CN108318896A - 一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置及探测方法，涉及激光大气探测技术领域。它包含激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元、以及一体化方舱箱体，激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元均集成在一体化方舱箱体的内部，且为了减小温度变化对探测精度的影响，激光发射单元和光学接收单元安装在同一个光学平台板上。本发明可用于在一台设备上同时观测气溶胶和臭氧的浓度，通过一体化智能方舱设计，可适应在户外的独立工作，实现全天候昼夜连续观测，具有高探测精度，高时空分辨率，低成本等优点。

Description

一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置及探测方法

技术领域

本发明涉及激光大气探测技术领域，具体涉及一种用于户外的探测大气臭氧和气溶胶的激光雷达装置及探测方法。

背景技术

臭氧是大气中的一种痕量气体，平流层的臭氧可防护太阳的紫外线避免对人体的伤害，但是对流层的臭氧却是一种有害气体，臭氧含量超过100ppb就会引起人的口腔和眼睛鼻腔感到刺激和头痛。同时臭氧还是一种强氧化剂，是形成光化学烟雾和雾霾的重要原因，对人类健康和动植物生长有严重危害。

气溶胶是悬浮在空气中的固体或液体小质点，分为烟，雾和灰尘，是天空中雾霾的重要组成部分，对人类的健康有很大的危害。臭氧和气溶胶都是国家环保部门重点监控的污染物。

激光雷达作为一种探测大气光学参数的主动遥感设备，具有方向性好，时空分辨率高，可连续观测的优点，已经被广泛应用于探测对流层或平流层的臭氧和颗粒物浓度廓线。但是已有的探测方法需要研制臭氧和气溶胶两款激光雷达设备，分别对臭氧和气溶胶浓度进行探测，增加了设备投资的成本。同时已有的气溶胶或臭氧雷达设备都是用于在站房内，不能适应户外的全天候观测，使用不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于在一台设备上同时观测气溶胶和臭氧的浓度，通过一体化智能方舱设计，可适应在户外的独立工作，实现全天候昼夜连续观测，具有高探测精度，高时空分辨率，低成本等优点的户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置及探测方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，它包含激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元、以及一体化方舱箱体，激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元均集成在一体化方舱箱体的内部，且为了减小温度变化对探测精度的影响，激光发射单元和光学接收单元安装在同一个光学平台板上，其中，

所述激光发射单元包含反射镜二、分光镜五、分光镜六、反射镜三、扩束镜一、扩束镜二、扩束镜三、拉曼管一、拉曼管二、分光镜七、分光镜八、反射镜四和激光器，激光器发射端设置有与射出激光夹角为45°的分光镜七，分光镜七的透射光路上依次设置有扩束镜一和分光镜五，分光镜五的反射光路上设置有反射镜二；分光镜七的反射光路上依次设置有分光镜八和反射镜四，分光镜八的反射光路上依次设置有拉曼管一、扩束镜二和分光镜六，反射镜四的反射光路上依次设置有拉曼管二、扩束镜三和反射镜三，且反射镜二、分光镜五、分光镜六和反射镜三的中点位于同一轴线上；

所述光学接收单元包含滤光片一、滤光片二、滤光片三、滤光片四、检偏棱镜、反射镜一、分光镜一、分光镜二、分光镜三、分光镜四和望远镜，望远镜接收到的光信号经由分光镜四反射和透射，分光镜四的透射光路上设置有检偏棱镜，分光镜四的反射光路上依次设置有分光镜三、分光镜二、分光镜一和反射镜一，分光镜三的反射光路上设置有滤光片四，分光镜二的反射光路上设置有滤光片三，分光镜一的反射光路上设置有滤光片二，反射镜一的反射光路上设置有滤光片一；

所述信号采集和控制单元包含工控机、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四、光电探测器五、光电探测器六和瞬态记录仪，检偏棱镜分出两组偏振信号，分别由光电探测器五和光电探测器六接收，经过滤光片一、滤光片二、滤光片三和滤光片四的光路信号分别由光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三和光电探测器四接收，光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四、光电探测器五和光电探测器六均与瞬态记录仪连接，工控机分别与瞬态记录仪和激光器连接。

作为本发明的进一步改进；所述的激光器为高能量的Nd：YAG激光器，从而可以探测更高空间的臭氧浓度，基频频率为1064nm，分别通过2倍频倍频器和4倍频倍频器产生532nm和266nm的激光。

作为本发明的进一步改进；所述的拉曼管一里面充氢气，266nm的激光通过时会产生299nm的拉曼频移光；拉曼管二里面充氘气，266nm的激光通过时会产生289nm和316nm拉曼频移光。

作为本发明的进一步改进；所述的望远镜选择卡塞格林式望远镜或近牛顿式望远镜，为了提高探测的高度，望远镜的口径选择250mm或更大，从而可以接受到更多的光散射回波信号。

作为本发明的进一步改进；所述的一体化方舱箱体为全焊接结构，器底部设置有脚轮和平衡块，四周为可开启的侧拉门以及透光窗片，方便操作，侧拉门和一体化方舱箱体均为全封闭式结构，具有防尘，防水，耐候的功能，防护等级达到IP65，可适用于户外环境。一体化方舱箱体内部设置有相互连接的智能控制单元和显示屏，一体化方舱箱体内、外均设置有温湿度传感器，且一体化方舱箱体配备有空调和无线路由器，且温湿度传感器、无线路由器和空调均与智能控制单元连接。

本发明还提供一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置的探测方法，它包含如下步骤：

(一)激光器通过2倍频和4倍频分别发射532nm和266nm波长的紫外激光，266nm的激光通过拉曼管，由拉曼受激效应产生拉曼激光；

(二)为了进一步提高探测臭氧的精度，采用三波长双差分的算法原理，具体方法是采用两根拉曼管，一根拉曼管里面充有氢气产生299nm拉曼频移光，另一根拉曼管里面充有氘气产生289nm和316nm的拉曼频移光，然后通过扩束准直将532nm激光，289nm，299nm，316nm拉曼频移光，以及剩余的266nm激光同时发射到大气中；

(三)发射到大气中的激光和大气气溶胶发生米散射，和大气分子发生瑞利散射，通过望远镜接收这些光的后向散射回波信号；

(四)望远镜接收到的光信号经过分光系统分光，分光系统由六组分光片和六组滤光片组成，分光片将光信号分成532nm垂直，532nm水平，266nm，289nm，299nm，316nm六路信号，再分别通过六组滤光片过滤掉杂散光，所得到的六组光信号会分别进入六组光电探测器，由光电探测器把光信号转换成电信号，再传送给瞬态记录仪；

(五)瞬态记录仪由工控机控制，工控机发送命令给瞬态记录仪，采集后继光路接收的信号，将所采集到的电信号经过反演算法分析，从而得出大气中的气溶胶和臭氧的浓度廓线。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、实现了在一台激光雷达设备上同时探测对流层中的气溶胶和臭氧浓度廓线，采用一台Nd：YAG高能量激光器，通过倍频器和分光器产生多波长激光，分别用于探测气溶胶和臭氧，系统结构简单，成本优势明显；

2、采用双拉曼管的装置，通过拉曼的受激效应，产生其它三组多波长激光用于臭氧的差分吸收探测，以及采用三波长双差分的算法，提高了激光雷达的探测精度和时空分辨率；

3、本发明的激光雷达装置方舱具有防水防尘功能，防护等级可达IP65，可用于户外环境的直接观测，而传统激光雷达都是放在站房内，在站房顶部开设窗口观测，相比较而言，不仅省去了建设站房的成本，也增加了使用的方便性和灵活性；

4、一体化智能方舱设计，内外部都配有温湿度传感器，以及配置方舱空调和无线路由器，通过智能控制系统，自动感知环境和方舱内部的温湿度状况，从而自动调节空调的工作状态，可以实现全天候无人值守观测和远程操纵。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的实施例的系统原理图；

图2为本发明所提供的实施例的一体化方舱结构示意图；

附图标记：

1-工控机、2-光电探测器一、3-光电探测器二、4-光电探测器三、5-光电探测器四、6-光电探测器五、7-光电探测器六、8-滤光片一、9-滤光片二、10-滤光片三、11-滤光片四、12-检偏棱镜、13-一体化方舱箱体、14-反射镜一、15-分光镜一、16-分光镜二、17-分光镜三、18-光学平台板、19-分光镜四、20-望远镜、21-反射镜二、22-分光镜五、23-分光镜六、24-反射镜三、25-扩束镜一、26-扩束镜二、27-扩束镜三、28-拉曼管一、29-拉曼管二、30-分光镜七、31-分光镜八、32-反射镜四、33-激光器、34-瞬态记录仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，它包含激光发射单元A、光学接收单元B、信号采集和控制单元C、以及一体化方舱箱体13，激光发射单元A、光学接收单元B、信号采集和控制单元C均集成在一体化方舱箱体13的内部，且为了减小温度变化对探测精度的影响，激光发射单元A和光学接收单元B安装在同一个光学平台板18上，其中，

所述激光发射单元A包含反射镜二21、分光镜五22、分光镜六23、反射镜三24、扩束镜一25、扩束镜二26、扩束镜三27、拉曼管一28、拉曼管二29、分光镜七30、分光镜八31、反射镜四32和激光器33，所述的激光器33为高能量的Nd：YAG激光器，从而可以探测更高空间的臭氧浓度，基频频率为1064nm，分别通过2倍频倍频器和4倍频倍频器产生532nm和266nm的激光；激光器33发射端设置有与射出激光夹角为45°的分光镜七30，分光镜七30的透射光路上依次设置有扩束镜一25和分光镜五22，分光镜五22的反射光路上设置有反射镜二21；分光镜七30的反射光路上依次设置有分光镜八31和反射镜四32，分光镜八31的反射光路上依次设置有拉曼管一28、扩束镜二26和分光镜六23，反射镜四32的反射光路上依次设置有拉曼管二29、扩束镜三27和反射镜三24，且反射镜二21、分光镜五22、分光镜六23和反射镜三24的中点位于同一轴线上；所述的拉曼管一28里面充氢气，266nm的激光通过时会产生299nm的拉曼频移光；拉曼管二29里面充氘气，266nm的激光通过时会产生289nm和316nm拉曼频移光；

所述光学接收单元B包含滤光片一8、滤光片二9、滤光片三10、滤光片四11、检偏棱镜12、反射镜一14、分光镜一15、分光镜二16、分光镜三17、分光镜四19和望远镜20，所述的望远镜20可以选择卡塞格林式望远镜或近牛顿式望远镜，为了提高探测的高度，望远镜的口径选择250mm或更大，从而可以接受到更多的光散射回波信号，望远镜20接收到的光信号经由分光镜四19反射和透射，分光镜四19的透射光路上设置有检偏棱镜12，分光镜四19的反射光路上依次设置有分光镜三17、分光镜二16、分光镜一15和反射镜一14，分光镜三17的反射光路上设置有滤光片四11，分光镜二16的反射光路上设置有滤光片三10，分光镜一15的反射光路上设置有滤光片二9，反射镜一14的反射光路上设置有滤光片一8；

所述信号采集和控制单元C包含工控机1、光电探测器一2、光电探测器二3、光电探测器三4、光电探测器四5、光电探测器五6、光电探测器六7和瞬态记录仪34，检偏棱镜12分出两组偏振信号，分别由光电探测器五6和光电探测器六7接收，经过滤光片一8、滤光片二9、滤光片三10和滤光片四11的光路信号分别由光电探测器一2、光电探测器二3、光电探测器三4和光电探测器四5接收，光电探测器一2、光电探测器二3、光电探测器三4、光电探测器四5、光电探测器五6和光电探测器六7均与瞬态记录仪34连接，工控机1分别与瞬态记录仪34和激光器33连接。

所述的一体化方舱箱体13为全焊接结构，器底部设置有脚轮和平衡块，四周为可开启的侧拉门以及透光窗片，方便操作，侧拉门和一体化方舱箱体均为全封闭式结构，具有防尘，防水，耐候的功能，防护等级达到IP65，可适用于户外环境。一体化方舱箱体13内部设置有相互连接的智能控制单元和显示屏，一体化方舱箱体13内、外均设置有温湿度传感器，且一体化方舱箱体13配备有空调和无线路由器，且温湿度传感器、无线路由器和空调均与智能控制单元连接。

本发明中，探测臭氧和气溶胶激光雷达装置的工作过程为：

由工控机1发出命令，控制激光器33发出激光，经过2倍频和4倍频产生532nm和266nm激光。激光束首先经过分光镜七30，532nm的激光被分光镜30反射出去，依次通过扩束镜一25、分光镜五22、反射镜二21，与望远镜20同轴垂直发射到大气中去。266nm的激光会透过分光镜七30，再由分光镜八31分成两束266nm的激光，一束266nm激光通过拉曼管一28，拉曼管一28内充有高压氢气，由于拉曼的受激辐射将发生各级Stokes效应，产生299nm的拉曼频移光，299nm激光和剩余的266nm激光经过扩束镜二26、分光镜六23、分光镜五22、反射镜二21，与望远镜20同轴，垂直发射到大气中。另外一束266nm激光经反射镜四32反射通过拉曼管二29，拉曼管二29内部充有高压氘气，由于拉曼受激效应产生289nm，316nm拉曼频移光，289nm，316nm拉曼受激光源和剩余的部分266nm激光经过扩束镜三27、反射镜三24，分光镜五22、分光镜六23、反射镜二21，与望远镜20同轴垂直发射到大气中。所发射的532nm激光将和空气中的气溶胶发生米散射，其它4组激光266nm，289nm，299nm，316nm也将被空气中的臭氧分子不同程度的吸收和散射。

望远镜20将接收上述5组激光的回波散射信号，并将接收到的回波散射信号传送到后继光路。其中532nm回波信号由分光镜四19透射过去，经过检偏棱镜12分出532平行和532垂直偏振信号，分别由光电探测器五6和光电探测器六7将接收到的光信号转换成电信号，传输给瞬态记录仪34。其它4组激光回波信号被分光镜四19反射出去，再由另外三组分光镜分光镜一15、分光镜二16和分光镜三17把四组激光信号分开，然后分别通过滤光镜，过滤掉杂散光和背景光。光电探测器一2、光电探测器二3、光电探测器三4和光电探测器四5将分别接收266nm，289nm，299nm，316nm激光的光信号并转换为电信号，由瞬态记录仪34接收。工控机1会在设定的时间间隔内自动读取瞬态记录仪34里的信号，然后经过反演算法，解析出空气中的气溶胶和臭氧浓度。

本发明可用于在一台设备上同时观测气溶胶和臭氧的浓度，通过一体化智能方舱设计，可适应在户外的独立工作，实现全天候昼夜连续观测，具有高探测精度，高时空分辨率，低成本等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，其特征在于，它包含激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元、以及一体化方舱箱体，激光发射单元、光学接收单元、信号采集和控制单元均集成在一体化方舱箱体的内部，且为了减小温度变化对探测精度的影响，激光发射单元和光学接收单元安装在同一个光学平台板上，其中，

所述激光发射单元包含反射镜二、分光镜五、分光镜六、反射镜三、扩束镜一、扩束镜二、扩束镜三、拉曼管一、拉曼管二、分光镜七、分光镜八、反射镜四和激光器，激光器发射端设置有与射出激光夹角为45°的分光镜七，分光镜七的透射光路上依次设置有扩束镜一和分光镜五，分光镜五的反射光路上设置有反射镜二；分光镜七的反射光路上依次设置有分光镜八和反射镜四，分光镜八的反射光路上依次设置有拉曼管一、扩束镜二和分光镜六，反射镜四的反射光路上依次设置有拉曼管二、扩束镜三和反射镜三，且反射镜二、分光镜五、分光镜六和反射镜三的中点位于同一轴线上；

所述光学接收单元包含滤光片一、滤光片二、滤光片三、滤光片四、检偏棱镜、反射镜一、分光镜一、分光镜二、分光镜三、分光镜四和望远镜，望远镜接收到的光信号经由分光镜四反射和透射，分光镜四的透射光路上设置有检偏棱镜，分光镜四的反射光路上依次设置有分光镜三、分光镜二、分光镜一和反射镜一，分光镜三的反射光路上设置有滤光片四，分光镜二的反射光路上设置有滤光片三，分光镜一的反射光路上设置有滤光片二，反射镜一的反射光路上设置有滤光片一；

所述信号采集和控制单元包含工控机、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四、光电探测器五、光电探测器六和瞬态记录仪，检偏棱镜分出两组偏振信号，分别由光电探测器五和光电探测器六接收，经过滤光片一、滤光片二、滤光片三和滤光片四的光路信号分别由光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三和光电探测器四接收，光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四、光电探测器五和光电探测器六均与瞬态记录仪连接，工控机分别与瞬态记录仪和激光器连接。

2.根据权利要求1所述的一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，其特征在于，所述的激光器为高能量的Nd：YAG激光器，基频频率为1064nm，分别通过2倍频倍频器和4倍频倍频器产生532nm和266nm的激光。

3.根据权利要求1所述的一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，其特征在于，所述的拉曼管一里面充氢气，266nm的激光通过时会产生299nm的拉曼频移光；拉曼管二里面充氘气，266nm的激光通过时会产生289nm和316nm拉曼频移光。

4.根据权利要求1所述的一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，其特征在于，所述的望远镜选择卡塞格林式望远镜或近牛顿式望远镜。

5.根据权利要求1所述的一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置，其特征在于，所述的一体化方舱箱体为全焊接结构，器底部设置有脚轮和平衡块，四周为可开启的侧拉门以及透光窗片，侧拉门和一体化方舱箱体均为全封闭式结构，一体化方舱箱体内部设置有相互连接的智能控制单元和显示屏，一体化方舱箱体内、外均设置有温湿度传感器，且一体化方舱箱体配备有空调和无线路由器，且温湿度传感器、无线路由器和空调均与智能控制单元连接。

6.一种户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达装置的探测方法，它包含如下步骤：

(一)激光器通过2倍频和4倍频分别发射532nm和266nm波长的紫外激光，266nm的激光通过拉曼管，由拉曼受激效应产生拉曼激光；

(二)为了进一步提高探测臭氧的精度，采用三波长双差分的算法原理，具体方法是采用两根拉曼管，一根拉曼管里面充有氢气产生299nm拉曼频移光，另一根拉曼管里面充有氘气产生289nm和316nm的拉曼频移光，然后通过扩束准直将532nm激光，289nm，299nm，316nm拉曼频移光，以及剩余的266nm激光同时发射到大气中；

(三)发射到大气中的激光和大气气溶胶发生米散射，和大气分子发生瑞利散射，通过望远镜接收这些光的后向散射回波信号；

(四)望远镜接收到的光信号经过分光系统分光，分光系统由六组分光片和六组滤光片组成，分光片将光信号分成532nm垂直，532nm水平，266nm，289nm，299nm，316nm六路信号，再分别通过六组滤光片过滤掉杂散光，所得到的六组光信号会分别进入六组光电探测器，由光电探测器把光信号转换成电信号，再传送给瞬态记录仪；

(五)瞬态记录仪由工控机控制，工控机发送命令给瞬态记录仪，采集后继光路接收的信号，将所采集到的电信号经过反演算法分析，从而得出大气中的气溶胶和臭氧的浓度廓线。