CN114859381A - 一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统 - Google Patents

一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于大气环境监测领域，公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统。探测方法包括以下步骤：步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；步骤S2：接收激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；步骤S3：对电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。本发明具有较强的普适性。

Description

一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统
技术领域
本发明属于大气环境监测的技术领域，特别涉及一种大气成分差分吸收激光成像雷达浓度廓线探测方法及系统。
背景技术
差分吸收激光雷达自从1966年被提出后，一直是激光大气探测领域的研究热点。目前，差分吸收激光雷达技术被广泛应用于大气臭氧、二氧化硫、二氧化氮以及水汽等气体的廓线探测上。传统基于脉冲体制的差分吸收激光雷达，由于需要使用高性能纳秒量级脉冲光源进而使得雷达系统庞大、维护成本高难度大，尤其对在近红外波段具有吸收特性的甲烷和二氧化碳等气体廓线探测时雷达系统结构复杂，不易于推广应用。
有学者采用连续波激光光源，结合面阵CCD/CMOS为传感器来实现大气二氧化氮和二氧化碳的廓线探测。然而，对于在近红外波段具有吸收特性的甲烷和二氧化碳等气体而言，其较为合适的用于差分吸收廓线探测的波段通常选用1.65um和1.57um近红外波段，因制造工艺等因素的限制，相应波段的高分辨率面阵CCD/CMOS很难制造，使得现有差分吸收激光成像雷达的探测性能受到很大制约。
为了克服现有技术中的不足，现在急需变革发明新的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，所述廓线探测方法包括以下步骤：
步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；
步骤S2：接收所述激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对所述光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；
步骤S3：对所述电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；
步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；
步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。
进一步的，所述激光束的两种中心波长，分别位于待测气体的吸收峰上和位于待测气体的吸收谷上。
进一步的，所述复原不同中心波长激光的光柱图像计算方式如下：
Figure BDA0003600980430000021
其中，Si(x,y)表示第i次调制时的调制信号，Ii(λ)表示中心波长为λ的激光束第i次采集时所对应的数字信号，L表示调制散斑数量。
进一步的，所述由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演待测气体的浓度廓线具体包括以下步骤：
步骤S51：对已知距离的硬目标物体进行测量，获得硬目标物体成像图像，由硬目标物体离测量系统距离信息以及硬目标物体在图像中所在像素位置信息，标定出测量系统图像像素与测量距离之间的关系；
步骤S52：利用标定后的测量距离与图像像素之间的关系，分别解算出实测图像中两束不同中心波长对应的距离分辨回波数据；
步骤S53：对所述的两束不同中心波长对应距离分辨回波数据应用差分吸收算法来反演计算出待测气体的廓线数据。
进一步的，所述差分吸收原理反演计算待测气体廓线的计算方式如下：
Figure BDA0003600980430000022
其中，N(r)表示获得的待测气体廓线数据，P(r,λON)表示吸收峰波长对应的距离分辨数据，P(r,λOFF)表示吸收谷波长对应的距离分辨数据，σON表示待测气体在吸收峰波长处的吸收截面，σOFF表示待测气体在吸收谷波长处的吸收截面，r表示距离。
本发明还公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统，所述探测系统包括：
激光器，用于向待测大气中交替发射两束不同中心波长的激光束；
接收望远镜，用于对所述激光束与大气相互作用后的后向散射光柱成像；
空间光调制器，用于对所述成像的光柱图像进行调制；
光电探测器，用于将调制后的光信号转换为电信号；
数据采集卡，用于将相应的电信号转换为数字信号；
计算控制单元，用于根据数字信号和调制信号计算不同中心波长激光的光柱图像，根据所述光柱图像解析出不同中心波长激光的距离分辨数据，根据不同中心波长激光的距离分辨数据反演计算待测气体浓度廓线。
进一步的，所述接收望远镜所在平面、空间光调制器所在平面和激光器所发射激光光束的光轴三者相交，满足沙氏成像原理。
进一步的，所述探测系统还包括，
扩束镜，用于对激光器发射的激光进行扩束；
汇聚镜头，用于对调制后的光信号进行汇聚；
窄带滤光片，用于扣除探测信号中背景杂散光。
在本发明还公开了一种计算机可读存储介质，介质存有计算机程序，计算机程序运行后，执行如上述实施例中任意一项所述的大气差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
在本发明还公开了一种计算机系统，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如上述实施例中任意一项所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
有益效果
本发明的大气成分差分吸收激光成像雷达回波信号不随距离平方衰减，降低了系统对测量动态范围的要求；利用高分辨率空间光调制器可接收到近距离大气回波信号，极大地缩短了近场探测盲区，克服了传统脉冲式大气激光雷达技术近距离探测盲区大的问题；空间光调制器的空间分辨率高、成本低。针对特定波长可以设计、加工出形式多样的空间光调制器，能够有效解决现有技术中红外面阵探测器因制造工艺等因素而导致的短缺问题。本发明的大气差分吸收激光成像雷达方法能够应用于在紫外波长、可见波长以及红外波段具有吸收特性的气体廓线探测上，具有较强的普适性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例中大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例中由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演待测气体的浓度廓线的流程图；
图3示出了根据本发明实施例中大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，所述廓线探测方法包括以下步骤：
步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；
步骤S2：接收所述激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对所述光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；
步骤S3：对所述电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；
步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；
步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。
示例性的，通过激光器向大气中交替发射不同中心波长的激光束。交替发射指的是按照一定的周期依次发射两束不同中心波长的激光束。本实施例中激光器可以是常规的Nd:YAG泵浦光参量振荡器/放大器或者泵浦染料激光器方式的脉冲激光光源，也可以是连续波半导体激光器、光纤激光器等。应用于不同的大气成分探测时相应的激光波长对是不同的。
示例性的，当对大气二氧化碳廓线探测时，所述激光束的中心波长分别位于二氧化碳的吸收峰和吸收谷。其中，二氧化碳吸收峰波长记为λON，该波长λON可以为1572.335nm，二氧化碳的吸收谷波长记为λOFF，对应的激光波长可以为1572.18nm。假设一个测量周期为1秒，在一个发射周期内激光器发射λON的时间为0.5秒，激光器发射λOFF的时间为0.5秒，激光器周期切换发射的激光束。
发射的激光束分别与大气相互作用后，待测气体对λON的吸收较强，对λOFF的吸收较弱，而大气中其他成分对两束激光束的作用大致相同，因此通过检测这两束激光后向散射信号的差异来反演待测气体的浓度。进一步的，根据测量的精度可以减小每个周期的持续时间，因为周期发射两束激光束的间隔时间越小，大气气溶胶或者其他干扰气体对这两个波长激光的影响相差越小，在数据反演时，其他因素的影响可以相互抵消。
激光束发射到大气中后，与大气中待测气体和气溶胶等其他物质的作用后产生散射信号，接收望远镜对所述后向散射光柱成像，空间光调制器接收所述光柱图像。所述空间光调制器预先加载调制散斑信号，对光柱图像进行调制，调制后的光柱图像由无空间分辨能力的光电探测器进行光电转换，生成电信号。在调制的同时，使用数据采集卡同步采集所述电信号，将电信号转换为数字信号。联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像，其中调制信号指的是预先加载到空间光调制器上的散斑信号，通过所述散斑信号对光柱图像进行调制。
进一步的，由于光柱图像像素与探测距离存在某种确定性关系，根据图像像素位置可以获取测量距离，图像像素值大小可以确定距离分辨回波信号的大小。其中，所述测量距离为待测大气与测量设备之间的距离，根据这种确定性关系可以解析出相应波长的距离分辨回波数据，从而根据两束不同中心波长激光的距离分辨回波数据来计算待测气体的浓度廓线。
进一步的，所述光柱图像的计算方式如下：
Figure BDA0003600980430000061
其中，Si(x,y)表示第i次调制时的调制信号，Ii(λ)表示中心波长为λ的激光束第i次采集时所对应的数字信号，L表示调制散斑数量。
示例性的，一束激光的中心波长位于待测气体的吸收峰上，记为λON；另一束激光的中心波长位于待测气体的吸收谷上，记为λOFF。
根据上式可知，吸收峰波长对应光柱图像可表示为：
Figure BDA0003600980430000062
吸收谷波长对应光柱图像可表示为：
Figure BDA0003600980430000063
进一步的，如图2所示，所述由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演待测气体的浓度廓线具体包括以下步骤：
步骤S51：对已知距离的硬目标物体进行测量，获得硬目标物体成像图像，由硬目标物体离测量系统距离信息以及硬目标物体在图像中所在像素位置信息，标定出测量系统图像像素与测量距离之间的关系；
步骤S52：利用标定后的测量距离与图像像素之间的关系，分别解算出实测图像中两束不同中心波长对应的距离分辨回波数据；
步骤S53：对所述的两束不同中心波长对应距离分辨回波数据应用差分吸收算法来反演计算出待测气体的廓线数据。
具体的，在测量系统参数确定后，测量距离与图像像素之间成特定关系，为了确定测量距离与像素之间的关系，可以通过对已知距离的硬目标物体进行成像。根据几何成像原理，计算出固定物体在图像像素所占位置信息，标定出图像像素与测量距离之间的关系。由标定后的光柱图像像素与测量距离之间的关系和图像像素值大小可以得到不同中心波长对应的距离分辨回波数据。示例性的，吸收峰波长对应图像解析出的距离分辨数据为P(r,λON)，吸收谷波长对应图像解析出的距离分辨数据为P(r,λOFF)。
进一步的，根据差分吸收原理，通过距离分辨数据为P(r,λOFF)和距离分辨数据为P(r,λON)可反演计算出待测气体的廓线，具体的计算方式如下：
Figure BDA0003600980430000071
其中，N(r)表示获得的待测气体廓线数据，P(r,λON)表示吸收峰波长对应的距离分辨数据，P(r,λOFF)表示吸收谷波长对应的距离分辨数据，σON表示待测气体在吸收峰波长处的吸收截面，σOFF表示待测气体在吸收谷波长处的吸收截面，r表示距离。
示例性的，通过本实施例探测方法对大气二氧化碳廓线进行探测。首先向大气中交替发射两束不同中心波长的激光束，其中一束激光束的中心波长位于二氧化碳的强吸收线上，另一束激光束的中心波长位于二氧化碳的吸收谷上。所述激光束与大气中包括二氧化碳在内的大气成分相互作用后，接收望远镜对产生的后向散射光柱成像，空间光调制器接收所成像的光柱图像，空间光调制器对光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号。使用数据采集卡对电信号进行同步采集，然后将电信号转换成数字信号。根据数字信号和调制信号分别复原不同中心波长激光的光柱图像。对图像像素与探测距离进行标定，得到图像像素与探测距离之间的特定关系。根据所述特定关系和复原的实测光柱图像解析出不同中心波长激光的距离分辨回波数据。根据中心波长位于二氧化碳吸收峰和中心波长位于二氧化碳吸收谷激光束的距离分辨回波数据按照差分吸收原理计算大气中二氧化碳的浓度廓线。
如图3所示，在本发明的另一实施例中还公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统，所述探测系统包括：
激光器，用于向待测大气中交替发射两束不同中心波长的激光束；
接收望远镜，用于对所述激光束与大气相互作用后的后向散射光柱成像；
空间光调制器，用于对所述成像的光柱图像进行调制；
光电探测器，用于将调制后的光信号转换为电信号；
数据采集卡，用于将相应的电信号转换为数字信号；
计算控制单元，用于根据数字信号和调制信号计算不同中心波长激光的光柱图像，根据所述光柱图像解析出不同中心波长激光的距离分辨数据，根据不同中心波长激光的距离分辨数据反演计算待测气体浓度廓线。
进一步的，所述探测系统还包括扩束镜，所述扩束镜用于对激光器发射的激光进行扩束，压缩发射激光的发散角，提高探测距离。
进一步的，所述探测系统还包括汇聚镜头，所述汇聚镜头用于对调制后的光信号进行汇聚。
进一步的，所述探测系统还包括窄带滤光片，所述窄带滤光片用于对调制后的光信号进行扣除杂散背景光。
进一步的，所述接收望远镜所在平面、空间光调制器所在平面和激光器所发射激光光束的光轴三者相交，满足沙氏成像原理。
满足沙氏成像原理使得探测系统具备理论上无穷远的景深，可以对大范围内的物体成清晰的像。示例性的，所述空间光调制器可以为数字微镜器件，在三者满足沙氏成像原理时，接收望远镜成像的光柱图像可以清晰地呈现在数字微镜器件像面上。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质存有计算机程序，计算机程序运行后，执行上述实施例中任意一项所述的大气差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机系统，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述实施例中任意一项所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，其特征在于，
所述廓线探测方法包括以下步骤：
步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；
步骤S2：接收所述激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对所述光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；
步骤S3：对所述电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；
步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；
步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。
2.根据权利要求1所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，其特征在于，
所述激光束的两种中心波长，分别位于待测气体的吸收峰上和位于待测气体的吸收谷上。
3.根据权利要求1-2任一项所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，其特征在于，
所述复原不同中心波长激光的光柱图像计算方式如下：
Figure FDA0003600980420000011
其中，Si(x,y)表示第i次调制时的调制信号，Ii(λ)表示中心波长为λ的激光束第i次采集时所对应的数字信号，L表示调制散斑数量。
4.根据权利要求1所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，其特征在于，
所述由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演待测气体的浓度廓线具体包括以下步骤：
步骤S51：对已知距离的硬目标物体进行测量，获得硬目标物体成像图像，由硬目标物体离测量系统距离信息以及硬目标物体在图像中所在像素位置信息，标定出测量系统图像像素与测量距离之间的关系；
步骤S52：利用标定后的测量距离与图像像素之间的关系，分别解算出实测图像中两束不同中心波长对应的距离分辨回波数据；
步骤S53：对所述的两束不同中心波长对应距离分辨回波数据应用差分吸收算法来反演计算出待测气体的廓线数据。
5.根据权利要求4所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，其特征在于，
所述差分吸收原理反演计算待测气体廓线的计算方式如下：
Figure FDA0003600980420000021
其中，N(r)表示获得的待测气体廓线数据，P(r,λON)表示吸收峰波长对应的距离分辨数据，P(r,λOFF)表示吸收谷波长对应的距离分辨数据，σON表示待测气体在吸收峰波长处的吸收截面，σOFF表示待测气体在吸收谷波长处的吸收截面，r表示距离。
6.一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统，其特征在于，
所述探测系统包括：
激光器，用于向待测大气中交替发射两束不同中心波长的激光束；
接收望远镜，用于对所述激光束与大气相互作用后的后向散射光柱成像；
空间光调制器，用于对所述成像的光柱图像进行调制；
光电探测器，用于将调制后的光信号转换为电信号；
数据采集卡，用于将相应的电信号转换为数字信号；
计算控制单元，用于根据数字信号和调制信号计算不同中心波长激光的光柱图像，根据所述光柱图像解析出不同中心波长激光的距离分辨数据，根据不同中心波长激光的距离分辨数据反演计算待测气体浓度廓线。
7.根据权利要求6所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统，其特征在于，
所述接收望远镜所在平面、空间光调制器所在平面和激光器所发射激光光束的光轴三者相交，满足沙氏成像原理。
8.根据权利要求6所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测系统，其特征在于，
所述探测系统还包括，
扩束镜，用于对激光器发射的激光进行扩束；
汇聚镜头，用于对空间光调制器调制后的光信号进行汇聚；
窄带滤光片，用于扣除探测信号中背景杂散光。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，介质存有计算机程序，计算机程序运行后，执行如权利要求1-5任意一项所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
10.一种计算机系统，其特征在于，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如权利要求1-5任意一项所述的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法。
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CN115290599A (zh) * 2022-10-08 2022-11-04 青岛镭测创芯科技有限公司 一种测量温室气体浓度的激光雷达系统
CN115372292A (zh) * 2022-08-30 2022-11-22 大连理工大学 一种基于连续波差分吸收激光雷达的no2浓度三波长探测方法
CN117111021A (zh) * 2023-07-17 2023-11-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于fpga测量大气相干长度廓线的系统和方法

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