CN112986965B - 一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置 - Google Patents

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Abstract

一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置，包括激光器，第一能量分束器将激光器交替产生的两个波长的窄线宽激光一分为二；接收光学系统将经过第一能量分束器分束后的一部分信号进行放大发射；第二能量分束器将经过第一能量分束器分束后的另一部分信号再次一分为二；第一探测器用于接收经过第二能量分束器的分束后的一部分信号，并将该信号发送至信号处理板；长光程吸收池内设有用以检测经第二能量分束器的分束后的另一部分信号的第二探测器以及测量实际水汽质量浓度的水汽测量系统；信号处理板对来自两个光电探测器的信号进行处理分析；本发明的标定装置大大提高了差分水汽吸收激光雷达的探测精度。

Description

一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置
技术领域
本发明涉及气象激光雷达技术领域，具体涉及一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置。
背景技术
差分吸收激光雷达是一种利用气体的吸收谱线来完成气体含量路径分布的激光探测设备。其原理是分别发射两种波长非常接近的激光束，其中一个波长在吸收谱线内，称为on-line，另一个波长在吸收谱线外，称为off-line。由于发射能量一致，波长几乎一致，两者的回波比值就可以直接反应出路径吸收的分布情况。由于回波能量来自于气溶胶米散射，信噪比很高，因而相比于拉曼散射激光雷达就不需要很高的发射功率，有望在经济性和体积重量方面都有很大的提升。
然而目前的水汽差分吸收激光雷达在实际使用时其精度往往难以保证，是因为能量衰减取决于差分吸收截面(Δσ＝σon-σoff)和水汽质量浓度的乘积，但差分吸收截面却并不恒定，由于发射波长存在误差和漂移，从而导致了差分吸收截面的变化；而从衰减量计算水汽质量时却认为雷达工作时的差分截面是恒定的，这就必然导致了精度难以保证。
为了保持测量精度，技术人员所作的工作都是在围绕如何稳定频率方面展开，也设计了多种主动稳定频率的手段，例如兰姆凹陷稳频、共焦球面腔扫描干涉稳频等等。然而即使得到了一个稳定的波长也并不能保证实际工作的精度，因为除了波长影响外还有一些其它的影响因素，例如：波长稳定不代表获得了精确的波长读数，光谱线型理论也并不能保证在亚百分比的精度上重建实际光谱，激光器本身的谱线纯净度会影响能量吸收效率，大气温度、压力会影响线型的实际形状，这些因素最终都导致了实际工作时所使用的差分吸收截面的误差。
发明内容
为了解决目前水汽差分吸收激光雷达工作时无法精确获得实际差分吸收截面数值的困难，本发明基于对水汽质量浓度的实时测量技术和长光程吸收池，提供了一种可获得实时的差分吸收截面数据的水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置，包括激光器1、第一能量分束器2、第二能量分束器4、发射与接收光学系统3、第一探测器5、第二探测器8、长光程吸收池7、信号处理板9；
第一能量分束器2将激光器1交替产生的两个波长的窄线宽激光一分为二；
发射与接收光学系统3将经过第一能量分束器2分束后的一部分信号进行放大发射；
第二能量分束器4将经过第一能量分束器2分束后的另一部分信号再次一分为二，经第二能量分束器4分束后的一部分信号传递至长光程吸收池7、另一部分信号传递至第一探测器5，第一探测器5用于接收经第二能量分束器4分束后的信号并检测该部分信号的能量，同时该信号发送至信号处理板9；
第二探测器8用于检测经长光程吸收池7吸收后的信号的能量，同时将检测后的信号发送至信号处理板9；
信号处理板9对来自第二探测器8信号和来自第一探测器5的信号进行处理分析。
优选的，长光程吸收池7内设有用于测量气体环境水汽质量浓度的水汽测量系统6。
本发明具有如下优点：
1、本发明一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置通过增加一个长光程吸收池和水汽质量浓度实时测量装置，就获得了差分吸收截面的实时标定能力，大大提高了差分水汽吸收激光雷达的探测精度。
以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下：
附图标记
1-激光器、2-第一能量分束器、4-第二能量分束器、3-发射与接收光学系统、5-第一探测器、6-水汽测量系统、7-长光程吸收池、8-第二探测器、9-信号处理板。
附图说明
图1是本实施例一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，本发明提供一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置，包括激光器1、第一能量分束器2、第二能量分束器4、发射与接收光学系统3、第一探测器5(PD1)、第二探测器8(PD2)、水汽测量系统6(TDLAS)、长光程吸收池7、信号处理板9，信号处理板9上设有信号处理器；发射与接收光学系统3采用激光雷达，激光器1选用种子激光器。
第一能量分束器2与激光器1光学连接，发射与接收光学系统3与第一能量分束器2光学连接；发射与接收光学系统3用于对激光进行放大并发射同时接收气溶胶后向散射的回波，从而得到两个不同波长下的回波强度；第二能量分束器4与第一能量分束器2光学连接，第一探测器5(PD1)与第二能量分束器4光学连接，第一探测器5(PD1)的输出端与信号处理板9相连接；
第二能量分束器4与长光程吸收池7光学连接，长光程吸收池7的输出端与第二探测器8(PD2)的输入端相连接，第二探测器8(PD2)的输出端与信号处理板9的输入端相连接；信号处理板9通过采集第一探测器得到的未经吸收的双波长信号和第二探测器得到的经长光程吸收池吸收调制的双波长信号，从而得到已知水汽质量浓度下的吸收调制深度。
长光程吸收池7内设有用于测量气体环境水汽质量浓度的水汽测量系统6，水汽测量系统(TDLAS)6与长光程吸收池7气路连接；水汽测量系统6(TDLAS)采用了波长位于水汽吸收谱线的半导体可调谐激光器对水汽吸收强度与波长的关系进行扫描，从而获得精确的水汽质量浓度。
激光器1交替产生两个波长(on-line和off-line)的窄线宽激光通过第一能量分束器2一分为二，一部分的信号经发射与接收光学系统3发射出去、另一部分的信号经第二能量分束器4再次一分为二，经过第二能量分束器4的分束的信号一部分经第一探测器5(简称PD1)发送至信号处理板9、另一部分信号依次经过长光程吸收池7、第二探测器8(简称PD2)发送至信号处理板9，信号处理板9对来自第二探测器8和第一探测器5的信号进行处理分析从而得到已知水汽质量浓度下的吸收调制深度；发射与接收光学系统3还可用于接收探测回波。由于PD2的信号来自长光程吸收池7，故而路径上水汽将对on-line波长的信号造成吸收从而导致了信号幅度的调制，调制深度和水汽质量浓度、差分吸收截面都有关，将PD1和PD2的输出做直流归一化后再将两者的差值进行交流放大，由交流信号的大小和当前质量浓度就可计算得到当前的差分吸收截面。
本实施例中：
由光纤激光器交替产生两个波长(1969.8nm和1971.0nm)的窄线宽激光脉冲，然后通过第一能量分束器2，经第一能量分束器分束后的一大部分信号经发射与接收光学系统3发射出去、同时，经第一能量分束器分束后的少部分信号经第二分束器4中再次被分为二份，一部分信号直接进入第一探测器5(PD1)、另一部分信号进入一个光路长度为40米的长光程气体吸收池7，该长光程吸收池7和外部环境相连通，进入长光程吸收池7的信号通过吸收池后到达第二探测器8(PD2)；长光程吸收池7内放置有用以检测实际的水汽质量浓度的TDLAS光路(即水汽测量系统)。由于第二探测器8(PD2)的信号来自于长光程吸收池7，故而路径上的水汽将对1971.0nm波长的信号造成吸收从而导致了信号幅度的调制。在信号处理部分首先将经PD1和PD2输出的信号进行放大，使得直流分量相等且等于V0，然后再将放大后的两个信号做减法运算，得到交流差值V1。将交流差值进行交流放大和检测，由V1/V0的大小和当前质量浓度就可计算得到当前的差分吸收截面。
长光程吸收池7之所以不采用密闭样气吸收池而采用和环境相通的气体吸收池，是因为大气中的水汽动态范围很大，为了保证稳定的探测灵敏度，差分吸收雷达的on-line位置是必须根据实际的水汽质量浓度进行调整的。例如在冬季干燥大气条件下会采用更高的吸收系数，而夏季则相反，若固定样气浓度就很难兼顾差分吸收截面的检测精度和吸收系数的动态之间的矛盾，且密闭吸收池的压力和温度也和实际环境不一致，会导致额外的误差，故将本发明的长光程吸收池7设置成非密闭样，即和外部环境相连通。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种水汽差分吸收激光雷达的差分截面实时标定装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一能量分束器(2)、第二能量分束器(4)、发射与接收光学系统(3)、第一探测器(5)、第二探测器(8)、长光程吸收池(7)、信号处理板(9)；
第一能量分束器(2)将激光器(1)交替产生的两个波长的窄线宽激光一分为二；
发射与接收光学系统(3)将经过第一能量分束器(2)分束后的一部分信号进行放大发射；
第二能量分束器(4)将经过第一能量分束器(2)分束后的另一部分信号再次一分为二，经第二能量分束器(4)分束后的一部分信号传递至长光程吸收池(7)内、另一部分信号传递至第一探测器(5)，
第一探测器(5)用于接收经第二能量分束器(4)分束后的信号并检测该部分信号的能量，同时该信号发送至信号处理板(9)；
第二探测器(8)用于检测经长光程吸收池(7)吸收后的信号的能量，同时将检测后的信号发送至信号处理板(9)；所述长光程吸收池采用和外部环境相连通的气体吸收池且长光程吸收池内设有用于测量气体环境水汽质量浓度的水汽测量系统，水汽测量系统与长光程吸收池气路连接，水汽测量系统采用了波长位于水汽吸收谱线的半导体可调谐激光器；
信号处理板(9)对来自第二探测器(8)信号和来自第一探测器(5)的信号进行处理分析，首先将经第一探测器和第二探测器输出的信号进行放大，使得直流分量相等且等于V0，然后再放大后的两个信号做减法运算，得到交流差值V1，再将交流差值进行交流放大和检测，由V1/V0的大小和当前质量浓度就可计算得到当前的差分吸收截面。
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