CN112596075A - 一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，包括多波长激光发射系统、信号分频系统和数据存显系统；本发明采用多个波长激光同时发射入大气中，交替激发大气颗粒物中有机物并获得荧光光谱，不同波长激光激发同一有机物获得的光谱不尽相同，通过分析各个激发、发射荧光光谱矩阵图，来有效探究大气颗粒物中有机物成分、浓度等特性，且本发明可实现连续观测，无需人工取样，提高数据可靠性、准确性和实时性，为气象环保等部门及时掌握大气颗粒物有机物变化提供依据，方便其及时发现异常变化并采取有效措施应对，多个仪器的同时检测，可以掌握大气颗粒物有机物流通情况，为提前预警提供可能。

Description

一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统
技术领域
本发明涉及大气监测技术领域，尤其涉及一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统。
背景技术
激光雷达，作为一种能够实时持续进行大气探测的仪器，目前已广泛应用到探测气溶胶、雾霾、沙尘等垂直特性分布上，成为了当今研究大气的重要仪器之一，而荧光激光雷达，作为一种新型激光雷达发展相对较晚，近几年，也有公司和研究机构搭建过荧光激光雷达系统，对个别荧光光波进行探测，然而，大多荧光激光雷达均只采用单波长激光激发来获得某个或个别波段荧光光谱，采用多个波长激光同时激发获得全部或部分荧光光波的仪器设备市面上几乎没有；
利用三维荧光光谱技术可以对大气颗粒物中有机物的组成、来源、结构等特征进行便捷、准确的分析鉴别，而三维荧光光谱技术和以上其他仪器、方法一样，都必须首先进行定时定点取样，取样后需要先在实验室做进一步处理后才能采用上述仪器或方法进行分析鉴别，无法实现数据的实时分析鉴别；且采样的频次、时间，采样的质量因人而异、参差不齐，受主客观因素影响极为严重；同时，大气颗粒物持续流通，空气环境受气压、温度、湿度等影响不断变化，分析鉴别后的结果严重滞后于实际情况，数据可靠性有待考究，在气象环保等领域应用，及时为大气防治预警提供有效支持仍有欠缺，因此，本发明提出一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，该多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统采用多个波长激光同时发射入大气中，交替激发大气颗粒物中有机物并获得荧光光谱，不同波长激光激发同一有机物获得的光谱不尽相同，通过分析各个激发、发射荧光光谱矩阵图，来有效探究大气颗粒物中有机物成分、浓度等特性，且本发明可实现连续观测，无需人工取样，提高数据可靠性、准确性和实时性，为气象环保等部门及时掌握大气颗粒物有机物变化提供依据，方便其及时发现异常变化并采取有效措施应对，多个仪器的同时检测，可以掌握大气颗粒物有机物流通情况，为提前预警提供可能。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，包括多波长激光发射系统、信号分频系统和数据存显系统，所述多波长激光发射系统由多波长激光器组件、高能分光镜、高能合光镜、第一高能反射镜、第二高能反射镜、高能全反镜和高能效频靶组件组成，所述信号分频系统由卡塞格林高倍天文望远镜、光阑、第一凸透镜、第二凸透镜、第一二相色镜、第二二相色镜、陷波滤光片、偏正晶体、雪崩二极管、第一光电倍增管、第二光电倍增管、荧光变频分频器和高精同步定时器组成，所述数据存显系统由荧光光谱仪、高速数据采集器、工控机和显示器组成，所述多波长激光器组件同时产生266nm、280nm、295nm、308nm、355nm、532nm、1064nm七种波长的激光输出并经过高能分光镜后分成第一激光和第二激光两路。
进一步改进在于：所述第一激光由532nm和1064nm两个波长激光组成，经过第一高能反射镜、高能合光镜和高能全反镜发射至大气中，在照射到大气中的粉尘颗粒物、气溶胶、沙尘、云之后产生米散射信号；所述第二激光由266nm、280nm、295nm、308nm和355nm五个波长组成，在经过高能分光镜后由高能效频靶组件选择特定波长激光，再经过第二高能反射镜、高能合光镜和高能全反镜发射至大气中，照射到大气颗粒物中的有机物产生米散射信号，同时有机物受激产生荧光光谱信号。
进一步改进在于：所述第一激光和第二激光照射到大气中产生的所有的米散射信号和荧光光谱信号通过卡塞格林高倍天文望远镜接收并聚焦至光阑处，聚焦后的信号经过第一凸透镜转成平行光后传输至第一二相色镜。
进一步改进在于：所述第一二相色镜将长波信号1064nm的激光分出，由雪崩二极管接收后转换为电信号传输至高速数据采集器，其余光信号通过第一二相色镜传输至第二二相色镜。
进一步改进在于：所述第二二相色镜将532nm信号分出，经由偏振晶体分别传输至第一光电倍增管和第二光电倍增管处，由其将光信号转换为电信号传至高速数据采集器，其余光信号透过第二二相色镜并经由陷波滤光片滤除532nm信号后继续传输至荧光变频分频器处。
进一步改进在于：所述荧光变频分频器由高精同步定时器控制与高能效频靶组件实现同步，从而筛选出与高能效频靶组件相对应的荧光光谱信号，再经由第二凸透镜聚焦后投射在荧光光谱仪上。
进一步改进在于：所述荧光光谱仪和高速数据采集器采集的信号数据实时上传至工控机进行处理和存储，并将处理结果在显示器上实时显示。
本发明的有益效果为：本发明采用多个波长激光同时发射入大气中，交替激发大气颗粒物中有机物并获得荧光光谱，不同波长激光激发同一有机物获得的光谱不尽相同，通过分析各个激发、发射荧光光谱矩阵图，来有效探究大气颗粒物中有机物成分、浓度等特性，且本发明可实现连续观测，无需人工取样，提高数据可靠性、准确性和实时性，为气象环保等部门及时掌握大气颗粒物有机物变化提供依据，方便其及时发现异常变化并采取有效措施应对，多个仪器的同时检测，可以掌握大气颗粒物有机物流通情况，为提前预警提供可能。
附图说明
图1为本发明构架图。
其中：1、多波长激光器组件；2、高能分光镜；3、高能合光镜；4、第一高能反射镜；5、第二高能反射镜；6、高能全反镜；7、高能效频靶组件；8、卡塞格林高倍天文望远镜；9、光阑；10、第一凸透镜；11、第二凸透镜；12、第一二相色镜；13、第二二相色镜；14、陷波滤光片；15、偏正晶体；16、雪崩二极管；17、第一光电倍增管；18、第二光电倍增管；19、荧光变频分频器；20、高精同步定时器；21、荧光光谱仪；22、高速数据采集器；23、工控机；24、显示器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1所示，本实施例提供了一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，包括多波长激光发射系统、信号分频系统和数据存显系统，所述多波长激光发射系统由多波长激光器组件1、高能分光镜2、高能合光镜3、第一高能反射镜4、第二高能反射镜5、高能全反镜6和高能效频靶组件7组成，所述信号分频系统由卡塞格林高倍天文望远镜8、光阑9、第一凸透镜10、第二凸透镜11、第一二相色镜12、第二二相色镜13、陷波滤光片14、偏正晶体15、雪崩二极管16、第一光电倍增管17、第二光电倍增管18、荧光变频分频器19和高精同步定时器20组成，所述数据存显系统由荧光光谱仪21、高速数据采集器22、工控机23和显示器24组成，所述多波长激光器组件1同时产生266nm、280nm、295nm、308nm、355nm、532nm、1064nm七种波长的激光输出并经过高能分光镜2后分成第一激光和第二激光两路，发射七种波长的激光覆盖了紫外到近红外，覆盖范围广。
所述第一激光由532nm和1064nm两个波长激光组成，经过第一高能反射镜4、高能合光镜3和高能全反镜6发射至大气中，在照射到大气中的粉尘颗粒物、气溶胶、沙尘、云等之后产生米散射信号；所述第二激光由266nm、280nm、295nm、308nm和355nm五个波长组成，在经过高能分光镜2后由高能效频靶组件7选择特定波长激光，再经过第二高能反射镜5、高能合光镜3和高能全反镜6发射至大气中，照射到大气颗粒物中的有机物产生米散射信号，同时有机物受激产生荧光光谱信号，大气颗粒物中的有机物受266nm、280nm、295nm、308nm、355nm五种激光交替激发，探测获得的荧光光谱范围从270nm至700nm，频谱范围几乎覆盖了85％以上的荧光光谱，荧光光谱范围广。
所述第一激光和第二激光照射到大气中产生的所有的米散射信号和荧光光谱信号通过卡塞格林高倍天文望远镜8接收并聚焦至光阑9处，聚焦后的信号经过第一凸透镜10转成平行光后传输至第一二相色镜12。
所述第一二相色镜12将长波信号1064nm的激光分出，由雪崩二极管16接收后转换为电信号传输至高速数据采集器22，其余光信号通过第一二相色镜12传输至第二二相色镜13。
所述第二二相色镜13将532nm信号分出，经由偏振晶体分别传输至第一光电倍增管17和第二光电倍增管18处，由其将光信号转换为电信号传至高速数据采集器22，其余光信号透过第二二相色镜13并经由陷波滤光片14滤除532nm信号后继续传输至荧光变频分频器19处，由陷波滤光片14滤除532nm信号后使获得的荧光光谱信号更为准确。
所述荧光变频分频器19由高精同步定时器20控制与高能效频靶组件7实现同步，从而筛选出与高能效频靶组件7相对应的荧光光谱信号，再经由第二凸透镜11聚焦后投射在荧光光谱仪21上，大大提高了探测光谱信号的可靠性。
所述荧光光谱仪21和高速数据采集器22采集的信号数据实时上传至工控机23进行处理和存储，并将处理结果在显示器24上实时显示，通过荧光光谱仪21直接接收采集的荧光光谱信号，极大的提高了多激发波长光谱仪式荧光激光雷达探测荧光光谱数据的准确性。
同时可实现连续不间断探测，实时记录过境大气颗粒物和大气颗粒物中的有机物成分、浓度等，及时输出采集结果，方便使用方及时准确掌握大气颗粒物及有机物变化情况并做出判断，及时采取有效措施加以应对，其可靠性和实用性大为提高。
该多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统采用多个波长激光同时发射入大气中，交替激发大气颗粒物中有机物并获得荧光光谱，不同波长激光激发同一有机物获得的光谱不尽相同，通过分析各个激发、发射荧光光谱矩阵图，来有效探究大气颗粒物中有机物成分、浓度等特性，且本发明可实现连续观测，无需人工取样，提高数据可靠性、准确性和实时性，为气象环保等部门及时掌握大气颗粒物有机物变化提供依据，方便其及时发现异常变化并采取有效措施应对，多个仪器的同时检测，可以掌握大气颗粒物有机物流通情况，为提前预警提供可能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：包括多波长激光发射系统、信号分频系统和数据存显系统，所述多波长激光发射系统由多波长激光器组件(1)、高能分光镜(2)、高能合光镜(3)、第一高能反射镜(4)、第二高能反射镜(5)、高能全反镜(6)和高能效频靶组件(7)组成，所述信号分频系统由卡塞格林高倍天文望远镜(8)、光阑(9)、第一凸透镜(10)、第二凸透镜(11)、第一二相色镜(12)、第二二相色镜(13)、陷波滤光片(14)、偏正晶体(15)、雪崩二极管(16)、第一光电倍增管(17)、第二光电倍增管(18)、荧光变频分频器(19)和高精同步定时器(20)组成，所述数据存显系统由荧光光谱仪(21)、高速数据采集器(22)、工控机(23)和显示器(24)组成，所述多波长激光器组件(1)同时产生266nm、280nm、295nm、308nm、355nm、532nm、1064nm七种波长的激光输出并经过高能分光镜(2)后分成第一激光和第二激光两路。
2.根据权利要求1所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述第一激光由532nm和1064nm两个波长激光组成，经过第一高能反射镜(4)、高能合光镜(3)和高能全反镜(6)发射至大气中，在照射到大气中的粉尘颗粒物、气溶胶、沙尘、云之后产生米散射信号；所述第二激光由266nm、280nm、295nm、308nm和355nm五个波长组成，在经过高能分光镜(2)后由高能效频靶组件(7)选择特定波长激光，再经过第二高能反射镜(5)、高能合光镜(3)和高能全反镜(6)发射至大气中，照射到大气颗粒物中的有机物产生米散射信号，同时有机物受激产生荧光光谱信号。
3.根据权利要求2所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述第一激光和第二激光照射到大气中产生的所有的米散射信号和荧光光谱信号通过卡塞格林高倍天文望远镜(8)接收并聚焦至光阑(9)处，聚焦后的信号经过第一凸透镜(10)转成平行光后传输至第一二相色镜(12)。
4.根据权利要求1所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述第一二相色镜(12)将长波信号1064nm的激光分出，由雪崩二极管(16)接收后转换为电信号传输至高速数据采集器(22)，其余光信号通过第一二相色镜(12)传输至第二二相色镜(13)。
5.根据权利要求1所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述第二二相色镜(13)将532nm信号分出，经由偏振晶体分别传输至第一光电倍增管(17)和第二光电倍增管(18)处，由其将光信号转换为电信号传至高速数据采集器(22)，其余光信号透过第二二相色镜(13)并经由陷波滤光片(14)滤除532nm信号后继续传输至荧光变频分频器(19)处。
6.根据权利要求1所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述荧光变频分频器(19)由高精同步定时器(20)控制与高能效频靶组件(7)实现同步，从而筛选出与高能效频靶组件(7)相对应的荧光光谱信号，再经由第二凸透镜(11)聚焦后投射在荧光光谱仪(21)上。
7.根据权利要求1所述的一种多激发波长光谱仪式荧光激光雷达系统，其特征在于：所述荧光光谱仪(21)和高速数据采集器(22)采集的信号数据实时上传至工控机(23)进行处理和存储，并将处理结果在显示器(24)上实时显示。
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