CN110031427A - 一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达 - Google Patents

一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，包括：在电压‑频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压；根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对第i控制电压进行微调以对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定；将扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；采集待测环境的气体回波信号，以获取第一频率点至第N频率点相应的气体吸收数据；根据气体吸收数据确定待测类型的气体的浓度分布信息。通过波长可调谐连续激光器实现环境气体的扫描探测，降低激光雷达对光源的要求；在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，提高扫描探测精度。

Description

一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达
技术领域
本发明涉及激光遥感领域，更为具体地说，涉及一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达。
背景技术
大气气体成分探测对于研究气候气象变化、开展环境保护具有重要意义。特别是随着社会经济的高速发展，大气污染物的排放量已超出环境承载能力。现有的原位测量观测不足以量化全球的大气污染物排放，激光雷达方法是探测主动发射光脉冲的大气后向散射信号，能提供大气痕量气体的三维分布，由于其非接触式探测、时空分辨率高、探测距离远等特点，是大气气体成分探测的有效手段，能够探测到由于位置或安全问题而无法使用原位测量技术的区域。
激光雷达探测可分为多种方法，其中差分吸收激光雷达已实现大气中多种气体成分的探测，差分吸收激光雷达通常采用两个波长的激光，其中一个波长的激光在待测气体上的吸收截面强，另外一个波长的激光在待测气体上的吸收截面弱，通过分析这两路激光回波信号的比值，可确定不同距离处待测气体的浓度信息。差分吸收激光雷达根据需要探测的特定气体选择不同的激光波长，从而实现不同气体的探测，因此其对光源的要求高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，有效解决现有技术存在的问题，仅仅通过波长可调谐连续激光器即可实现环境气体的扫描探测，降低了激光雷达对光源的要求；并且，在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，进而能够避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，提高扫描探测精度。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种环境气体的扫描探测方法，包括：
在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；
根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；
采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；
根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
可选的，对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
可选的，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号包括：
按照所述逼近算法对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，待连续锁定次数达到90-110后，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号。
可选的，采集所述待测环境的气体回波信号包括：
通过脉冲累积方式采集所述待测环境的气体回波信号。
可选的，定义每一所述频率点的锁定过程为一扫描台阶；
其中，自相应所述吸收谱线的中心的扫描台阶至相应所述吸收谱线的两翼处的扫描台阶方向，扫描台阶相应的脉冲累积时间呈减小趋势。
可选的，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息，包括：
根据所述气体吸收数据获得不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线；
对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合；
通过查找数据库方式自拟合后的气体吸收线中获得不同距离处所述待测类型的气体的浓度信息。
可选的，对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合为：
通过galatry函数对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合。
可选的，所述第一频率点至所述第N频率点中任意相邻两个频率点的间隔相等。
可选的，所述预设波长扫描范围为根据所述待测类型的气体标定后的波长扫描范围。
相应的，本发明还提供了一种环境气体的扫描探测激光雷达，包括：波长可调谐连续激光器、控制处理模块和探测模块；
所述控制处理模块用于在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为所述波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；并根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
以及，所述探测模块用于将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境，并接收所述待测环境的气体回波信号；且所述控制处理模块采集所述待测环境的气体回波信号，且根据所述待测环境的气体回波信号获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
可选的，控制处理模块对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
可选的，所述控制处理模块包括：计算机、第一分束器、第一合束器、平衡探测器、计数器、探测器和采集卡；及，所述探测模块包括：斩波器、第一激光放大器、第二激光放大器、激光发射系统和望远镜；
其中，所述计算机与所述波长可调谐连续激光器的控制端相连，所述波长可调谐连续激光器的输出端与所述第一分束器的输入端相连，所述第一分束器的第一输出端与所述第一合束器的第一输入端相连，所述飞秒激光器的输出端与所述第一合束器的第二输入端相连，所述第一合束器的输出端与所述平衡探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述计数器的输入端相连，所述计数器的输出端与所述计算机相连；
以及，所述第一分束器的第二输出端与所述斩波器的输入端相连，所述斩波器的输出端与所述第一激光放大器的输入端相连，所述第一激光放大器的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述第二激光放大器的输出端与所述激光发射系统的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述探测器的输入端相连，所述探测器的输出端与所述采集卡的输入端相连，所述采集卡的输出端与所述计算机相连。
可选的，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：光调制单元、第二分束器、保偏光纤、衰减器、第二合束器、滤波片和低通滤波器；
所述第一激光放大器的输出端与所述光调制单元的输入端相连，所述光调制单元的输出端与所述第二分束器的输入端相连，所述第二分束器的第一输出端与所述保偏光纤的输入端相连，所述第二分束器的第二输出端与所述衰减器的输入端相连，所述衰减器的输出端与所述第二合束器的第一输入端相连，所述保偏光纤的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述滤波片的输入端相连，所述滤波片的输出端与所述第二合束器的第二输入端相连，所述第二合束器的输出端与所述探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述计数器的输入端相连。
可选的，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：第三分束器、ASE光源、气体腔、第三合束器和光谱仪；
所述第一分束器的第二输出端与所述第三分束器的输入端相连，所述第三分束器的第一输出端与所述斩波器的输入端相连，所述第三分束器的第二输出端与所述第三合束器的第一输入端相连，所述ASE光源的输出端与所述气体腔的输入端相连，所述气体腔存储有所述待测类型的气体，所述气体腔的输出端与所述第三合束器的第二输入端相连，所述第三合束器的输出端与所述光谱仪的输入端相连。
可选的，所述斩波器为脉冲发生器、声光调制器或点光调制器。
可选的，所述探测器为超导探测器。
可选的，所述激光发射系统与所述望远镜为收发分置结构；
或者，所述激光发射系统与所述望远镜为收发同轴结构。
可选的，光调制单元为强度调制器、声光调制器或光开关。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，包括：在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
由上述内容可知，本发明提供的技术方案，仅仅通过波长可调谐连续激光器即可实现环境气体的扫描探测，降低了激光雷达对光源的要求；并且，在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，进而能够避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，提高扫描探测精度。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种环境气体的扫描探测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种电压-频率扫描曲线的曲线图；
图3为本申请实施例提供的一种拍频频率锁定及对应光频变化的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种对任意一距离待测类型的气体的气体吸收线进行拟合后的曲线图；
图5为本申请实施例提供的一种环境气体的扫描探测激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
正如背景技术所述，激光雷达探测可分为多种方法，其中差分吸收激光雷达已实现大气中多种气体成分的探测，差分吸收激光雷达通常采用两个波长的激光，其中一个波长的激光在待测气体上的吸收截面强，另外一个波长的激光在待测气体上的吸收截面弱，通过分析这两路激光回波信号的比值，可确定不同距离处待测气体的浓度信息。差分吸收激光雷达根据需要探测的特定气体选择不同的激光波长，从而实现不同气体的探测，因此其对光源的要求高。
基于此，本申请实施例提供了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，有效解决现有技术存在的问题，仅仅通过波长可调谐连续激光器即可实现环境气体的扫描探测，降低了激光雷达对光源的要求；并且，在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，进而能够避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，提高扫描探测精度。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种环境气体的扫描探测方法的流程图，其中扫描探测方法包括：
S1、在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，即第i频率点对应第i控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；
S2、根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
S3、将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；
S4、采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；
S5、根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
本申请实施例通过在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压。可以理解的，通过调节波长可调谐连续激光器内部的压电陶瓷来控制电压，从而改变波长可调谐连续激光器的出射频率，出射频率随控制电压的变化若用曲线描述，便会出现类似磁滞回线形状的闭合曲线。磁滞回线表明了强磁性物质反复磁化过程中磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H之间的关系。当控制电压由小变大时，对应的出射频率沿较高的一条线由大变小；当控制电压由大变小时，对应的出射频率沿较低的一条线由小变大，此时除起点控制电压和终点控制电压外其他点的电压值均对应两个频率值。在本申请一实施例中，本申请提供的所述第一频率点至所述第N频率点中任意相邻两个频率点的间隔相等。
参考图2所示，为本申请实施例提供的一种电压-频率扫描曲线的曲线图，其中，实线的闭合曲线即为通过控制波长可调谐连续激光器的控制电压变化与其对应的频率变化的电压-频率扫描曲线，实线的闭合曲线表示整个波长可调谐连续激光器的控制电压扫描范围，点线表示整个控制电压扫描范围的2/3，点划线表示整个控制电压扫描范围的1/3。
由电压-频率描曲线可知，若以控制电压增大的方向为正，那么在不同的控制电压扫描范围下正方向对应的正向扫描曲线重合；若以控制电压减小的方向为正，那么在不同的控制电压扫描范围下正方向对应的扫描曲线也重合，因此可通过对整个扫描曲线进行曲线拟合，在曲线上得到多个频率与控制电压对应的点。
其中，本申请实施例提供的图2以控制电压增大的方向为正示例，空心圆圈表示在电压-频率扫描曲线上取的一系列等间隔的频率点及其对应的控制电压，对此可以通过计算机将波长可调谐连续激光器的实际控制电压按所取的控制电压变化并进行扫描。
由此，电压-频率扫描曲线包括控制电压由小到大对应的正向扫描线和控制电压由大到小的反向扫描线；进而，在扫描探测过程中，先对控制电压由小到大进行控制，待完成正向扫描线的扫描后，再对控制电压由大到小进行控制，进而完成反向扫描线的扫描。即，通过对控制电压进行由小变大的方向进行频率的扫描，待实际控制电压到达选取的第一控制电压至第N控制电压中的控制电压后开始进行频率锁定，锁定的过程中控制电压在该位置处来回振荡，电压值的变化很小，可看成线性过程，单个频率点的锁定过程可以被定义为一个扫描台阶。待完成整个正向扫描线的扫描后，开始反向控制电压的值，使控制电压由大变小的方向回到初始控制电压位置，同样待实际控制电压到达选取的第一控制电压至第N控制电压中的控制电压后开始进行频率锁定，进而完成反向扫描线的扫描，完成反向扫描线后对应的频率也为初始频率值，进而再继续下一次探测扫描过程。
其中，由于同一预设波长扫描范围相应的电压-频率扫描曲线相同，进而可以重复使用该电压-频率扫描曲线进行扫描探测。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，仅仅通过波长可调谐连续激光器即可实现环境气体的扫描探测，降低了激光雷达对光源的要求；并且，在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，进而能够避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，提高扫描探测精度。
在本申请一实施例中，可以通过对波长可调谐连续激光器和飞秒激光器的拍频频率监测和锁定，实现对扫描连续光的频率进行锁定。即，对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。其中，本申请实施例提供的预设次数可以为3次，使得频率锁定效果更佳。
可以理解的，本申请实施例提供的拍频频率监测和锁定，可以采用计数器对波长可调谐连续激光器的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率进行监测，而后计数器将监测结果发送至计算机进行处理，计算机判断实际拍频频率与锁定拍频频率的差异，而后采用逼近算法的方式，对控制电压进行微调，最终实现拍频频率锁定的目的，进而能够达到使波长可调谐连续激光器的扫描连续光的频率锁定的目的；其中，通过计数器和计算机实现扫描连续光的频率锁定的控制，能够有效的避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，从而提高扫描探测精度。
参考图3所示，为本申请实施例提供的一种拍频频率锁定及对应光频变化的示意图，其中，图3(a)表示以控制电压控制波长可调谐连续激光器输出的检测连续光，与飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率进行锁定的过程，图3中仅以图2中电压-频率扫描曲线上前三个空心圆圈示例，step1、step2和step3表示分别3个拍频频率锁定过程，每个step中间的过程为频率步进的过程；如图3(b)所示，每经过一次拍频频率锁定的step，波长可调谐连续激光器的光频率就会按照设定的图2的电压-频率扫描曲线上空心圆圈对应的值变化。
进一步的，本申请实施例提供的采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号包括：
按照所述逼近算法对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，待连续锁定次数达到90-110后，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号。
可以理解的，本申请按照逼近算法对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，即按照逼近算法对波长可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率进行锁定，待连续锁定次数达到n次后开始延时进行脉冲累积来采集待测环境的气体回波信号，其中，n为90-110，包括端点值，此时待测环境的气体回波信号稳定性和效率均能达到比较好的效果。
在本申请一实施例中，本申请提供的采集所述待测环境的气体回波信号包括：
通过脉冲累积方式采集所述待测环境的气体回波信号。
进一步的，定义每一所述频率点的锁定过程为一扫描台阶；
其中，自相应所述吸收谱线的中心的扫描台阶至相应所述吸收谱线的两翼处的扫描台阶方向，扫描台阶相应的脉冲累积时间呈减小趋势。其中，每个扫描台阶的脉冲累积时间不同，位于吸收谱线两翼处的扫描台阶的脉冲累积时间较吸收谱线中心的扫描台阶的脉冲累积时间短，在时域上实现非均匀采样，进而能够提高信噪比。其中，靠近吸收谱线中心的所有扫描台阶的脉冲累积时间，为位于吸收谱线两翼处的所有扫描台阶的脉冲累积时间的二至三倍，对此靠近吸收谱线中心的和位于吸收谱线两翼处的扫描台阶数量不做具体限制。若扫描台阶为30个，则靠近吸收谱线中心的15个扫描台阶的累积时间是前7个和后8个扫描台阶的累积时间2～3倍。
在本申请一实施例中，本申请提供的根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息，包括：
根据所述气体吸收数据获得不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线；
对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合；
通过查找数据库方式自拟合后的气体吸收线中获得不同距离处所述待测类型的气体的浓度信息。
参考图4所示，为本申请实施例提供的一种对任意一距离待测类型的气体的气体吸收线进行拟合后的曲线图，图4(a)中的圆圈表示在某一距离处的待测类型的气体的气体吸收线，实线表示对某一距离处的待测类型的气体的气体吸收线进行拟合获得的结果，对此，可通过对比数据库获得不同气体的浓度信息。以及，通过监测波长可调谐连续激光器和飞秒激光器的拍频频率，如图4(b)所示，再结合电压-频率扫描曲线上控制电压对应的频率可确定出射激光的频率，由此对每个扫描台阶对应的控制电压进行微调来抑制波长可调谐连续激光器的频率漂移。
可选的，本申请实施例提供的对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合为：
通过galatry函数对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合。
对应于上述任意一实施例提供的扫描探测方法，本申请实施例还提供了一种环境气体的扫描探测激光雷达，其中，本申请实施例提供的激光雷达包括：波长可调谐连续激光器、控制处理模块和探测模块；
所述控制处理模块用于在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为所述波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；并根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
以及，所述探测模块用于将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境，并接收所述待测环境的气体回波信号；且所述控制处理模块采集所述待测环境的气体回波信号，且根据所述待测环境的气体回波信号获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
在本申请一实施例中，本申请提供的控制处理模块对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
参考图5所示，为本申请实施例提供的一种环境气体的扫描探测激光雷达的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述控制处理模块包括：计算机110、第一分束器120、第一合束器130、平衡探测器140、计数器150、探测器160和采集卡170；及，所述探测模块包括：斩波器210、第一激光放大器220、第二激光放大器230、激光发射系统240和望远镜250；
其中，所述计算机110与所述波长可调谐连续激光器300的控制端相连，所述波长可调谐连续激光器300的输出端与所述第一分束器120的输入端相连，所述第一分束器120的第一输出端与所述第一合束器130的第一输入端相连，所述飞秒激光器400的输出端与所述第一合束器130的第二输入端相连，所述第一合束器130的输出端与所述平衡探测器140的输入端相连，所述平衡探测器140的输出端与所述计数器150的输入端相连，所述计数器150的输出端与所述计算机110相连；
以及，所述第一分束器120的第二输出端与所述斩波器210的输入端相连，所述斩波器210的输出端与所述第一激光放大器220的输入端相连，所述第一激光放大器220的输出端与所述第二激光放大器230的输入端相连，所述第二激光放大器230的输出端与所述激光发射系统240的输入端相连，所述望远镜250的输出端与所述探测器160的输入端相连，所述探测器160的输出端与所述采集卡170的输入端相连，所述采集卡170的输出端与所述计算机110相连。
可以理解的，本申请实施例提供的环境气体的扫描探测激光雷达，计算机在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，而后开始以电压-频率扫描曲线相应的控制电压对波长可调谐连续激光器进行控制；计算机在以控制电压由小到大后再由大到小对波长可调谐连续激光器进行控制的过程中，可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的检测连续光(由第一分束器对可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的连续光分束得到)和飞秒激光器输出的飞秒激光通过第一合束器进行合束，而后传输至平衡探测器中；进而通过计数器监测波长可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，且将该实际拍频频率发送至计算机；计算机采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
同时，斩波器对波长可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的扫描连续光(由第一分束器对可调谐连续激光器在第i控制电压下输出的连续光分束得到)进行斩波后输出扫描脉冲光；扫描脉冲光进入第一激光放大器进行预放大，而后进入第二激光放大器进行二次放大后经由激光发射系统出射到待测环境中进行探测；以及，探测器通过望远镜探测待测环境的气体回波信号，且将该气体回波信号传输至采集卡进行采集；采集卡根据待测环境的气体回波信号采集所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据，将采集到的气体吸收数据发送至计算机，计算机根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
需要说明的是，本申请实施例提供的电压-频率扫描曲线，可以通过计算机控制波长可调谐连续激光器的控制电压变化，来控制调谐连续激光器的输出频率变化，进而得到整个预设波长扫描范围内的电压-频率扫描曲线。
进一步的，为了提高激光类的扫描探测效果，参考图5所示，本申请实施例提供的所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：光调制单元510、第二分束器520、保偏光纤530、衰减器540、第二合束器550、滤波片560和低通滤波器570；
所述第一激光放大器220的输出端与所述光调制单元510的输入端相连，所述光调制单元510的输出端与所述第二分束器520的输入端相连，所述第二分束器520的第一输出端与所述保偏光纤530的输入端相连，所述第二分束器520的第二输出端与所述衰减器540的输入端相连，所述衰减器540的输出端与所述第二合束器550的第一输入端相连，所述保偏光纤530的输出端与所述第二激光放大器230的输入端相连，所述望远镜250的输出端与所述滤波片560的输入端相连，所述滤波片560的输出端与所述第二合束器550的第二输入端相连，所述第二合束器550的输出端与所述探测器160的输入端相连，所述平衡探测器140的输出端与所述低通滤波器570的输入端相连，所述低通滤波器570的输出端与所述计数器150的输入端相连。
可以理解的，本申请实施例提供的光调制单元用于提高消光比，其中，光调制单元可以为强度调制器、声光调制器或光开关。以及，衰减器是为了将参考光(第二分束器输出的一分束光)与出射到待测环境中的光作对比，进而通过采集卡监测参考光的波动来对待测环境的气体回波信号进行校正，提高测量精度；而保偏光纤则用于延时而便于更好的对参考光进行对比。滤光片用于滤除掉不在波长可调谐连续激光器出射范围内的光，进而便于在白天进行扫描探测；其中，保偏光纤为1km保偏光纤。以及，低通滤波器为了滤除多余拍频信号便于更好的数据处理。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述斩波器为脉冲发生器、声光调制器或点光调制器。及，所述探测器为超导探测器。以及，本申请实施例提供的所述激光发射系统与所述望远镜为收发分置结构；
或者，所述激光发射系统与所述望远镜为收发同轴结构
进一步的，为了对波长可调谐连续激光器的出光进行优化，本申请实施例可以对预设波长扫描范围进行标定处理。即，所述预设波长扫描范围为根据所述待测类型的气体标定后的波长扫描范围。
对于标定结构，参考图5所示，本申请实施例提供的所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：第三分束器610、ASE光源620、气体腔630、第三合束器640和光谱仪650；
所述第一分束器120的第二输出端与所述第三分束器610的输入端相连，所述第三分束器610的第一输出端与所述斩波器210的输入端相连，所述第三分束器610的第二输出端与所述第三合束器640的第一输入端相连，所述ASE光源620的输出端与所述气体腔630的输入端相连，所述气体腔630存储有所述待测类型的气体，所述气体腔630的输出端与所述第三合束器640的第二输入端相连，所述第三合束器640的输出端与所述光谱仪650的输入端相连。
可以理解的，本申请实施例提供的ASE光源出射的光经过气体腔，而后从气体腔中输出的光通过光谱仪显示待测类型的气体的吸收谱线；同时，将从波长可调谐连续激光器出射的部分光(通过第一分束器和第三分束器分束后的光)接入光谱仪，进而通过调节波长可调谐连续激光器的波长使其在覆盖吸收谱线的预设波长扫描范围内变化。
本申请实施例提供了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，包括：在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，仅仅通过波长可调谐连续激光器即可实现环境气体的扫描探测，降低了激光雷达对光源的要求；并且，在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，进而能够避免波长可调谐连续激光器的光源波长漂移而导致探测误差的情况出现，提高扫描探测精度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种环境气体的扫描探测方法，其特征在于，包括：
在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；
根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；
采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；
根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
2.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
3.根据权利要求2所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号包括：
按照所述逼近算法对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，待连续锁定次数达到90-110后，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号。
4.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，采集所述待测环境的气体回波信号包括：
通过脉冲累积方式采集所述待测环境的气体回波信号。
5.根据权利要求4所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，定义每一所述频率点的锁定过程为一扫描台阶；
其中，自相应所述吸收谱线的中心的扫描台阶至相应所述吸收谱线的两翼处的扫描台阶方向，扫描台阶相应的脉冲累积时间呈减小趋势。
6.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息，包括：
根据所述气体吸收数据获得不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线；
对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合；
通过查找数据库方式自拟合后的气体吸收线中获得不同距离处所述待测类型的气体的浓度信息。
7.根据权利要求6所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合为：
通过galatry函数对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合。
8.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，所述第一频率点至所述第N频率点中任意相邻两个频率点的间隔相等。
9.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，所述预设波长扫描范围为根据所述待测类型的气体标定后的波长扫描范围。
10.一种环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，包括：波长可调谐连续激光器、控制处理模块和探测模块；
所述控制处理模块用于在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为所述波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；并根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；
以及，所述探测模块用于将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境，并接收所述待测环境的气体回波信号；且所述控制处理模块采集所述待测环境的气体回波信号，且根据所述待测环境的气体回波信号获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。
11.根据权利要求10所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，控制处理模块对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：
监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；
采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。
12.根据权利要求11所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述控制处理模块包括：计算机、第一分束器、第一合束器、平衡探测器、计数器、探测器和采集卡；及，所述探测模块包括：斩波器、第一激光放大器、第二激光放大器、激光发射系统和望远镜；
其中，所述计算机与所述波长可调谐连续激光器的控制端相连，所述波长可调谐连续激光器的输出端与所述第一分束器的输入端相连，所述第一分束器的第一输出端与所述第一合束器的第一输入端相连，所述飞秒激光器的输出端与所述第一合束器的第二输入端相连，所述第一合束器的输出端与所述平衡探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述计数器的输入端相连，所述计数器的输出端与所述计算机相连；
以及，所述第一分束器的第二输出端与所述斩波器的输入端相连，所述斩波器的输出端与所述第一激光放大器的输入端相连，所述第一激光放大器的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述第二激光放大器的输出端与所述激光发射系统的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述探测器的输入端相连，所述探测器的输出端与所述采集卡的输入端相连，所述采集卡的输出端与所述计算机相连。
13.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：光调制单元、第二分束器、保偏光纤、衰减器、第二合束器、滤波片和低通滤波器；
所述第一激光放大器的输出端与所述光调制单元的输入端相连，所述光调制单元的输出端与所述第二分束器的输入端相连，所述第二分束器的第一输出端与所述保偏光纤的输入端相连，所述第二分束器的第二输出端与所述衰减器的输入端相连，所述衰减器的输出端与所述第二合束器的第一输入端相连，所述保偏光纤的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述滤波片的输入端相连，所述滤波片的输出端与所述第二合束器的第二输入端相连，所述第二合束器的输出端与所述探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述计数器的输入端相连。
14.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：第三分束器、ASE光源、气体腔、第三合束器和光谱仪；
所述第一分束器的第二输出端与所述第三分束器的输入端相连，所述第三分束器的输入端与所述第一分束器的第一输出端相连，所述第三分束器的第一输出端与所述斩波器的输入端相连，所述第三分束器的第二输出端与所述第三合束器的第一输入端相连，所述ASE光源的输出端与所述气体腔的输入端相连，所述气体腔存储有所述待测类型的气体，所述气体腔的输出端与所述第三合束器的第二输入端相连，所述第三合束器的输出端与所述光谱仪的输入端相连。
15.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述斩波器为脉冲发生器、声光调制器或点光调制器。
16.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述探测器为超导探测器。
17.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述激光发射系统与所述望远镜为收发分置结构；
或者，所述激光发射系统与所述望远镜为收发同轴结构。
18.根据权利要求13所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，光调制单元为强度调制器、声光调制器或光开关。
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