CN109375190A - 同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、种子激光器发出种子光，经过相应的频率梳激光器后，发出多个光谱频率，再经反射镜发射到大气中；S2、采用望远镜收集激光与大气相互作用后产生的回波信号，回波信号依次通过相应的分束镜分出不同频率的信号；S3、不同频率的信号经过相应的滤波器后发射到相应的探测器中；S4、探测器把探测到的光信号转化为电信号，然后通过数据采集单元采集，采集到的数据存储到数据处理单元内。该发明通过引入频率梳激光器，并在传统差分吸收激光雷达反演技术的基础上，发展出同时测量多种大气成分的反演算法，有非常大的理论与应用价值。

Description

同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达探测领域，尤其涉及同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统。
背景技术
传统的激光雷达技术只能使用单频率或者数种频率来检测大气成分，无法同时测量多种大气成分。若需要同时测了多种大气成分就要采用多台激光器；不仅系统复杂，而且成本非常昂贵。因此急需一种新的检测方法和系统来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法，包括以下步骤
S1、种子激光器发出频率为ωc的种子光，经过相应的频率梳激光器后，发出ωc、ωc+ωm、ωc-ωm、ωc+2ωm、ωc-2ωm…ωc+nωm、ωc-nωm多个光谱频率，再经反射镜发射到大气中；
S2、采用望远镜收集激光与大气相互作用后产生的回波信号，回波信号依次通过相应的分束镜分出不同频率的信号；
S3、经不同分束镜分出的不同频率的信号经过相应的滤波器后发射到相应的探测器中，同时探测多种频率成分与大气反应后的回波信号；
S4、探测器把探测到的光信号转化为电信号，然后通过数据采集单元采集，采集到的数据存储到数据处理单元内，数据处理单元进行不同大气成分含量的数据计算。
具体地说，所述步骤S4的具体步骤包括：
S41、获得大气中不同成分的吸收截面与光谱频率对应的函数曲线，根据函数曲线提取每种气体成分对应的λon和λoff，λon为对应气体成分吸收截面最高值时对应的光谱频率转换后的波长，λoff为对应气体成分吸收截面最低值时对应的光谱频率转换后的波长；
S42、每组λon和λoff采用差分吸收反演算法计算得出不同污染物的浓度。
具体地说，所述步骤S42的具体步骤包括
S421、根据雷达方程原理式：
式中P(λ,z)是波长λ时高度z处雷达回波信号强度；p0(λ)是波长λ的雷达发射初始信号强度；C是仪器参数；β(λ,z)是波长λ时高度z处的体后向散射截面；αM是其他气体分子的衰减系数；αA是气溶胶的衰减系数；N(r)是高度r的待测物质浓度；δ(λ,r)是波长λ时高度r处的吸收截面；
S422、令α＝αM+αA+N(r)δ(λ,r) (2)
S423、将公式(2)代入公式(1)中，并对公式两边求Ln得
S424、令z＝z+Δz代入(3)得：
S425、由公式(3)-(4)得：
S426、由公式(5)继续推得：
S427、再由公式(6)-(7)得：
即：
公式(8)中：
Δδ(z)＝δ(λoff,z)-δ(λon,z)为待测物差分吸收截面，
ΔαM＝αM(λoff)-αM(λon)；ΔαA＝αA(λoff)-αA(λon)；
因此得到估算值：
使用上述同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法的系统，包括依次设置的发射模块、接收模块、探测模块、采集处理模块，所述发射模块包括依次设置的种子激光器、频率梳激光器、反射镜；所述接收模块包括望远镜；所述探测模块包括在光路上设置的多个分束镜、多个滤波器和多个探测器，每个分束镜分出的光束依次经过相应的滤波器后发射到探测器上；所述采集处理模块包括数据采集单元和信号处理单元，所述数据采集单元的多个输入端分别与相应的探测器连接，所述信号处理单元与数据采集单元的输出端连接。
具体地说，所述望远镜为卡塞格林望远镜，所述数据处理单元为计算机，所述数据采集单元为高速数据采集卡。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过引入频率梳激光器搭建同时能测多种大气成分的频率梳激光雷达系统，并在传统差分吸收激光雷达反演技术的基础上，发展出同时测量多种大气成分的反演算法，有非常大的理论与应用价值。
(2)由于频率梳激光器有等间隔的多种频率成分，因此可以同时探测多种频率成分与大气反应后的回波信号，可以根据实际需要，选取可以选择频率覆盖范围和频率间隔不同的频率梳激光器进行探测。
(3)差分吸收激光雷达测量大气臭氧的优点是测量范围大、分辨率高、精度较高、实时快速。根据比尔朗伯定理，当激光束波长与某污染气体分子的吸收线中心重合时，激光束在传播过程中将由于该种分子产生的共振吸收而强烈衰减，从衰减程度可以确定此种污染气体分子的浓度。
(4)获得所有待测物的λon和λoff，把所有待测物的λon和λoff均接受转为电信号后被高速采集卡记录在计算机中。然后根据不同污染物λon和λoff提取区分出来；把每一组的λon和λoff的回波信号强度运用差分吸收反演算法算出各待测污染物的浓度。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是系统探测多种大气成分原理示意图。
图3为三种不同污染物λon和λoff提取示意图。
图4为HITRAN数据库提供的1.59—1.62μm波段四种气体的吸收线强分布图(x-logy形式)。
图中标注符号的含义如下：
1-发射模块 11-种子激光器 12-频率梳激光器 13-反射镜
2-接收模块 21-望远镜
3-探测模块 31-目镜 32-分束镜 33-滤波器 34-探测器
4-采集处理模块 41-数据采集单元 42-数据处理单元
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示，同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法，包括以下步骤：
S1、种子激光器11发出频率为ωc的种子光，经过相应的频率梳激光器12后，发出ωc、ωc+ωm、ωc-ωm、ωc+2ωm、ωc-2ωm…ωc+nωm、ωc-nωm多个光谱频率，再经反射镜13发射到大气中；
S2、采用望远镜21收集激光与大气相互作用后产生的回波信号，回波信号依次通过相应的分束镜32分出不同频率的信号；
S3、经不同分束镜32分出的不同频率的信号经过相应的滤波器33后发射到相应的探测器34中，同时探测多种频率成分与大气反应后的回波信号；其中滤波器33直接用滤波片即可。
S4、探测器34把探测到的光信号转化为电信号，然后通过数据采集单元41采集，采集到的数据存储到数据处理单元42内，数据处理单元42进行不同大气成分含量的数据计算。
所述步骤S4的具体步骤包括：
S41、获得大气中不同成分的吸收截面与光谱频率对应的函数曲线，根据函数曲线提取每种气体成分对应的λon和λoff，λon为对应气体成分吸收截面最高值时对应的光谱频率转换后的波长，λoff为对应气体成分吸收截面最低值时对应的光谱频率转换后的波长；其中图2和图3分别是以三种污染物为例，根据以上方法，可以获得三组对应的λon和λoff。
S42、每组λon和λoff采用差分吸收反演算法计算得出不同污染物的浓度。
所述步骤S42的具体步骤包括
S421、根据雷达方程原理式：
式中P(λ,z)是波长λ时高度z处雷达回波信号强度；p0(λ)是波长λ的雷达发射初始信号强度；C是仪器参数；β(λ,z)是波长λ时高度z处的体后向散射截面；αM是其他气体分子的衰减系数；αA是气溶胶的衰减系数；N(r)是高度r的待测物质浓度；δ(λ,r)是波长λ时高度r处的吸收截面；
S422、令α＝αM+αA+N(r)δ(λ,r) (2)
S423、将公式(2)代入公式(1)中，并对公式两边求Ln得
S424、令z＝z+Δz代入(3)得：
S425、由公式(3)-(4)得：
S426、由公式(5)继续推得：
S427、再由公式(6)-(7)得：
即：
公式(8)中：
Δδ(z)＝δ(λoff,z)-δ(λon,z)为待测物差分吸收截面，
ΔαM＝αM(λoff)-αM(λon)；ΔαA＝αA(λoff)-αA(λon)；
因此得到估算值：
按照上述公式计算每一种污染物，即可获得三种污染物在高度Z时的浓度值。
如图4所示，可以得知，ωc对应的中心波长为1.597um，偏离中心波长的最近的两个频率为1.591um和1.604um，可以同时测CO和CO2；ωc对应的中心波长为1.615um，偏离中心波长的最近的两个频率为1.611um和1.619um，可以同时测CH4和CO2；ωc对应的中心波长为1.605um，偏离中心波长的最近的两个频率为1.595um和1.610um，二级边带(中心波长旁边的第二个频率成分)是1.590um和1.615um可以同时测CH4、CO和CO2。
实施例2
如图1所示，使用实施例1中同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法的系统，包括依次设置的发射模块1、接收模块2、探测模块3、采集处理模块4，所述发射模块1包括依次设置的种子激光器11、频率梳激光器12、反射镜13；所述接收模块2包括望远镜21；所述探测模块3包括在光路上依次设置的目镜31、多个分束镜32、多个滤波器33和多个探测器34，每个分束镜32分出的光束依次经过相应的滤波器33后发射到探测器34上；所述采集处理模块4包括数据采集单元41和信号处理单元，所述数据采集单元41的多个输入端分别与相应的探测器34连接，所述信号处理单元与数据采集单元41的输出端连接。
所述望远镜21为卡塞格林望远镜21，所述数据处理单元42为计算机，所述数据采集单元41为高速数据采集卡。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法，其特征在于，包括以下步骤
S1、种子激光器(11)发出频率为ωc的种子光，经过相应的频率梳激光器(12)后，发出ωc、ωc+ωm、ωc-ωm、ωc+2ωm、ωc-2ωm…ωc+nωm、ωc-nωm多个光谱频率，再经反射镜(13)发射到大气中；
S2、采用望远镜(21)收集激光与大气相互作用后产生的回波信号，回波信号依次通过相应的分束镜(32)分出不同频率的信号；
S3、经不同分束镜(32)分出的不同频率的信号经过相应的滤波器(33)后发射到相应的探测器(34)中，实现同时探测多种频率成分与大气反应后的回波信号；
S4、探测器(34)把探测到的光信号转化为电信号，然后通过数据采集单元(41)采集，采集到的数据存储到数据处理单元(42)内，数据处理单元(42)进行不同大气成分含量的数据计算。
2.根据权利要求1所述的同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤包括：
S41、获得大气中不同成分的吸收截面与光谱频率对应的函数曲线，根据函数曲线提取每种气体成分对应的λon和λoff，λon为对应气体成分吸收截面最高值时对应的光谱频率转换后的波长，λoff为对应气体成分吸收截面最低值时对应的光谱频率转换后的波长；
S42、每组λon和λoff采用差分吸收反演算法计算得出不同污染物的浓度。
3.根据权利要求2所述的同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法，其特征在于，所述步骤S42的具体步骤包括
S421、根据雷达方程原理式：
式中P(λ,z)是波长λ时高度z处雷达回波信号强度；p0(λ)是波长λ的雷达发射初始信号强度；C是仪器参数；β(λ,z)是波长λ时高度z处的体后向散射截面；αM是其他气体分子的衰减系数；αA是气溶胶的衰减系数；N(r)是高度r的待测物质浓度；δ(λ,r)是波长λ时高度r处的吸收截面；
S422、令α＝αM+αA+N(r)δ(λ,r) (2)
S423、将公式(2)代入公式(1)中，并对公式两边求Ln得
S424、令z＝z+Δz代入(3)得：
S425、由公式(3)-(4)得：
S426、由公式(5)继续推得：
S427、再由公式(6)-(7)得：
即：
公式(8)中：
Δδ(z)＝δ(λoff,z)-δ(λon,z)为待测物差分吸收截面，
ΔαM＝αM(λoff)-αM(λon)；ΔαA＝αA(λoff)-αA(λon)；
因此得到估算值：
4.使用权利要求1-3任意一项所述的同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法的系统，其特征在于，包括依次设置的发射模块(1)、接收模块(2)、探测模块(3)、采集处理模块(4)，所述发射模块(1)包括依次设置的种子激光器(11)、频率梳激光器(12)、反射镜(13)；所述接收模块(2)包括望远镜(21)；所述探测模块(3)包括在光路上设置的多个分束镜(32)、多个滤波器(33)和多个探测器(34)，每个分束镜(32)分出的光束依次经过相应的滤波器(33)后发射到探测器(34)上；所述采集处理模块(4)包括数据采集单元(41)和信号处理单元，所述数据采集单元(41)的多个输入端分别与相应的探测器(34)连接，所述信号处理单元与数据采集单元(41)的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述望远镜(21)为卡塞格林望远镜(21)，所述数据处理单元(42)为计算机，所述数据采集单元(41)为高速数据采集卡。
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