CN106970392A - 高灵敏度气体污染探测激光雷达系统 - Google Patents

高灵敏度气体污染探测激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，包括集成于一体的中红外可调谐窄线宽高能量激光器、波长及功率监测模块、光学收发模块、瞄准模块和数据处理模块：中红外可调谐窄线宽高能量激光器发射中红外激光，所述的中红外激光一部分经由波长及功率监测模块进行波长监测和功率监测，另一部分由光学收发模块出射至探测目标物，并通过瞄准模块对探测目标物进行瞄准，探测目标物将中红外激光反射回来的回波信号再经由光学收发模块接收，再传递至数据处理模块进行处理分析后得出污染气体浓度值。本发明能对大气主要污染物浓度指标进行实时监测、数据分析。

Description

高灵敏度气体污染探测激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种激光雷达系统，特别是涉及一种高灵敏度气体污染探测激光雷达。
背景技术
激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备，结合了传统雷达技术和现代激光技术，是传统的无线电或微波雷达向光学频段延伸的产物。激光雷达时空分辨率高，探测盲区小，可以探测大气中污染气体微粒光学特性垂直分布特征，较好地弥补常规探测仪器的不足。激光雷达的这些独特优点，使它成为探测研究大气污染物的有效手段。近几十年来，大气污染物研究发展很快，已成为环境监测的一个重要分支。随着现代激光雷达系统和技术的发展，激光雷达探测大气污染物技术，在大气环境、大气化学、大气辐射监测与分析以及气候预报等领域正发挥着举足轻重的作用。
常规大气污染物监测方式主要有电化学式、催化燃烧式、半导体式和红外线式，基于这些方式的仪器探测气体种类单一，距离近，寿命短。激光气体监测技术是近些年发展起来的新型气体探测技术，特点是非接触无需采样、灵敏度高、响应时间快、可远程遥测。目前，国内外激光雷达系统中最常用的光谱技术有紫外/可见波段的差分光学吸收光谱(DOAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)、红外波段的傅里叶变换光谱(FTIR)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)等。现有技术多采用紫外、近红外固定波长激光，气体吸收在此波段较弱，激光在大气中传输距离受限。许多有毒有害气体在中红外波段具有强烈的吸收峰(比可见光和近红外波段吸收高几个数量级)，利用中红外波段可以获得更高的灵敏度、更远的探测距离。
虽然中红外激光雷达和传统地面环境监测设备、其他波段激光雷达相比，具有多项优势，但由于光源、探测等技术瓶颈困扰，高灵敏度中红外激光雷达整体解决方案在国内仍处于空白状态。国内同类型产品多集中在紫外波段，且灵敏度有限，尚没有中红外激光雷达的高灵敏度成熟系统问世。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能对大气主要污染物浓度指标进行实时监测、数据分析的高灵敏度中红外激光雷达系统。
技术方案：一种高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，包括集成于一体的中红外可调谐窄线宽高能量激光器、波长及功率监测模块、光学收发模块、瞄准模块和数据处理模块：中红外可调谐窄线宽高能量激光器发射中红外激光，所述的中红外激光一部分经由波长及功率监测模块进行波长监测和功率监测，另一部分由光学收发模块出射至探测目标物，并通过瞄准模块对探测目标物进行瞄准，探测目标物将中红外激光反射回来的回波信号再经由光学收发模块接收，再传递至数据处理模块进行处理分析后得出污染气体浓度值；所述的波长及功率监测模块包括第一分光镜、第二分光镜、第一中红外探测器、气体吸收池和第二中红外探测器，第一分光镜将中红外可调谐窄线宽高能量激光器发射的中红外激光分为两束，一束向光学收发模块传递，另一束输出至第二分光镜，第二分光镜将光束分为两路，分别传输给第一中红外探测器和气体吸收池，气体吸收池后连接有第二中红外探测器，第一中红外探测器和第二中红外探测器可实现波长监测及功率监测。
进一步的，所述光学收发模块包括扩束镜组、中红外反射镜、安装在扫描仓中的第一反射镜和第二反射镜、抛物面反射镜、次镜、光学接收探测单元，中红外反射镜与第一反射镜相互平行，实现垂直扫描；第一反射镜和第二反射镜相互平行，实现水平扫描；扩束镜组将所述中红外激光的发散角进行压缩后输出给中红外反射镜，中红外反射镜将经压缩后的中红外激光垂直反射到第一反射镜后，第一反射镜再水平反射至第二反射镜，第二反射镜最后将中红外激光反射至探测目标物；探测目标物反射回来的回波信号按原路返回后，再依次经由抛物面反射镜、次镜传输至光学接收探测单元。
进一步的，所述的光学接收探测单元包括沿光路依次设置的小孔光阑、第一准直透镜、窄带滤波片、聚焦透镜、第二准直透镜和中红外单光子探测器，所述回波信号由视场光阑控制接收视场角后，经第一准直透镜后插入窄带滤波片剔除背景噪声，再经聚焦透镜和第二准直透镜后由单光子探测器对所述回波信号进行探测。
优选的，所述扩束镜组将所述中红外激光的发散角压缩至0.2mrad后输出给中红外反射镜。
优选的，所述垂直扫描范围为0～90°，水平扫描范围为0～360°。
优选的，所述抛物面反射镜为牛反式望远镜或卡塞格林式望远镜。
优选的，所述抛物面反射镜采用通光孔径为300mm的牛反式望远镜。
优选的，所述中红外可调谐窄线宽高能量激光器可发射重复频率100-1000Hz、脉宽小于20ns、能量高于1mJ、线宽小于千兆赫兹的可调谐波长激光。
优选的，所述的气体吸收池充入的气体为NO2。
优选的，所述瞄准模块包括与扫描仓平行的CCD，其平行度优于30″。
有益效果：本发明具有高度的技术集成度，波长及功率监测模块可实现监测及修正输出激光的中心波长以及功率值，以提高探测精度以及减小数据处理的难度。收发系统采用无热化镜头设计，可实现实际外场环境工作的工程化产品。不同于一般激光雷达多选择紫外波段作为主要工作波段，本发明采用可调谐窄线宽大能量高效率的中红外激光器作为雷达系统的激光发射源。在中红外波段内，二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、二甲苯等主要污染物的吸收很强，而大气吸收和太阳背景辐射都比较弱，同时，配合单光子探测器可以实现极高的探测灵敏度，能够显著提高部分大气污染物的监测灵敏度和探测距离。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；
如图1所示，本发明所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，包括集成于一体的中红外可调谐窄线宽高能量激光器1、波长及功率监测模块、光学收发模块、瞄准模块和数据处理模块：中红外可调谐窄线宽高能量激光器1发射中红外激光，所述的中红外激光一部分经由波长及功率监测模块进行波长监测和功率监测，另一部分由光学收发模块出射至探测目标物，并通过瞄准模块对探测目标物进行瞄准，探测目标物将中红外激光反射回来的回波信号再经由光学收发模块接收，再传递至数据处理模块进行处理分析后得出污染气体浓度值。
中红外可调谐窄线宽高能量激光器1能够实现各污染气体分子吸收光谱的on和off快速调谐，以利用差分手段对污染气体进行探测。其可发射重复频率100Hz～1000Hz(本实施例优选为500Hz)、脉宽小于20ns、能量高于1mJ、线宽小于千兆赫兹的可调谐波长激光，实际输出按中心波长为3414nm和3424nm交替发射以实现差分吸收激光雷达探测污染气体浓度。
波长及功率监测模块包括第一分光镜2、第二分光镜3、第一中红外探测器18、充入一定浓度NO2的气体吸收池4和第二中红外探测器19，第一分光镜2将中红外可调谐窄线宽高能量激光器1发射的中红外激光分为两束，一束向光学收发模块传递，另一束输出至第二分光镜3，第二分光镜3将光束分为两路，分别传输给第一中红外探测器18和气体吸收池4，气体吸收池4后连接有第二中红外探测器19，第一中红外探测器18和第二中红外探测器19可实现波长监测及功率监测。安置两个中红外探测器可分别得到激光经气体吸收池4前后的光信号幅值，通过电学处理及采集卡采集分析数据后可对激光的波长进行实时监测，处理分析的结果则实时反馈通过温度补偿以进行稳频处理。同时，实时探测未经气体吸收池4的激光幅值可对激光器的输出功率进行监测，其结果经电学处理反馈实时调节泵浦电流的大小以提升输出功率的稳定性。针对激光的中心波长以及功率进行监测，目的防止中心波长未处于探测污染气体分子的吸收峰和吸收谷上从而影响探测效果，同时对功率进行监测以便进行前后数据比对以及数据反演处理，一个探测器无法同时满足功率及波长监测。
光学收发模块包括扩束镜组、中红外反射镜8、安装在扫描仓中的第一反射镜9和第二反射镜20、抛物面反射镜10、次镜11、光学接收探测单元，中红外反射镜8与第一反射镜9相互平行，实现垂直扫描；第一反射镜9和第二反射镜20相互平行，实现水平扫描；扩束镜组将所述中红外激光的发散角进行压缩后输出给中红外反射镜8，中红外反射镜8将经压缩后的中红外激光垂直反射到第一反射镜9后，第一反射镜9再水平反射至第二反射镜20，第二反射镜20最后将中红外激光反射至探测目标物；探测目标物反射回来的回波信号按原路返回后，再依次经由抛物面反射镜10、次镜11传输至光学接收探测单元。光学收发模块由瞄准模块对探测目标物进行瞄准，瞄准模块包括与扫描仓平行的CCD5，平行度优于30″。扩束镜组包括第一扩束镜6和第二扩束镜7，中红外可调谐窄线宽高能量激光器1发射中红外激光由扩束镜组进一步压缩至0.2mrad，同时由中红外反射镜8和扫描仓中第一反射镜9和第二反射镜20实现空间全域扫描，水平扫描范围达到0～360°，垂直扫描范围达到0～90°。所述抛物面反射镜10为牛反式望远镜或卡塞格林式望远镜，优选为通光孔径300mm的牛反式望远镜接收回波信号。
光学接收探测单元包括沿光路依次设置的小孔光阑12、第一准直透镜13、窄带滤波片14、聚焦透镜15、第二准直透镜16和中红外单光子探测器17，所述回波信号由视场光阑控制接收视场角后，经第一准直透镜13后插入窄带滤波片14剔除背景噪声，再经聚焦透镜15和第二准直透镜16后由单光子探测器对所述回波信号进行探测。回波信号经抛物面反射镜10及次镜11后，由小孔光阑12控制接收视场角后，经第一准直透镜13后插入窄带滤波片14剔除背景噪声以提升信噪比，再经聚焦透镜15和第二准直透镜16后由单光子探测器对信号进行探测。
数据处理模块则由计算机对采集的回波信号进行处理分析后得出污染气体浓度值。
本发明可搭载移动测试车，对大气主要污染物浓度指标进行实时监测、数据分析的高灵敏度中红外激光雷达系统。本发明具有高度的技术集成度，波长及功率监测模块可实现监测及修正输出激光的中心波长以及功率值，以提高探测精度以及减小数据处理的难度。收发系统采用无热化镜头设计，可实现实际外场环境工作的工程化产品。不同于一般激光雷达多选择紫外波段作为主要工作波段，本发明采用可调谐窄线宽大能量高效率的中红外激光器作为雷达系统的激光发射源。在中红外波段内，二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、二甲苯等主要污染物的吸收很强，而大气吸收和太阳背景辐射都比较弱，同时，配合单光子探测器可以实现极高的探测灵敏度，能够显著提高部分大气污染物的监测灵敏度和探测距离。

Claims (10)

1.一种高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，包括集成于一体的中红外可调谐窄线宽高能量激光器、波长及功率监测模块、光学收发模块、瞄准模块和数据处理模块：中红外可调谐窄线宽高能量激光器发射中红外激光，所述的中红外激光一部分经由波长及功率监测模块进行波长监测和功率监测，另一部分由光学收发模块出射至探测目标物，并通过瞄准模块对探测目标物进行瞄准，探测目标物将中红外激光反射回来的回波信号再经由光学收发模块接收，再传递至数据处理模块进行处理分析后得出污染气体浓度值；所述的波长及功率监测模块包括第一分光镜、第二分光镜、第一中红外探测器、气体吸收池和第二中红外探测器，第一分光镜将中红外可调谐窄线宽高能量激光器发射的中红外激光分为两束，一束向光学收发模块传递，另一束输出至第二分光镜，第二分光镜将光束分为两路，分别传输给第一中红外探测器和气体吸收池，气体吸收池后连接有第二中红外探测器，第一中红外探测器和第二中红外探测器可实现波长监测及功率监测。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述光学收发模块包括扩束镜组、中红外反射镜、安装在扫描仓中的第一反射镜和第二反射镜、抛物面反射镜、次镜、光学接收探测单元，中红外反射镜与第一反射镜相互平行，实现垂直扫描；第一反射镜和第二反射镜相互平行，实现水平扫描；扩束镜组将所述中红外激光的发散角进行压缩后输出给中红外反射镜，中红外反射镜将经压缩后的中红外激光垂直反射到第一反射镜后，第一反射镜再水平反射至第二反射镜，第二反射镜最后将中红外激光反射至探测目标物；探测目标物反射回来的回波信号按原路返回后，再依次经由抛物面反射镜、次镜传输至光学接收探测单元。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述的光学接收探测单元包括沿光路依次设置的小孔光阑、第一准直透镜、窄带滤波片、聚焦透镜、第二准直透镜和中红外单光子探测器，所述回波信号由视场光阑控制接收视场角后，经第一准直透镜后插入窄带滤波片剔除背景噪声，再经聚焦透镜和第二准直透镜后由单光子探测器对所述回波信号进行探测。
4.根据权利要求2所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述扩束镜组将所述中红外激光的发散角压缩至0.2mrad后输出给中红外反射镜。
5.根据权利要求2所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述垂直扫描范围为0～90°，水平扫描范围为0～360°。
6.根据权利要求2所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述抛物面反射镜为牛反式望远镜或卡塞格林式望远镜。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述抛物面反射镜采用通光孔径为300mm的牛反式望远镜。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述中红外可调谐窄线宽高能量激光器可发射重复频率100-1000Hz、脉宽小于20ns、能量高于1mJ、线宽小于千兆赫兹的可调谐波长激光。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述的气体吸收池充入的气体为NO2。
10.根据权利要求1-7任意一项所述的高灵敏度气体污染探测激光雷达系统，其特征在于，所述瞄准模块包括与扫描仓平行的CCD，其平行度优于30″。
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