CN111596311A - 探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统及反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；本发明还公开了一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，本发明能够对大气中生物气溶胶的相对数浓度进行探测。
Description
技术领域
本发明属于激光主动遥感探测技术领域，涉及一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，本发明还涉及上述系统的大气反演方法。
背景技术
生物气溶胶作为大气气溶胶的一个重要组成部分，在大气中的传播、扩散会引发人类的急慢性疾病以及动植物疾病。生物气溶胶还可以间接影响全球气候变化，并在大气化学和物理过程中有着潜在的影响。大气生物气溶胶光学特性的实时探测技术，对于研究生物气溶胶在大气中的含量和时空分布模式，具有重要的学术意义与科学研究价值。激光雷达作为一种远距离主动遥感探测工具，为大气中存有潜在危害的生物气溶胶早期预警和快速检测提供有效研究方案。激光雷达探测生物气溶胶的工作原理是由激光器发出的激光束脉冲进入大气，与大气中的颗粒物粒子(包含生物气溶胶粒子)和分子相互作用后产生后向散射回波信号，由望远镜接收，经光纤导入分光系统，分为荧光散射通道、米散射通道。系统中的回波信号均由光电倍增管探测，光信号由光电探测器转换为电信号后，经放大器放大后送入数据采集和处理系统，最后将数据导入计算机处理，由算法反演生物气溶胶的相对数浓度以及探测在大气中生物气溶胶分布状况等信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，该系统能够对大气中生物气溶胶的相对数浓度进行探测。
本发明的目的是还提供一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；
荧光信号经滤光片A滤波处理并提取，然后经由凸透镜A聚焦到光电倍增管A探测面，由光电倍增管A将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜调整光路，由滤光片B滤波并提取信号，再由凸透镜B聚焦到光电倍增管B探测面上，由光电倍增管B将米散射信号转换为电信号；电信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统中存储，随后将信号数据采集系统中的数据导入计算机中。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，具体包括如下步骤：
步骤1，确定激发脉冲光束在大气中传输透过率T1(λ1,R)和荧光波长在大气中传输透过率T2(λ2,R)；
步骤2，确定生物气溶胶浓度表达式；
步骤3，利用Klett法反演求取紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)；
步骤4，计算生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数；
步骤5，求紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数αuv(λ,R)；
步骤6，计算激发波长的大气气溶胶消光系数；
步骤7，计算荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤1的具体过程为：
当大气中生物气溶胶与紫外域激光脉冲发生作用，产生的荧光与米散射回波信号经过系统接收与分光处理，由光电倍增管A探测和转换荧光信号，光电倍增管B探测和转换米散射信号，得到的荧光和米散射信号强度激光雷达方程的表达式分别为：
在上式中，PMie(λ1,R)为探测到的米散射信号强度，PF(λ2,R)为探测到的荧光信号强度，K为激光雷达系统常数，E0为紫外域激光脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，R为大气中存在生物气溶胶的高度，σF Bio为生物气溶胶荧光散射截面积，Δλ为滤光片带宽，NBio(R)为高度R处的生物气溶胶粒子浓度，T1(λ1,R)为激发脉冲光束在大气中传输透过率，T2(λ2,R)为荧光波长在大气中传输透过率，其表达式分别：
式中，α(λ1,R)为激光脉冲在大气中的消光系数，km-1，α(λ2,R’)为荧光波长在大气中的消光系数，km-1，R′表示对R进行求导。
步骤2的具体过程为：
根据步骤1中的公式(1)荧光信号强度激光雷达方程的表达式可得到生物气溶胶浓度的表达式：
根据公式(5)可知，获得生物气溶胶的荧光散射截面积σBio F、激光脉冲在大气中的消光系数α(λ1,R)、荧光波长在大气中的消光系数α(λ2,R)三个未知参数即可得到大气生物气溶胶浓度廓线。
步骤3的具体过程为：
在已知米散射信号强度的基础上，通过激光雷达方程式(2)，利用Klett法反演得到紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)，表达式为：
其中，P(R)为探测到的米散射信号强度，a(R)为激光波长在距离R处的大气消光系数，a(Rc)为激光波长在距离Rc处的大气消光系数。
步骤4的具体过程为：
已知探测大气生物气溶胶荧光波长，由公式(2)反演的消光系数公式(6)根据不同波长的气溶胶消光系数之间存在的等比例关系，计算出生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
其中，αAer(λ2,R)为荧光波长的气溶胶消光系数，αAer(λ1,R)为为激发波长的气溶胶消光系数，λ1为激光器的激发波长，λ2为生物气溶胶在激光激发下产生的荧光波长。
步骤5的具体过程为：
由于大气中含有臭氧气体，对紫外域的激光脉冲会产吸收效应，导致系统采用的紫外域激光脉冲在大气中的传播除了受到气溶胶和大气分子的影响外，还需要考虑大气中所含臭氧浓度的变化，如下式所示：
式中，αuv(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数，αaer(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的气溶胶消光系数，αmol(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的分子消光系数，αO3(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
步骤6的具体过程为：
激光雷达系统采用266nm波长激光脉冲作为生物气溶胶荧光的激发波长，在计算荧光消光系数时，减去266nm波长的臭氧吸收效率，得到激发波长的大气气溶胶消光系数，其表达式如下所示：
上式中，αAer(R)为气溶胶总的消光系数，αMol(R)为大气分子的消光系数，αO3(R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
步骤7的具体步骤为：
根据步骤6获得的激发波长的大气气溶胶消光系数，确定荧光波长之后，得荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
其中，αAer(λ2,R)为生物气溶胶荧光波长λ2在大气中气溶胶总的消光系数，αMol(λ1,R)为激发波长λ1的大气分子消光系数，αO3(λ1,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
本发明的有益效果是，基于生物气溶胶所含生物本征荧光物质色氨酸在紫外域波长激光脉冲激发下产生荧光效应的原理，同时生物气溶胶与激发波长发生弹性散射作用产生米散射回波信号，以米散射信号为参考，实现大气生物气溶胶相对数浓度反演。系统采用固体脉冲激光器发射266nm波长的激光脉冲，激发大气中的生物气溶胶产生荧光信号和米散射信号，采用卡塞格林式望远镜对荧光回波信号和米散射回波信号进行接收，由光纤将接收的光信号导入分光系统中，经二向色镜将荧光信号与米散射信号分离，再由滤光片对荧光信号和米散射信号进行滤波提取，利用光电倍增管将提取的光信号转换为电信号，采用数据采集卡对电信号进行采集存储，导入计算机中通过软件处理，反演得到大气生物气溶胶相对数浓度廓线，以解决大气生物气溶胶相对数浓度远距离、实时高分辨率探测的难题。
附图说明
图1是本发明一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统的结构示意图。
图中，1.脉冲激光器，2.紫外激光脉冲，3.大气，4.荧光和米散射信号，5.望远镜，6.光纤，7.凸透镜，8.二向色镜，9.滤光片A，10.凸透镜A，11.光电倍增管A，12.全反镜，13.滤光片B，14.凸透镜B，15.光电倍增管B，16.信号数据采集系统，17.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，如图1所示，包括固体脉冲激光器1，脉冲激光器1发射的紫外域波长激光脉冲2，大气3中所含生物气溶胶以及生物气溶胶与紫外域激光脉冲发生作用产生的荧光信号和米散射信号4；接受回波信号的卡塞格林式望远镜5，引导光信号传播的光纤6，将发散光平行输出的凸透镜7，将荧光信号和米散射信号分离的二向色镜8，对荧光信号过滤提取的滤光片A9，将平行荧光信号聚焦的凸透镜A10，探测荧光信号的光电倍增管A11；调整米散射光路的全反镜12，对米散射信号滤波提取的滤光片B13，将平行米散射信号聚焦的凸透镜B14，探测米散射信号的光电倍增管B15，同时对荧光信号和米散射信号采集存储的数据采集系统16，用于操作软件对大气生物气溶胶相对数浓度反演的计算机17。
上述系统中，固体脉冲激光器1的输出波长为266nm，脉冲频率在1Hz～100Hz可调；望远镜5接收波长范围250nm～550nm，二向色镜8对大于或等于300nm波长的光信号全透过，对于小于300nm波长的光信号全反射，滤光片A9的中心波长为350nm，带宽为10nm，滤光片B13的中心波长为266nm，带宽为1nm，信号数据采集系统16可采用数据采集卡或者示波器，当同时探测得到大气生物气溶胶荧光回波信号和米散射回波信号，可操作计算机17对大气生物气溶胶相对数浓度廓线反演。
其中，光电倍增管包含A/D转换和信号放大处理电路，计算机包含相应的数据处理软件如mathCAD、Matlab等以及生物气溶胶相对数浓度的反演方法。
利用本发明提供的一种大气生物气溶胶相对数浓度激光雷达探测系统，包括以下操作步骤：
步骤1：固体脉冲激光器1发射紫外域266nm激光脉冲2，与大气3中生物气溶胶发生作用产生荧光和米散射信号4，由望远镜5同时接收；
步骤2：光纤6将望远镜5接收的荧光和米散射信号4引导至凸透镜7；凸透镜7同时将荧光和米散射信号4光路准直，经二向色镜8分成两部分，其中一部分为全部透过的荧光信号，另一部分为全反射的米散射信号；
步骤3：荧光信号经由滤光片A9滤波处理并提取，然后经由凸透镜A10聚焦到光电倍增管A11探测面，由光电倍增管A11将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜12调整光路，由滤光片B13滤波并提取信号，再由凸透镜B14聚焦到光电倍增管B15探测面上，由光电倍增管B15将米散射信号转换为电信号；
步骤4：光电倍增管B15转换的信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统16中存储，随后将信号数据采集系统16中的数据导入计算机17中，通过操作相关应用软件，利用生物气溶胶相对数浓度反演方法获得大气生物气溶胶相对数浓度廓线。
利用本发明提供的激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，包括以下操作步骤：
步骤1：当大气3中生物气溶胶与紫外域激光脉冲2发生作用，产生的荧光与米散射回波信号4经过系统接收与分光处理，由光电倍增管A11探测和转换荧光信号，光电倍增管B15探测和转换米散射信号，得到的荧光和米散射信号4强度激光雷达方程的表达式分别为：
在上式中，PMie(λ1,R)为探测到的米散射信号强度，PF(λ2,R)为探测到的荧光信号强度，K为激光雷达系统常数，E0为紫外域激光脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，R为大气中存在生物气溶胶的高度，
为生物气溶胶荧光散射截面积，Δλ为滤光片带宽，NBio(R)为高度R处的生物气溶胶粒子浓度，T1(λ1,R)为激发脉冲光束在大气中传输透过率，T2(λ2,R)为荧光波长在大气中传输透过率，其表达式分别：
式中，α(λ1,R)为激光脉冲在大气中的消光系数[km-1]，α(λ2,R’)为荧光波长在大气中的消光系数[km-1]。
步骤2：由上述步骤中公式(1)荧光信号强度激光雷达方程的表达式可得到生物气溶胶浓度的表达式：
根据表达式(5)可知，获得生物气溶胶的荧光散射截面积
激光脉冲在大气中的消光系数α(λ1,R)，荧光波长在大气中的消光系数α(λ2,R)三个未知参数即可得到大气生物气溶胶浓度廓线，对于生物气溶胶的荧光散射截面积选用已测得参数作为计算时的参考量；
步骤3：获得米散射信号强度的基础上，通过激光雷达方程式(2)，利用Klett法反演得到紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)，其表达式：
步骤4：确定探测大气生物气溶胶荧光波长后，由(2)式反演的消光系数(6)根据不同波长的气溶胶消光系数之间存在的等比例关系，计算出生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
步骤5：大气中含有一定浓度变化的臭氧气体，对紫外域的激光脉冲会产吸收效应，导致系统采用的紫外域激光脉冲在大气中的传播除了受到气溶胶和大气分子的影响外，还需要考虑大气中所含臭氧浓度的变化，如下式所示：
式中，αuv(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数，αaer(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的气溶胶消光系数，αmol(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的分子消光系数，αO3(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数；
步骤6：激光雷达系统采用266nm波长激光脉冲作为生物气溶胶荧光的激发波长，在计算荧光消光系数时，减去266nm波长的臭氧吸收效率，得到激发波长的大气气溶胶消光系数，其表达式如下所示：
步骤7：由以上步骤获得激发波长的大气气溶胶消光系数，确定荧光波长之后，得荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
在(10)式的基础上加上大气分子的消光系数得到荧光波长在大气中总的消光系数，可由(5)式反演得到大气中生物气溶胶粒子浓度。
Claims (9)
1.一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，其特征在于：包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；
荧光信号经滤光片A滤波处理并提取，然后经由凸透镜A聚焦到光电倍增管A探测面，由光电倍增管A将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜调整光路，由滤光片B滤波并提取信号，再由凸透镜B聚焦到光电倍增管B探测面上，由光电倍增管B将米散射信号转换为电信号；电信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统中存储，随后将信号数据采集系统中的数据导入计算机中。
2.一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，确定激发脉冲光束在大气中传输透过率T1(λ1,R)和荧光波长在大气中传输透过率T2(λ2,R)；
步骤2，确定生物气溶胶浓度表达式；
步骤3，利用Klett法反演求取紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)；
步骤4，计算生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数；
步骤5，求紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数αuv(λ,R)；
步骤6，计算激发波长的大气气溶胶消光系数；
步骤7，计算荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数。
3.根据权利要求2所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
当大气中生物气溶胶与紫外域激光脉冲发生作用，产生的荧光与米散射回波信号经过系统接收与分光处理，由光电倍增管A探测和转换荧光信号，光电倍增管B探测和转换米散射信号，得到的荧光和米散射信号强度激光雷达方程的表达式分别为：
在上式中，PMie(λ1,R)为探测到的米散射信号强度，PF(λ2,R)为探测到的荧光信号强度，K为激光雷达系统常数，E0为紫外域激光脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，R为大气中存在生物气溶胶的高度，σF Bio为生物气溶胶荧光散射截面积，Δλ为滤光片带宽，NBio(R)为高度R处的生物气溶胶粒子浓度，T1(λ1,R)为激发脉冲光束在大气中传输透过率，T2(λ2,R)为荧光波长在大气中传输透过率，其表达式分别：
式中，α(λ1,R)为激光脉冲在大气中的消光系数，km-1，α(λ2,R’)为荧光波长在大气中的消光系数，km-1，R′表示对R进行求导。
4.根据权利要求3所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
根据步骤1中的公式(1)荧光信号强度激光雷达方程的表达式可得到生物气溶胶浓度的表达式：
根据公式(5)可知，获得生物气溶胶的荧光散射截面积σBio F、激光脉冲在大气中的消光系数α(λ1,R)、荧光波长在大气中的消光系数α(λ2,R)三个未知参数即可得到大气生物气溶胶浓度廓线。
5.根据权利要求4所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：
在已知米散射信号强度的基础上，通过激光雷达方程式(2)，利用Klett法反演得到紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)，表达式为：
其中，P(R)为探测到的米散射信号强度，a(R)为激光波长在距离R处的大气消光系数，a(Rc)为激光波长在距离Rc处的大气消光系数。
6.根据权利要求5所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：
已知探测大气生物气溶胶荧光波长，由公式(2)反演的消光系数公式(6)根据不同波长的气溶胶消光系数之间存在的等比例关系，计算出生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
其中，αAer(λ2,R)为荧光波长的气溶胶消光系数，αAer(λ1,R)为为激发波长的气溶胶消光系数，λ1为激光器的激发波长，λ2为生物气溶胶在激光激发下产生的荧光波长。
7.根据权利要求6所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：
由于大气中含有臭氧气体，对紫外域的激光脉冲会产吸收效应，导致系统采用的紫外域激光脉冲在大气中的传播除了受到气溶胶和大气分子的影响外，还需要考虑大气中所含臭氧浓度的变化，如下式所示：
式中，αuv(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数，αaer(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的气溶胶消光系数，αmol(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的分子消光系数，αO3(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
8.根据权利要求7所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤6的具体过程为：
激光雷达系统采用266nm波长激光脉冲作为生物气溶胶荧光的激发波长，在计算荧光消光系数时，减去266nm波长的臭氧吸收效率，得到激发波长的大气气溶胶消光系数，其表达式如下所示：
上式中，αAer(R)为气溶胶总的消光系数，αMol(R)为大气分子的消光系数，αO3(R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
9.根据权利要求8所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤7的具体步骤为：
根据步骤6获得的激发波长的大气气溶胶消光系数，确定荧光波长之后，得荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数，表达式如下所示：
其中，αAer(λ2,R)为生物气溶胶荧光波长λ2在大气中气溶胶总的消光系数，αMol(λ1,R)为激发波长λ1的大气分子消光系数，αO3(λ1,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。
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