光纤分束器，位于所述激光源模块的光路后端，其将由所述激光源模块提供的激光分束为四路，其中的第一路返回至激光源模块以调节激光的中心波长；
激光收发单元，位于所述光纤分束器在第二方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第二路激光对地面发射，其获取相应与该第二路激光的回波信号，该回波信号包含激光收发单元与地面之间空气中CO2气体对激光的吸收光谱信息；
时频转换模块，位于所述光纤分束器在第三方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第三路激光进行时频转换，得到干涉信号；
功率监测模块，位于所述光纤分束器在第四个方向的光路后端，其监测由光纤分束器分束获取的第四路激光的强度变化，获取光强参考信号，该光强参考信号作为无CO2吸收的参考信号；
数据采集模块，连接至所述信号发生器、激光收发单元、时频转换模块和功率监测模块，其在所述信号发生器发出的同步触发信号的触发下收集：由激光收发单元获取的回波信号；由时频转换模块获取的干涉信号；由功率监测模块获取的光强参考信号；
GPS定位模块，连接至所述信号发生器，其在所述信号发生器发出的同步触发信号的触发下获取飞行器的实时位置信息；以及
上位机，连接至所述数据采集模块和GPS定位模块，其结合所述回波信号、干涉信号、光强参考信号进行反演计算，得到对流层大气CO2柱浓度信息，结合实时位置信息，获取对流层大气CO2柱浓度的区域分布；
其中，所述信号发生器、激光源模块、光纤分束器、时频转换模块、功率监测模块、数据采集模块和GPS定位模块被集成至系统主机中，直流电源将由交流电源接口输入的交流电转换为直流电，为系统主机内的各个有源部件进行供电。
2.根据权利要求1所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述系统主机的外侧设置防震机箱；
所述激光收发单元独立于系统主机和上位机设置，并通过光纤接口与系统主机光路连通，通过BNC接口与系统主机进行通信；上位机分别与系统主机内的数据采集模块和GPS定位模块进行通信。
3.根据权利要求1所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光源模块包括：电流控制器、DFB激光器和光纤放大器，其中：
所述电流控制器，其后端连接至所述信号发生器，其前端连接至所述DFB激光器，其中，该电流控制器利用所述信号发生器输出的锯齿波信号作为其调制信号，将DFB激光器的波长调谐到能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线的位置；
所述DFB激光器，其利用该电流控制器输出的电流产生种子激光；
所述光纤放大器，其后端通过光纤连接至所述DFB激光器，其前端通过光纤连接至所述光纤分束器，该光纤放大器将所述DFB激光器产生的所述种子激光放大至预设功率，并将该激光输出至所述光纤分束器。
4.根据权利要求3所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光源模块还包括：锁频模块、温度控制器，其中：
所述锁频模块，位于所述光纤分束器在第一方向的光路后端，其检测由光纤分束器分束获取的第一路激光的中心波长；
所述温度控制器，其后端连接至所述锁频模块，其前端连接至所述DFB激光器，该温度控制器通过调节所述DFB激光器的温度而使其输出激光的中心波长稳定在CO2气体的吸收谱线的中心位置。
5.根据权利要求4所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光源模块中，所述温度控制器和电流控制器分立设置或一体化设置。
6.根据权利要求1所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光源模块输出激光的波长介于1572nm～1573nm之间；其功率大于5W。
7.根据权利要求1所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光收发单元包括：镜筒(35)、光纤接口(34)、聚焦透镜(24)、光纤准直器(25)、光电探测器(28)、BNC接口(33)；
其中，光纤准直器(25)通过光纤接口(34)将来自激光源模块的激光准直后对地发射；聚焦透镜(24)接收地面漫反射回来的激光并聚焦到光电探测器(28)上；光电探测器(28)将探测到的激光回波信号转成电信号，通过BNC接口(33)上传给数据采集模块(10)；
所述聚焦透镜(24)、光纤准直器(25)、光电探测器(28)均被设置于镜筒(35)内，所述光纤接口(34)和BNC接口(33)设置于所述镜筒(35)的壳壁上。
8.根据权利要求7所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述激光收发单元还包括：防护玻璃(23)、窄带滤光片(27)、温度传感器(30)、湿度传感器(31)，其中：
镜筒(35)内壁做发黑处理，以减少杂光干扰；
防护玻璃(23)保护聚焦透镜(24)；
窄带滤光片(27)紧贴所述光电探测器(28)安装，其滤除太阳反射光的干扰；
温度传感器(30)和湿度传感器(31)设置于镜筒内，两者将探测到的温度和湿度信号通过BNC接口(33)上传给数据采集模块。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述时频转换模块包括：干涉计和探测器；
该时频转换模块中，所述干涉计的后端通过光纤连接至所述光纤分束器，所述探测器通过光纤连接至所述干涉计的前端；
其中，由干涉计将所述第三路激光的锯齿波光信号转换为强弱分布的干涉光信号，由探测器将该干涉光信号转换为电信号，即所述干涉信号。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述飞行器为飞机或飞艇。
11.根据权利要求10所述的机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统，其特征在于，所述飞机为无人机。
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