CN111190193B - 紫外ccd光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及臭氧浓度高度廓线探测技术领域，尤其涉及紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机，所述第一激光器和第二激光器发射相近紫外波长，所述第一反射镜和第二反射镜反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机接收两个反射镜反射到大气后的光束。该发明的优点在于：使用的连续紫外激光器和CCD探测，比现有的仪器结构简单、价格便宜、操作使用方便。且光源的能量稳定性大大提高，很适合工程化应用，为防控城市臭氧污染提供技术手段和科学依据。

Description

紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法
技术领域
本发明涉及臭氧浓度高度廓线探测技术领域，尤其涉及紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法。
背景技术
目前探测臭氧浓度高度廓线的仪器是后向散射差分吸收激光雷达，探测原理是利用差分吸收方法，所需要的2束脉冲紫外激光一般是通过气体拉曼管产生的。具体的方法是266nm脉冲泵浦激光分别通过氘气和氢气拉曼管产生289nm和299nm两个波长的拉曼激光。不足之处是这一方法产生的拉曼激光能量稳定性较差，且拉曼管两端的窗口经常受到污染，这一不足严重影响了工程化应用，且这种系统的价格较昂贵。
目前CCD光束成像技术(又称侧向散射激光雷达技术)已成功应用于近地面的气溶胶消光系数和后向散射系数廓线的探测。但是还不能够实现高空中的臭氧浓度高度廓线。
发明内容
为了实现高空中的臭氧浓度高度廓线，为此，本发明提出紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法，本发明采用以下技术方案：
紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置，包括第一激光器、第二激光器、第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机，所述第一激光器和第二激光器发射相近紫外波长，所述第一反射镜和第二反射镜反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机接收两个反射镜反射到大气后的光束。
进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机下方设置有可三维转动的支撑部件。
进一步地，所述第一激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第一图像，第二激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第二图像，所述第一图像位于屏的正中央，所述第二图像与第一图像平行且与第一图像为设定间距。
进一步地，所述紫外CCD相机相应像素接收到第一激光器对应的第一波长λ1的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure BDA0002369801470000021
紫外CCD相机相应像素接收到第二激光器对应的第二波长λ2的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure BDA0002369801470000022
其中，z是高度，C是仪器系统常数，D是CCD相机到光束的垂直距离，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，Pλ(z,θ)是高度z、散射角为θ的散射光被一个像素接收到的散射光强度，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，αg(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，
Figure BDA0002369801470000023
是臭氧的浓度。
进一步地，还包括控制器，所述控制器与第一激光器、第二激光器、紫外CCD相机连接，将公式(1)和公式(2)进行差分处理，反演出臭氧浓度的廓线
Figure BDA0002369801470000024
使用上述的紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置的方法，控制器反演出臭氧浓度的廓线
Figure BDA0002369801470000025
包括以下步骤：
S1、控制器获得第一激光器、第二激光器分别发出的光束在紫外CCD相机的屏中对应形成的第一图像和第二图像；
S2、控制器将背景信号扣除，提取第一图像和第二图像对应的散射光信号强度；
S3、计算两束散射光各像素对应的高度；
S4、通过差分处理，反演出两个波长上气溶胶后向散射系数，计算第一激光器和第二激光器对应的两个波长上分子消光系数；
S5、反演计算出扣除气溶胶后向散射系数和分子消光系数干扰项的臭氧浓度廓线，并控制输出臭氧浓度廓线。
进一步地，调节所述第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机下方对应的可三维转动的支撑部件的步骤如下：
SA1、先通过目测，调节第一反射镜和第二反射镜下方的支撑部件，使第一激光器和第二激光器发出的光束之间的间隔在0.1-5m范围内，且保证光束竖直向上；
SA2、第一激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第一图像，调节紫外CCD相机下方的支撑部件，使第一图像位于紫外CCD相机的屏的正中央位置上；
SA3、第二激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第二图像，调节第二反射镜上下的支撑部件，使第二图像与第一图像平行且与第一图像相距40-100像素。
本发明的优点在于：
(1)本发明不仅仅能够实现探测臭氧浓度高度廓线，由于使用紫外CCD相机，这样相对于使用激光雷达，降低了成本。
(2)本发明是把CCD成像技术和差分探测原理相结合来探测臭浓度高度廓线的。但不是CCD成像技术和差分原理的简单叠加。主要理由在于：
a)CCD成像技术中，像点找对应的散射光点在空间高度方法不同：原有可见光的CCD相机探测气溶胶消光系数或后向散系数时，探测的是一束激光，且把激光束的像调整到可见光CCD相机的屏的正中央位置，这种情况下光束上的所有散射点和光束成像后所有像点都在一个平面内，这样可见光CCD相机上像点和对应的实际光束散射点的空间高度能很方便计算出。而本专利中利用是两束激光，两束光不可能同时都成像在紫外CCD相机的屏的正中央位置上。本发明是使第一图像位于紫外CCD相机屏的正中央位置上，且第二图像与第一图像平行且与第一图像相距40-100像素。在这种情况下，第二图像对应的光束的所有散射光点和成像后的所有像点是不在一个平面内的，故要找出通过像点计算所对应散射光点在空间高度的新方法。
b)差分原理反演臭氧浓度方法不同：原有的后向散射激光雷达差分反演臭氧浓度方法对本装置不适用。因为CCD光束成像的激光雷达方程与传统的望远镜探测激光雷达方程是不同的，故传统的差分吸收臭氧激光雷达反演方法在这里已不适用了。根据CCD光束成像探测激光雷达方程的特征，本发明实现了反演臭氧浓度垂直廓线的新方法。
c)CCD调光方法不同：原有可见光CCD相机探测气溶胶时，是对一束激光成像，光束的像调在屏的正中央，而本专利中是两束激光同时成像，第一图像保持在屏的正中央，第二图像与之平行。
(3)本发明使用连续激光代替脉冲激光，该技术中的激光光源采用连续工作方式，激光器在波长260nm--310nm范围内输出波长相差10nm左右的两束激光。传统激光雷达的激光是脉冲激光，大气后向散射光用望远镜接收。通过飞行时间的差异来确定空间距离分辨。如果改用连续激光，仍用望远镜接收则无法实现空间距离分辨。把连续激光和CCD成像联合在一起，不同像素接收不同高度上的大气散射光，这样就可以实现空间距离分辨。平均功率相等的连续激光器在体积上比脉冲激光器小得多、在价格上便宜得多。
(4)本发明使用紫外CCD成像代替望远镜接收，该技术中接收元件是紫外CCD相机，紫外CCD相机接收两束激光在大气中散射后所成的像。通过几何光学分别确定光束像上像素位置与大气中散射光元之间的对应关系。紫外CCD像素上灰度代表着大气中散射光的强度，像素的位置对应着大气散射光的高度，这样就实现了散射光强度的探测和高度分辨。用紫外CCD相机代替望远镜，价格上要便宜很多。
(5)结构、操作和软件上的创新，结构和操作上的创新，保证了本发明的硬件功能；软件上的创新实现了本专利的反演算法。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为本发明中控制器的工作流程图。
图中标注符号的含义如下：
1-第一激光器 2-第二激光器 3-第一反射镜 4-第二反射镜
5-紫外CCD相机 6-控制器
具体实施方式
如图1所示，紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一反射镜3、第二反射镜4、紫外CCD相机5、控制器6，所述第一激光器1和第二激光器2发射相近紫外波长，所述第一反射镜3和第二反射镜4反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机5接收两个反射镜反射到大气后的光束。所述控制器6与第一激光器1、第二激光器2、紫外CCD相机5连接。所述第一激光器1和第二激光器2的波长范围在260-310nm，第一激光器1对应的第一波长和第二激光器2对应的第二波长的波长差为8-12nm。在该方案中，第一波长和第二波长的波长差为10nm左右。
所述第一反射镜3、第二反射镜4、紫外CCD相机5下方设置有可三维转动的支撑部件。所述第一激光器1发出的光束在紫外CCD相机5的屏中成的像为第一图像，第二激光器2发出的光束在紫外CCD相机5的屏中成的像为第二图像，通过调节支撑部件，使所述第一图像位于屏的正中央，所述第二图像与第一图像平行且与第一图像为设定间距。
所述紫外CCD相机5相应像素接收到第一激光器1对应的第一波长λ1的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure BDA0002369801470000051
紫外CCD相机5相应像素接收到第二激光器2对应的第二波长λ2的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure BDA0002369801470000052
其中，z是高度，C是仪器系统常数，D是CCD相机到光束的垂直距离，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，Pλ(z,θ)是高度z、散射角为θ的散射光被一个像素接收到的散射光强度，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，αg(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，
Figure BDA0002369801470000053
是臭氧的浓度。
控制器6将公式(1)和公式(2)进行差分处理，反演出臭氧浓度的廓线
Figure BDA0002369801470000054
如图2所示，使用上述的紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置的方法，控制器6反演出臭氧浓度的廓线
Figure BDA0002369801470000055
包括以下步骤：
S1、控制器6获得第一激光器1、第二激光器2分别发出的光束在紫外CCD相机5的屏中对应形成的第一图像和第二图像；
S2、控制器6将背景信号扣除，提取第一图像和第二图像对应的散射光信号强度；
S3、计算两束散射光各像素对应的高度；
S4、通过差分处理，反演出两个波长上气溶胶后向散射系数，计算第一激光器1和第二激光器2对应的两个波长上分子消光系数；
S5、反演计算出扣除气溶胶后向散射系数和分子消光系数干扰项的臭氧浓度廓线，并控制输出臭氧浓度廓线。
调节所述第一反射镜3、第二反射镜4、紫外CCD相机5下方对应的可三维转动的支撑部件的步骤如下：
SA1、先通过目测，调节第一反射镜3和第二反射镜4下方的支撑部件，使第一激光器1和第二激光器2发出的光束之间的间隔在0.1-5m范围内，且保证光束竖直向上；
SA2、第一激光器1发出的光束在紫外CCD相机5的屏中成的像为第一图像，调节紫外CCD相机5下方的支撑部件，使第一图像位于紫外CCD相机5的屏的正中央位置上；
SA3、第二激光器2发出的光束在紫外CCD相机5的屏中成的像为第二图像，调节第二反射镜4上下的支撑部件，使第二图像与第一图像平行且与第一图像相距40-100像素。
目前我国臭氧污染问题逐渐显现，京津冀、长三角和珠三角区域尤为严重，为了精准防控，大气臭氧浓度高度廓线监测是第一步。本专利是用紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度近地面高度廓线。该装置使用的连续紫外激光器和CCD探测，比现有的仪器结构简单、价格便宜、操作使用方便。且光源的能量稳定性大大提高，很适合工程化应用，为防控城市臭氧污染提供技术手段和科学依据。
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 (4)

1.紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、紫外CCD相机(5)，所述第一激光器(1)和第二激光器(2)发射相近紫外波长，所述第一反射镜(3)和第二反射镜(4)反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机(5)接收两个反射镜反射到大气后的光束；
所述第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、紫外CCD相机(5)下方设置有可三维转动的支撑部件；
所述第一激光器(1)发出的光束在紫外CCD相机(5)的屏中成的像为第一图像，第二激光器(2)发出的光束在紫外CCD相机(5)的屏中成的像为第二图像，所述第一图像位于屏的正中央，所述第二图像与第一图像平行且与第一图像为设定间距；
所述紫外CCD相机(5)相应像素接收到第一激光器(1)对应的第一波长λ1的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure FDA0003177719000000011
紫外CCD相机(5)相应像素接收到第二激光器(2)对应的第二波长λ2的散射光强度与高度的关系满足公式如下：
Figure FDA0003177719000000012
其中，z是高度，C是仪器系统常数，D是CCD相机到光束的垂直距离，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，Pλ(z,θ)是高度z、散射角为θ的散射光被一个像素接收到的散射光强度，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，αg(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，
Figure FDA0003177719000000013
是臭氧的浓度；
还包括控制器(6)，所述控制器(6)与第一激光器(1)、第二激光器(2)、紫外CCD相机(5)连接，将公式(1)和公式(2)进行差分处理，反演出臭氧浓度的廓线
Figure FDA0003177719000000014
2.根据权利要求1所述的紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置，其特征在于，所述第一激光器(1)和第二激光器(2)的波长范围在260-310nm，第一激光器(1)对应的第一波长和第二激光器(2)对应的第二波长的波长差为8-12nm。
3.使用权利要求1-2任意一项所述的紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置的方法，其特征在于，控制器(6)反演出臭氧浓度的廓线
Figure FDA0003177719000000021
包括以下步骤：
S1、控制器(6)获得第一激光器(1)、第二激光器(2)分别发出的光束在紫外CCD相机(5)的屏中对应形成的第一图像和第二图像；
S2、控制器(6)将背景信号扣除，提取第一图像和第二图像对应的散射光信号强度；
S3、计算两束散射光各像素对应的高度；
S4、通过差分处理，反演出两个波长上气溶胶后向散射系数，计算第一激光器(1)和第二激光器(2)对应的两个波长上分子消光系数；
S5、反演计算出扣除气溶胶后向散射系数和分子消光系数干扰项的臭氧浓度廓线，并控制输出臭氧浓度廓线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，调节所述第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、紫外CCD相机(5)下方对应的可三维转动的支撑部件的步骤如下：
SA1、先通过目测，调节第一反射镜(3)和第二反射镜(4)下方的支撑部件，使第一激光器(1)和第二激光器(2)发出的光束之间的间隔在0.1-5m范围内，且保证光束竖直向上；
SA2、第一激光器(1)发出的光束在紫外CCD相机(5)的屏中成的像为第一图像，调节紫外CCD相机(5)下方的支撑部件，使第一图像位于紫外CCD相机(5)的屏的正中央位置上；
SA3、第二激光器(2)发出的光束在紫外CCD相机(5)的屏中成的像为第二图像，调节第二反射镜(4)上下的支撑部件，使第二图像与第一图像平行且与第一图像相距40-100像素。
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