CN110031424A - 一种臭氧激光雷达波长选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种臭氧激光雷达波长选择方法，雷达发射光包括至少两个波长，其中至少一个波长位于臭氧吸收强的位置，至少一个波长位于臭氧吸收弱的位置，形成吸收波长对,强弱波长的臭氧吸收截面差大于5×10‑20cm2；相邻波长间的差值小于45nm，波长能量大于5mJ，脉宽小于15ns。本发明提供了一种尽可能减少臭氧探测浓度误差的臭氧激光雷达波长选择方法。

Description

一种臭氧激光雷达波长选择方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种臭氧激光雷达波长选择方法和设备。
背景技术
近年来，随着各种颗粒物污染防治措施的实施，PM2.5、PM10等浓度呈现逐年下降的趋势，大气变得越来越干净。然而伴随着太阳紫外线穿透力的增强，另外一种看不见的臭氧污染逐渐变成了夏季的主要污染，相比于颗粒物污染来说，臭氧的污染防治具有看不见、成因复杂、难预防的特征，成为中国乃至世界的防治难点。
目前地面臭氧的监测主要依靠臭氧分析仪等监测方法，该方法能够对于地面的大气臭氧浓度、变化趋势等进行统计分析，对于近地面区域范围内的臭氧浓度探测来说，传统的探测方法包括携带臭氧传感器的探空气球、系留飞艇等探测方法，这些方法具有探测时间长、人工成本高、场地范围大、无法连续长时间昨夜等特点。大气臭氧探测激光雷达是近年来发展出的一种新的探测臭氧廓线的技术手段，它利用差分探测原理利用臭氧对于不同波长的吸收程度不同来反演臭氧浓度，具有时效性高、可连续无人值守探测等特点，越来越受到环境监测部门的重视。
目前臭氧探测没有较为统一的波长选择及产生方法，在实际的探测效果中，如果探测臭氧的激光波长选择不当，在探测大气中的臭氧浓度时，探测高度很低(<2km),且误差会很大(均方根误差大于50％以上)，除此之外，若拉曼介质气体选择不当，会导致拉曼管的压力过高(>50bar)，产生一定危险性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中由于臭氧探测波长或拉曼介质选择不当造成的极大误差的问题，从而提供一种尽量避免或减少臭氧探测浓度误差的臭氧激光雷达波长选择方法。
一种臭氧激光雷达波长选择方法，
发射光包括至少两个波长，其中至少一个波长位于臭氧吸收强的位置，至少一个波长位于臭氧吸收弱的位置，形成吸收波长对,强弱波长的臭氧吸收截面差大于5×10- 20cm2；相邻波长间的差值小于45nm；
可选地，大气后向散射引起的误差与成正比，其中Δλ为两个波长的差值，λoff为弱吸收波长，Δσ为强弱两个波长的吸收截面差；建议值小于1×1017cm-2。
可选地，所述差分波长能量大于5mJ，脉宽小于15ns。
可选地，所述发射光由多个激光器或激光器与拉曼管的组合提供。
可选地，将标准大气下臭氧在210nm～1010nm范围的吸收截面图根据臭氧吸收截面大小分为若干部分，选择吸收截面变化波动性小，同时存在臭氧吸收截面从低到高或从高到低的变化区域。
可选地，所选波长在230nm～350nm的范围内进行选择。
可选地，其中一个为固体激光器提供的266nm波长，另一个配对波长为通过拉曼管内不同的拉曼介质下产生的拉曼波长。
可选地，所述拉曼介质为氘气和/或氢气，或氘气与惰性气体或氢气与惰性气体的组合。
可选地，当入射窗的焦距为50cm，采用纯氘气时，氘气气压为5～10个大气压。
可选地，当焦距为50cm，总气压为6～20大气压时，氢气与氘气的分压比为1:1～1:3。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明的臭氧激光雷达波长选择方法，量化了激光波长选取方法中的参数量，给臭氧探测波长的选择及产生方法提供了参考依据，降低了以前需要充气-装入雷达-看实验效果-再充气-再装入雷达，或再调试的评价模式成本。
2.本发明的臭氧激光雷达波长选择方法，在几个臭氧强烈吸收的区域选择230nm～350nm范围的紫外区域，可以大大降低白天日光的干扰，形成较为稳定的高度探测，根据实际的探测效果来看，在选择紫外区域的情况下，白天的探测高度依然能够在3km以上。
3.本发明的臭氧激光雷达波长选择方法，在230nm～350nm范围的紫外区域内，有多种成熟的紫外激光器可以选择，在本实施例中选择的266nm激光器结合拉曼管的产生臭氧探测波长的方法，相对成本低，可实现市场化，规模化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为标准大气臭氧吸收截面图(230nm～1010nm)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例的一种臭氧激光雷达波长选择方法，提供高脉冲能量出射紫外波长的激光系统，可以是可调谐激光器(可以在不同的时间发射不同的波长)，也可以是单波长激光器和拉曼管的组合，也可以是多台激光器的组合，最终的目的在于获得两个或以上的波长，在多个波长中至少有一个处于臭氧吸收强的位置，至少有一个波长处于臭氧吸收弱的位置，波长的能量一般要大于5mJ，脉宽小于15ns。
选择探测波长时，除了波长至少有一个位于臭氧吸收强的位置，有一个位于臭氧吸收相对弱的位置，形成吸收波长对外，强弱波长的臭氧吸收截面差大于5×10-20cm2，两个波长差值也不宜太大，大气粒子对不同波长的吸收、散射等不同，因而在波长差值大时引入的臭氧反演误差也会变大，一般情况下相邻波长之间的差值小于45nm；为了尽量的减少系统的误差，应尽量让的值小(其中Δλ为两个波长的差值，λoff为弱吸收波长，Δσ为强弱两个波长的吸收截面差)；同时，最好避开可见光区，这样雷达在白天探测时受到太阳光的干扰更小，距离探测也更远；波长的能量稳定性较好。
在标准大气条件下，图1中给出了臭氧在210nm～1010nm范围内的吸收截面大小，从图中可以看出，在210nm～1010nm范围内，大气臭氧的吸收截面可以分为三个区域，第一个波长范围在230nm～350nm，第二个波长范围在420nm～800nm，最后一个在800nm～1010nm，前两个区域范围内波长变化相对平缓，都存在着臭氧吸收从低到高再变低的变化过程，而在第三个区域内臭氧的吸收截面变化波动性较大，且截面的差值相对来说不太大。根据前面提及的选择原则，最好在230nm～350nm范围内进行选择。
下面以市面上常见的紫外激光器结合拉曼管的方法来说明波长的选择方法。
目前在市面上，最为成熟可靠的大能量激光器为固体激光器，在紫外波段，出射266nm波长的激光器也相对容易获得，查看大气臭氧的吸收截面可以发现266nm波长位于臭氧的强烈吸收区，可以记为λon，还至少需要另外一个波长，记为λoff来形成差分波长对。
对于常见的能够产生拉曼效应的气体来说，需要根据各自的振动拉曼频率来计算可能产生的波长，从理论上来说，在不同的拉曼介质下产生的拉曼波长不同。
根据有关文献，不同受激拉曼散射光谱线的波数可以表示为
υ＝υp+lΔυv+mΔυr
其中υp表示泵浦光源波数，Δυv为振动拉曼偏移量，Δυr为转动拉曼偏移量，l,m＝0,±1,±2,...分别表示振动和转动谱线的级次。
对于特定气体，振动拉曼偏移量已知，就可以根据上式计算到受激拉曼散射光的波长，具体见下表：
几种气体的激发的波长(-1阶，0阶，1阶，2阶等对应波长)可以作为探测波长的备选，但结合前面提及的波长选择原则，要求系统能够稳定性出光，为此进行了大量相关试验，在试验中发现，采用激光器能量为100mJ(266nm波长，10ns脉宽)，在拉曼管焦距为50cm情况下：
如果采用充满氮气的拉曼管，要求拉曼管充气的压力要在50bar以上才会有较为稳定的拉曼频移光，且能量稳定性较差，具有一定的危险性和实际操作难度；
如果采用充满氧气的拉曼管，要求拉曼管充气的压力要在35bar以上才能出现明显拉曼频移光，且能量转化效率较低，一阶在8％以下，2阶在4％以下，不能满足系统能量需求；
采用氢气的拉曼管，拉曼管充气压力在1bar之上就可以出现稳定的拉曼频移光，转化效率都较高(一阶转化率在18％以上，二阶转化率在8％以上)，但由于二阶与一阶的波长相差较大，单独采用氢气的拉曼管能使用266nm/299.1nm，299.1nm/341.6nm波长对，而266nm由于臭氧的强烈吸收，在2km以上的回波信号会很弱，因而采用单独的波长对探测高度不高，而299.1nm/341.6nm的波长对相对来说波长差接近45nm，对应的为2.78×1017cm-2。
采用甲烷的拉曼管，拉曼管充气压力在1bar之上就可以出现稳定的拉曼频移光，转化效率较高，但是在激光照射拉曼管一段时间之后，甲烷会出现光解现象，导致拉曼管的入射和出射光窗污损，大大降低拉曼转化效率。
采用氘气的拉曼管，拉曼管充气压力在1.5bar之上就可以出现较为稳定的拉曼频移光，且一阶和二阶拉曼转化效率都较高(一阶转化率在20％以上，二阶转化率在10％以上)，能量稳定性都较好，一阶和二阶波长之间的差值小于45nm，可以形成266nm/289nm，289nm/316nm的两个差分波长对，在2km以下可采用266nm/289nm波长对，在2km以上可采用289nm/316nm的差分波长对，289nm/316nm对应的为5.56×1016cm-2，比氢气作为拉曼介质带来的误差会小很多。
若选择氘气拉曼管作为拉曼介质气体，充气的压力为5～10bar，即可满足实际臭氧探测波长能量需求。
在两个探测波长下，在地面以上，臭氧浓度的反演表达式可表示为：
其中：
在以上的公式中，N(z)表示臭氧浓度；λon，λoff分别为大气臭氧吸收强的波长和吸收弱的波长；P(λon,z)，P(λoff,z)为距离z处波长λon，λoff的大气后向弹性散射回波信号；Δδ，Δδgas分别是臭氧和其它气体的吸收截面差；N'gas是其它吸收气体浓度；B、Ea、Em分别为大气后向散射、气溶胶消光和分子消光系数带来的误差，Egas为其它气体的吸收带来的误差。
在以上的公式中，B、Ea、Em三个误差项中，通常情况下B带来的误差较大，而它可以简单描述为：
其中Δλ为两个波长的差值，λoff为弱吸收波长，Δσ为强弱两个波长的吸收截面差，γ为Angstrom指数，S为气溶胶后向散射比。从上面的式子可以看出B正比于
拉曼介质除了选择氘气，还可以是氘气与惰性气体或氢气与惰性气体的组合。
在拉曼管焦距为50cm情况下，氘气和氢气以1:1的比例组合在266nm激光的照射下会产生289nm/299nm的波长对，这样产生的波长位于臭氧的强烈吸收区，且两个波长间的波长差更小，更有利于大气臭氧的探测。实际应用中，由于不同的介质气体之间的拉曼频移存在相互干扰，如266nm的激光激发氘气产生289nm的拉曼频移光在照射到氢气上会产生328nm波长的光波，除此之外还存在四波混频问题，导致内部产生的光波较为复杂，所以正常情况下一般会采用易于激发拉曼效应气体中的一种纯气，外加(或不加)一种惰性气体来使用。
在少数情况下，在探测高度要求较低(<2km)，为了能够得到更好地探测效果，可以采用纯氢气和纯氘气的组合，经过试验，在焦距为50cm的情况下，在总气压为6～20大气压，氢气：氘气的分压比＝1:1～1:3之间较为合适，即氢气输出1个气压的量，氘气输出1～3个气压的量，但此种情况下仅适合于较大激光能量(266nm单波长激光能量>30mJ)且探测高度要求较低的情况，因为氢气和氘气会分散激光的能量，且激发的拉曼波长的能量稳定性较差。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种臭氧激光雷达波长选择方法，其特征在于，
发射光包括至少两个波长，其中至少一个波长位于臭氧吸收强的位置，至少一个波长位于臭氧吸收弱的位置，形成吸收波长对,强弱波长的臭氧吸收截面差大于5×10-20cm2；相邻波长间的差值小于45nm。
2.根据权利要求1所述的臭氧激光雷达波长选择方法，其特征在于，大气后向散射引起的误差与成正比，其中Δλ为两个波长的差值，λoff为弱吸收波长，Δσ为强弱两个波长的吸收截面差。
3.根据权利要求1所述的臭氧激光雷达波长选择方法，其特征在于，所述波长能量大于5mJ，脉宽小于15ns。
4.根据权利要求1或2或3所述的臭氧激光雷达波长选择方法，其特征在于，所述发射光由多个激光器或激光器与拉曼管的组合提供。
5.根据权利要求1～4任一所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，将标准大气下臭氧在210nm～1010nm范围的吸收截面图根据臭氧吸收截面大小分为若干部分，选择吸收截面变化波动性小，同时存在臭氧吸收截面从低到高或从高到低的变化区域。
6.根据权利要求1～5任一所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，所选波长在230nm～350nm的范围内进行选择。
7.根据权利要求6所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，其中一个为固体激光器提供的266nm波长，另一个配对波长为通过拉曼管内不同的拉曼介质下产生的拉曼波长。
8.根据权利要求7所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，所述拉曼介质为氘气和/或氢气，或氘气与惰性气体或氢气与惰性气体的组合。
9.根据权利要求7或8所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，当拉曼管入射窗的焦距为50cm，拉曼介质为氘气时，气压为5～10个大气压。
10.根据权利要求7或8所述的臭氧激光雷达波长选择法，其特征在于，当拉曼管入射窗焦距为50cm，总气压为6～20大气压时，拉曼介质氢气与氘气的分压比为1:1～1:3。
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