CN110967704B - 多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置 - Google Patents

多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置，该激光雷达装置包括激光发射单元：能同时发射1572nm、1064nm和532nm三个波长激光的双脉冲激光器和发射扩束镜；接收望远镜系统；视轴监测模块；光电探测单元；数据采集处理单元。本发明在一套激光雷达系统中利用一套同时输出三波长激光的激光器，同时采用了光学差分吸收方法和高光谱分辨探测方法，可以同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线，在高精度获取温室气体二氧化碳的浓度同时实现气溶胶的高精度监测。

Description

多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达 系统装置
技术领域
本发明属于激光雷达领域，尤其涉及多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置。
背景技术
二氧化碳气体是影响全球气候变暖的主要气体，气溶胶影响大气能见度，对地球的辐射平衡有直接和间接作用，同时也影响全球气候变化，因此同时研究并长期实时观测二氧化碳气体浓度变化及气溶胶垂直廓线对气象预测、全球辐射平衡及大气污染有重大意义。大气探测激光雷达是研究大气二氧化碳浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，然而大多数激光雷达系统只能探测一种气体且由于系统重量、体积限制等因素只能用于地基测试。能够同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线并且可以进行机载或星载探测实现全天实时大范围测量的激光雷达系统还未出现。
发明内容
本发明的目的在于克服一个气体测量雷达装置只能测量一种气体的不足，提供一种可以同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的多波长激光雷达系统装置。该装置适用于地基、机载和星载平台，可以实现高精度、高分辨率气体浓度测量，同时可以满足全天实时大范围测量的需求。
本发明的基本原理是基于种子注入技术结合锁频、非线性光学技术获得多个波长(532/1064/1572nm)的光源。通过测量1572nm的online和offline光的发射能量和接收能量，结合距离信息利用积分路径差分吸收的方法获得大气二氧化碳浓度，利用高光谱分辨探测的方法获得气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线，同时利用激光飞行时间测量方法获得目标的距离。
本发明技术解决方案如下：
一种多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统，包括1064nm种子激光器，1572nm种子激光器，三波长激光器(532/1064/1572nm)，发射扩束镜，接收望远镜系统，视轴监视模块，中继光学单元，光电探测单元，积分球，准直镜，第一分光镜，第二分光镜，第三分光镜，数据采集处理单元、反光镜；光电探测单元，包括第四分光镜，第五分光镜，第六分光镜，1572nm探测光学单元，1064nm探测光学单元，532nm偏振探测光学单元，532nm高光谱探测光学单元，532nm平行偏振探测光学单元，窄带滤波器，偏振分光镜，高光谱滤波器，1572nm探测器，1064nm探测器，532nm偏振接收探测器，532nm高光谱接收探测器，532nm平行偏振接收探测器。上述元部件的位置关系如下：
所述的1064nm种子激光器、1572nm种子激光器输出端口通过光纤与三波长激光器的输入端口相连，所述的三波长激光器发出的1572nm光束经所述的第一分光镜分为两路光束，一路光经第二分光镜分为两路光束后其中一路经所述的积分球、准直镜射入所述的光电探测单元而另一路光经所述的反光镜后射入所述的视轴监视模块，另一路光与三波长激光器发出的532nm、1064nm光束同时经所述的发射扩束镜入射到大气中，大气或地面散射的532/1064/1572nm三波长回波信号经所述的接收望远镜系统接收后被视场分割的第三分光镜分为两路光束，一路光射入所述的视轴监视模块，另一路光经所述的中继光学单元射入所述的光电探测单元，所述的光电探测单元的输出端与数据采集处理单元的输入端相连。
所述的光电探测单元中，经过所述的积分球、准直镜的1572nm光入射到所述的第四分光镜上，经该第四分光镜和所述的1572nm探测光学单元后射入所述的1572nm探测器，经过所述的中继光学单元的三波长光束入射到第四分光镜上被分为1572nm和532nm、1064nm两路光束，一路1572nm光束经所述的1572nm探测光学单元射入1572nm探测器，另一路532nm和1064nm光束经所述的第五分光镜分为532nm和1064nm两路光束，一路1064nm光经所述的1064nm探测光学单元射入所述的1064nm探测器，另一路532nm光经入射到所述的偏振分光镜，经该偏振分光镜分为532nm垂直光和平行光两路光束，一路532nm垂直光经过所述的532nm偏振探测光学单元射入所述的532nm偏振接收探测器，另一路532nm平行光经所述的第六分光镜分为两路光束，一路光依次经过所述的高光谱滤波器、532nm高光谱探测光学单元射入所述的532nm高光谱接收探测器，另一路光经所述的532nm平行偏振探测光学单元射入所述的532nm平行偏振接收探测器。
所述多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统还包括1572nm激光锁频单元，其输出端口通过光纤与三波长激光器的输入端口相连，提高1572nm激光频率的稳定性。
所述的视轴监视模块由分光模块和CCD组成，其作用是监测发射和接收两路光之间的夹角，调节发射与接收系统光轴的平行度，使发射光轴与接收视场匹配。
所述中继光学单元对光路进行准直，接收望远镜系统接收到的会聚光经中继光学单元变成平行光。
所述多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统还包括窄带滤波器，所述窄带滤波器可以设置在第五分光镜与偏振分光镜之间，滤除532nm以外的杂散光，降低背景噪声。
所述1572nm探测光学单元、1064nm探测光学单元中包含相应波段的窄带滤光片，其可以降低太阳背景辐射和其他杂散光的干扰，提高信噪比，实现全天时实时高精度测量。
所述的望远镜系统为收发光轴平行的接收望远镜系统；所述的数据采集处理单元包括采集卡和数据预处理模块；所述的1572nm探测器、1064nm探测器可以是APD探测器；所述的532nm探测器可以是PMT探测器。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的多波长激光雷达系统，在一套激光雷达系统中同时采用了光学差分吸收方法和高光谱分辨探测方法，可以同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线，在高精度获取温室气体二氧化碳的浓度的同时实现气溶胶的高精度监测，而不用像传统的气溶胶探测激光雷达需要假定激光雷达比来反演气溶胶光学参数，从而带来较大的误差；
2、本发明的多波长激光雷达系统适用于地基、机载和星载平台，可以开展大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的全球范围实时高精度测量，有助于研究碳循环，同时可以通过气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线进一步对气溶胶进行分类，在环境立体监测中具有重要应用；
3、本发明的多波长激光雷达系统采用主动探测方法，一个激光源同时输出532/1064/1572nm三波长激光，可以同时在白天和晚上工作，各探测光学单元包含相应波段的窄带滤光片可以降低太阳背景辐射，提高信噪比，实现全天实时高精度测量。
附图说明
图1为本发明基于多波长测量二氧化碳浓度及气溶胶垂直轮廓的激光雷达系统装置整体结构框图。图中：1—1064nm种子激光器、2—1572nm种子激光器、3—1572nm激光锁频单元、4—三波长激光器、5—发射扩束镜、6—接收望远镜系统、7—视轴监视模块、8—中继光学单元、9—光电探测单元、10—积分球、11—准直镜、12—第一分光镜、13—第二分光镜、14—第三分光镜、15—数据采集处理单元、16—反光镜。
图2为本发明的光电探测单元结构框图。图中：9-1—第四分光镜、9-2—第五分光镜、9-3—第六分光镜、9-4—1572nm探测光学单元、9-5—1064nm探测光学单元、9-6—532nm偏振探测光学单元、9-7—532nm高光谱探测光学单元、9-8—532nm平行偏振探测光学单元、9-9—窄带滤波器、9-10—偏振分光镜、9-11—高光谱滤波器、9-12—1572nm探测器、9-13—1064nm探测器、9-14—532nm偏振接收探测器、9-15—532nm高光谱接收探测器、9-16—532nm平行偏振接收探测器。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。图1为本发明基于多波长测量二氧化碳浓度及气溶胶垂直轮廓的激光雷达系统装置整体结构框图，如图1所示，多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统包括1064nm种子激光器1，1572nm种子激光器2，1572nm激光锁频单元3，三波长激光器(532/1064/1572nm)4，发射扩束镜5，接收望远镜系统6，视轴监视模块7，中继光学单元8，光电探测单元9，积分球10，准直镜11，第一分光镜12，第二分光镜13，第三分光镜14，数据采集处理单元15，反光镜16；光电探测单元，包括第四分光镜9-1，第五分光镜9-2，第六分光镜9-3，1572nm探测光学单元9-4，1064nm探测光学单元9-5，532nm偏振探测光学单元9-6，532nm高光谱探测光学单元9-7，532nm平行偏振探测光学单元9-8，窄带滤波器9-9，偏振分光镜9-10，高光谱滤波器9-11，1572nm探测器9-12，1064nm探测器9-13，532nm偏振接收探测器9-14，532nm高光谱接收探测器9-15，532nm平行偏振接收探测器9-16。上述元部件的位置关系如下：
所述的1064nm种子激光器1、1572nm种子激光器2、1572nm激光锁频单元3的输出端口通过光纤与三波长激光器4的输入端口相连，所述的三波长激光器4发出的1572nm光束经所述的第一分光镜12分为两路光束，一路光经第二分光镜13分为两路光束后其中一路经所述的积分球10、准直镜11射入所述的光电探测单元9而另一路光经所述的反光镜16后射入所述的视轴监视模块7，另一路光与三波长激光器4发出的532nm、1064nm光束同时经所述的发射扩束镜5入射到大气中，大气或地面散射的532/1064/1572nm三波长回波信号经所述的接收望远镜系统6接收后被视场分割的第三分光镜14分为两路光束，一路光射入所述的视轴监视模块7，另一路光经所述的中继光学单元8射入所述的光电探测单元9，所述的光电探测单元9的输出端与数据采集处理单元15的输入端相连。
所述的光电探测单元9中，经过所述的积分球10、准直镜11的1572nm光入射到所述的第四分光镜9-1上，经该第四分光镜9-1和所述的1572nm探测光学单元9-4后射入所述的1572nm探测器9-12，经过所述的中继光学单元8的三波长光束入射到第四分光镜9-1上被分为1572nm和532nm、1064nm两路光束，一路1572nm光束经所述的1572nm探测光学单元9-4射入1572nm探测器9-12，另一路532nm和1064nm光束经所述的第五分光镜9-2分为532nm和1064nm两路光束，一路1064nm光经所述的1064nm探测光学单元9-5射入所述的1064nm探测器9-13，另一路532nm光经所述的窄带滤波器9-9入射到所述的偏振分光镜9-10，经该偏振分光镜9-10分为532nm垂直光和平行光两路光束，一路532nm垂直光经过所述的532nm偏振探测光学单元9-6射入所述的532nm偏振接收探测器9-14，另一路532nm平行光经所述的第六分光镜9-3分为两路光束，一路光依次经过所述的高光谱滤波器9-11、532nm高光谱探测光学单元9-7射入所述的532nm高光谱接收探测器9-15，另一路光经所述的532nm平行偏振探测光学单元9-8射入所述的532nm平行偏振接收探测器9-16。
本发明实施的基于多波长测量二氧化碳及气溶胶浓度的激光雷达系统具体流程是：
①通过第四分光镜9-1将由接收望远镜系统6接收的1572nm回波信号与由积分球10准直镜11输出1572nm的监测信号同时经过1572nm探测光学单元9-4入射到1572nm探测器9-12中，得到回波信号1572nm online和1572nm offline光能量分别为E1和E2，监测信号1572nm online和1572nm offline光能量分别为E3和E4，则大气二氧化碳柱线浓度为
Figure BDA0001818738490000051
Figure BDA0001818738490000052
其中IWF是与二氧化碳分子吸收截面相关的权重函数且与大气温湿压以及激光工作波长有关。
②通过第五分光镜9-2对532nm与1064nm进行分光，可以得到532nm光依次经过窄带滤波器9-9、偏振分光镜9-10、532nm偏振探测光学单元9-6入射到532nm偏振接收探测器9-14中的垂直偏振通道后向散射功率
Figure BDA0001818738490000069
依次经过窄带滤波器9-9、偏振分光镜9-10、高光谱滤波器9-11、532nm高光谱探测光学单元9-7入射到532nm高光谱接收探测器9-15中的高光谱通道后向散射功率
Figure BDA0001818738490000061
依次经过窄带滤波器9-9、偏振分光镜9-10、532nm平行偏振探测光学单元9-8入射到532nm平行偏振接收探测器9-16中的水平偏振通道后向散射功率
Figure BDA0001818738490000062
利用雷达方程
Figure BDA0001818738490000063
Figure BDA0001818738490000064
Figure BDA0001818738490000065
及
Figure BDA0001818738490000066
可得气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线，其中K1、K2、K3分别为三个通道系统常量，
Figure BDA0001818738490000067
分别为垂直通道的分子和气溶胶的后向散射系数，
Figure BDA0001818738490000068
分别为平行通道的分子和气溶胶的后向散射系数，αm和αa分别为分子和气溶胶的消光系数，Tm和Ta分别为分子和气溶胶通过高光谱滤波器的透光率。

Claims (5)

1.一种多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置，其特征在于，所述装置包括1064nm种子激光器(1)、1572nm种子激光器(2)、三波长激光器(4)、发射扩束镜(5)、接收望远镜系统(6)、视轴监视模块(7)、中继光学单元(8)、光电探测单元(9)、积分球(10)、准直镜(11)、第一分光镜(12)、第二分光镜(13)、第三分光镜(14)、数据采集处理单元(15)、反光镜(16)；光电探测单元(9)包括第四分光镜(9-1)、第五分光镜(9-2)、第六分光镜(9-3)、1572nm探测光学单元(9-4)、1064nm探测光学单元(9-5)、532nm偏振探测光学单元(9-6)、532nm高光谱探测光学单元(9-7)、532nm平行偏振探测光学单元(9-8)、偏振分光镜(9-10)、高光谱滤波器(9-11)、1572nm探测器(9-12)、1064nm探测器(9-13)、532nm偏振接收探测器(9-14)、532nm高光谱接收探测器(9-15)、532nm平行偏振接收探测器(9-16)；其中：
所述的1064nm种子激光器(1)、1572nm种子激光器(2)的输出端口通过光纤与三波长激光器(4)的输入端口相连，所述的三波长激光器(4)发出的1572nm光束经所述的第一分光镜(12)分为两路光束，由所述第一分光镜(12)光分出的一路光经第二分光镜(13)分为两路光束后，其中由所述第二分光镜(13)分出的一路经所述的积分球(10)、准直镜(11)射入所述的光电探测单元(9)， 而由所述第二分光镜(13)分出的另一路光经所述的反光镜(16)后射入所述的视轴监视模块(7)，由所述第一分光镜(12)光分出的另一路光与三波长激光器(4)发出的532nm、1064nm光束同时经所述的发射扩束镜(5)入射到大气中，大气或地面散射的532/1064/1572nm三波长回波信号经所述的接收望远镜系统(6)接收后被视场分割的第三分光镜(14)分为两路光束，一路光射入所述的视轴监视模块(7)，另一路光经所述的中继光学单元(8)射入所述的光电探测单元(9)，所述的光电探测单元(9)的输出端与数据采集处理单元(15)的输入端相连；
所述的光电探测单元(9)中，经过所述的积分球(10)、准直镜(11)的1572nm光入射到所述的第四分光镜(9-1)上，经该第四分光镜(9-1)和所述的1572nm探测光学单元(9-4)后射入所述的1572nm探测器(9-12)，经过所述的中继光学单元(8)的三波长光束入射到第四分光镜(9-1)上被分为两路光束，一路为1572nm光束，另一路为532nm和1064nm光束，一路1572nm光束经所述的1572nm探测光学单元(9-4)射入1572nm探测器(9-12)，另一路532nm和1064nm光束经所述的第五分光镜(9-2)分为532nm和1064nm两路光束，一路1064nm光经所述的1064nm探测光学单元(9-5)射入所述的1064nm探测器(9-13)，另一路532nm光入射到所述的偏振分光镜(9-10)，经该偏振分光镜(9-10)分为532nm垂直光和平行光两路光束，一路532nm垂直光经过所述的532nm偏振探测光学单元(9-6)射入所述的532nm偏振接收探测器(9-14)，另一路532nm平行光经所述的第六分光镜(9-3)分为两路光束，一路光依次经过所述的高光谱滤波器(9-11)、532nm高光谱探测光学单元(9-7)射入所述的532nm高光谱接收探测器(9-15)，另一路光经所述的532nm平行偏振探测光学单元(9-8)射入所述的532nm平行偏振接收探测器(9-16)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的三波长激光器(4)为同时输出532nm、1064nm、1572nm三个波长的多波长激光器并且1572nm脉冲光波长与1572nm种子激光器(2)波长锁定，1064nm脉冲光波长与1064nm种子激光器波长锁定。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括1572nm激光锁频单元(3)，它与所述三波长激光器(4)相连，用于稳定所述三波长激光器(4)的输出波长。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括窄带滤波器(9-9)，经所述的第五分光镜(9-2)分光后的532nm光束通过所述窄带滤波器(9-9)，所述窄带滤波器(9-9)用于避免除532nm光束外的其他背景光进入后续光路。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置同时采用了光学差分吸收方法和高光谱分辨探测技术方法，最终同时实现大气二氧化碳浓度和气溶胶垂直廓线测量。
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