CN115112618A - 探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼激光雷达系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的紫外激光脉冲与大气中所含物质接触，产生大气回波信号，该大气回波信号由望远镜接收后，由多模光纤传导至凸透镜，凸透镜的光路前方依次设有全反射镜片A和光栅，光栅将大气回波信号分成三路信号，该三路信号分别经过三路信号处理光路处理后汇总至计算机。本发明还公开了利用反斯托克斯拉曼激光雷达系统全天时探测生物气溶胶的方法，采用本发明能够提高白天情况下大气生物气溶胶浓度的测量精度。

Description

探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼激光雷达系统及方法
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的反斯托克斯拉曼激光雷达系统，本发明还设计利用上述雷达系统进行生物气溶胶全天时探测的方法。
背景技术
生物气溶胶含量空间分布特征随时间变化很大，尤其在白天情况下，生物气溶胶含量受人为活动等因素的影响，变化更为明显。因此，研究全天时情况下生物气溶胶的浓度、含量分布及扩散规律，对准确判断及评估空气污染控制、环境质量改善以及控制生物疾病发生具有重要的理论和现实意义。针对当前的用于生物气溶胶探测的荧光激光雷达容易受太阳辐射噪声的影响，导致在白天对生物气溶胶浓度进行探测时，荧光激光雷达测量结果不准确的问题，因此提出生物气溶胶荧光激光雷达全天时探测方法。生物气溶胶荧光激光雷达全天时探测方法的工作原理是由激光器向大气发射波长为266nm的紫外激光脉冲，与大气中的生物气溶胶发生相互作用，产生荧光散射信号，同时，紫外激光脉冲还会与大气中的氮气发生作用，产生反斯托克斯拉曼散射信号，然后利用光栅对日盲区荧光信号和氮气产生的反斯托克斯拉曼散射信号进行精细提取，结合生物气溶胶浓度反演算法，实现生物气溶胶浓度廓线全天时高精度测量，进而拓展及提升激光雷达的应用能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼激光雷达系统，该系统能够提高白天情况下大气生物气溶胶浓度的测量精度。
本发明的另一目的是提供利用反斯托克斯拉曼激光雷达系统探测生物气溶胶的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的紫外激光脉冲与大气中所含物质接触，产生大气回波信号，该大气回波信号由望远镜接收后，由多模光纤传导至凸透镜，凸透镜的光路前方依次设有全反射镜片A和光栅，光栅将大气回波信号分成三路信号，该三路信号分别经过三路信号处理光路处理后汇总至计算机。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
固体脉冲发生器产生的是266nm波长的紫外脉冲激光与生物气溶胶发生作用产生295nm波长的荧光光谱信号。
固体脉冲发生器产生的紫外脉冲激光与大气中所含氮气分子发生作用产生反斯托克斯拉曼散射信号。
大气回波信号将光栅分别为295nm波长的荧光光谱信号、氮气反斯托克斯拉曼散射信号、米散射信号三路光路。
三路信号处理光路具体为：
信号处理光路一：包括依次连接的全反射镜片B、窄带干涉滤光片A、凸透镜B及光电倍增管A，所述荧光光谱信号进入信号处理光路一进行信号处理；
信号处理光路二：包括依次连接的全反射镜片C、窄带干涉滤光片B、凸透镜C及光电倍增管B；所述米散射信号进入信号处理光路二进行信号处理；
信号处理光路三：包括依次连接的平面反射镜、窄带干涉滤光片C、凸透镜D及光电倍增管C；所述氮气反斯托克斯拉曼散射信号进入信号处理光路三进行信号处理。
本发明采用的第二种技术方案是，利用反斯托克斯拉曼激光雷达系统探测生物气溶胶的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，固体脉冲激光器发射的266nm波长的紫外激光脉冲与大气中所含物质中的生物气溶胶发生作用，诱导生物气溶胶中所含色氨酸产生荧光光谱，同时266nm波长的激光脉冲与大气中的氮气分子发生作用，产生反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤2，利用望远镜对产生的大气回波信号4进行接收，并由多模光纤传导至凸透镜A，然后由全反射镜片A调整光路；
步骤3，采用光栅对全反射镜片A反射的光路进行分光处理，分出荧光光谱信号和氮气反斯托克斯拉曼散射信号，分离出来的荧光信号经由全反射镜片B调整光路，选取295nm紫外波长的生物气溶胶荧光光谱峰值信号作为探测目标，利用窄带干涉滤光片A对峰值为295nm波长信号进行滤波提取，然后凸透镜B聚焦后，由光电倍增管A进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤4，分离出来的氮气反斯托克斯拉曼散射信号经由高反射率平面反射镜片作用后调整光路，由窄带干涉滤光片C滤波，凸透镜D聚焦后进入光电倍增管C，然后选取250.5nm波长的氮气反斯托克斯拉曼散射信号作为探测目标，利用高反射率平面反射镜片调整光路，然后采用窄带干涉滤光片C对峰值为250.5nm波长信号进行滤波提取，经凸透镜D最后由光电倍增光C进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤5，将氮气分子的反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据导入计算机中，并对反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据进行滤波和距离平方校正处理；
步骤6，根据生物气溶胶荧光激光雷达探测原理，利用软件编写生物气溶胶浓度计算程序，以大气中氮气在266nm激光诱发下产生的得到反斯托克斯拉曼散射信号作为参考信号，得到生物气溶浓度方程式表达式(1)如下所示，实现生物气溶胶浓度全天时探测。
Figure BDA0003712898200000041
式中，NBio(R)为生物气溶胶的浓度，WBio(R)为生物气溶胶的荧光回波信号光子数，WN2(R)为氮气的反斯托克斯拉曼回波信号光子数，Nanti-N2(R)为大气中氮气分子含量，T(λanti-N2,R)、T(λ1,R)分别为拉曼波长λanti-N2和荧光波长λ1在大气中传输的透过率，SF为生物气溶胶荧光散射截面积。
本发明的有益效果是，本发明提供的激光雷达系统的原理是基于生物气溶胶所含色氨酸和大气中的氮气分子在266nm波长激光脉冲激发下，产生荧光光谱信号和反斯托克斯拉曼散射信号；同时利用光栅经结合窄带通高反射率平面反射镜片及窄带干涉滤光片实现日盲区295nm紫外波长的生物气溶胶荧光信号和250.5nm波长的氮气反斯托克斯拉曼散射信号的精细提取，实现生物气溶胶数浓度的全天时精细反演，避免荧光光谱信号对拉曼散射信号探测时的干扰和影响，同时避免在白天情况下，太阳背景辐射对生物气溶胶荧光光谱信号的干扰和影响，提高全天时激光雷达测量生物气溶胶浓度的精度，同时解决荧光激光雷达在白天情况下探测大气生物气溶胶数浓度的难题。
附图说明
图1是本发明探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼激光雷达系统的结构示意图。
图中，1.固体脉冲激光器，2.紫外激光脉冲，3.大气中所含物质，4.大气回波信号，5.望远镜，6.多模光纤，7.凸透镜A，8.全反射镜片A，9.光栅，10.全反射镜片B，11.全反射镜片C，12.平面反射镜，13.窄带干涉滤光片A，14.凸透镜B，15.窄带干涉滤光片B，16.凸透镜C，17.窄带干涉滤光片C，18.凸透镜D，19.光电倍增管A，20.光电倍增管B，21.光电倍增管C，22.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。
本发明探测生物气溶胶的反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼荧光激光雷达系统，如图1所示，包括发射激光脉冲的固体脉冲激光器1，固体脉冲激光器1产生的266nm波长的紫外激光脉冲2与大气中所含物质(生物气溶胶粒子、氮气分子、气溶胶粒子)3产生作用，(生物气溶胶在266nm波长紫外激光脉冲作用下产生的)产生的大气回波信号(荧光光谱信号、氮气反斯托克斯拉曼散射信号、米散射信号)4由望远镜5接收，并由多模光纤6传导至凸透镜7，然后由全反射镜片A8调整光路，致使大气回波信号被光栅9分成荧光光谱信号、氮气的反斯托克斯拉曼散射信号、米散射信号三路光路；其中，分离出来的荧光光谱信号经由全反射镜片B10调整光路，由窄带干涉滤光片A13滤波，凸透镜B14聚焦后进入光电倍增管A19进行光电信号的转换处理；同样，分离出来的米散射信号经由全反射镜片C11调整光路，由窄带干涉滤光片B15滤波，凸透镜C16聚焦后进入光电倍增管B20进行光电信号的转换处理；同样，后分离出来的氮气反斯托克斯拉曼散射信号波长为250.5nm的衍射光通过反射率大于90％平面反射镜片12进行全反射，再由窄带干涉滤光片C17滤波，凸透镜D18聚焦后进入光电倍增管C21进行光电信号的转换处理，并得到氮气的反斯托克斯拉曼散射光电流信号，最后，所有的电流信号数据传入计算机22中进行数据处理。
上述系统中，固体脉冲激光器1的输出紫外波长为266nm的紫外激光脉冲，紫外激光脉冲2频率连续且可调节；望远镜5可同时接收生物气溶胶的荧光散射信号、氮气的反斯托克斯拉曼散射信号，多模光纤6可同时传导生物气溶胶的荧光散射信号以及氮气的反斯托克斯拉曼散射信号，全反射镜片A8对荧光散射信号以及氮气的反斯托克斯拉曼散射信号光路进行调整，全反射向光栅9，光栅9将峰值波长为266nm的米散射信号、峰值波长为295nm的荧光光谱信号和峰值波长为250.5nm的反斯托克斯拉曼散射信号进行分离，分离出来的荧光信号经由全反射镜片B10调整光路，由带宽为5nm的窄带干涉滤光片A13进行滤波，经由凸透镜B14聚焦后进入光电倍增管A19进行光电信号的转换处理；同样，分离出来的米散射信号经由全反射镜片C11调整光路，由带宽为1nm的窄带干涉滤光片B15进行滤波，经由凸透镜C16聚焦后进入光电倍增管B20进行光电信号的转换处理；同样，分离出来的氮气反斯托克斯拉曼散射信号经由高反射率平面反射镜片12调整光路，由窄带干涉滤光片C17滤波，凸透镜D18聚焦后进入光电倍增管C21进行光电信号的转换处理，最后，所有的信号传入计算机22中进行数据处理并反演出生物气溶胶浓度廓线，实现生物气溶胶全天时探测。
本发明利用反斯托克斯拉曼激光雷达系统探测生物气溶胶的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，固体脉冲激光器1发射的266nm波长的紫外激光脉冲2与大气中所含物质3中的生物气溶胶发生作用，诱导生物气溶胶中所含色氨酸产生荧光光谱，同时266nm波长的激光脉冲与大气中的氮气分子发生作用，产生反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤2，利用望远镜5对产生的大气回波信号(荧光光谱信号、氮气的反斯托克斯拉曼散射信号、米散射信号)4进行接收，并由多模光纤6传导至凸透镜A7，然后由全反射镜片A8调整光路；
步骤3，采用光栅9对光路进行分光处理，分出荧光光谱信号和反斯托克斯拉曼散射光谱信号，分离出来的荧光信号经由全反射镜片B10调整光路，选取295nm紫外波长的生物气溶胶荧光光谱峰值信号作为探测目标，利用窄带干涉滤光片A13对峰值为295nm波长信号进行滤波提取，然后凸透镜B14聚焦后，由光电倍增管A19进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤4，分离出来的氮气反斯托克斯拉曼散射信号经由高反射率平面反射镜片12作用后调整光路，由窄带干涉滤光片C17滤波，凸透镜D18聚焦后进入光电倍增管C21，然后选取250.5nm波长的氮气反斯托克斯拉曼散射信号作为探测目标，利用高反射率平面反射镜片12调整光路，然后采用窄带干涉滤光片C17对峰值为250.5nm波长信号进行滤波提取，经凸透镜D18最后由光电倍增光C21进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤5，将氮气分子的反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据导入计算机22中，并对反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据进行滤波和距离平方校正处理；
步骤6，根据生物气溶胶荧光激光雷达探测原理，以大气中氮气在266nm激光诱发下产生的得到反斯托克斯拉曼散射信号作为参考信号，得到生物气溶浓度方程式表达式(1)如下所示，实现生物气溶胶浓度全天时探测。
Figure BDA0003712898200000091
式中，NBio(R)为生物气溶胶的浓度，WBio(R)为生物气溶胶的荧光回波信号光子数，WN2(R)为氮气的反斯托克斯拉曼回波信号光子数，Nanti-N2(R)为大气中氮气分子含量，T(λanti-N2,R)、T(λ1,R)分别为拉曼波长λanti-N2和荧光波长λ1在大气中传输的透过率，SF为生物气溶胶荧光散射截面积。

Claims (6)

1.探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，其特征在于：包括固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的紫外激光脉冲与大气中所含物质接触，产生大气回波信号，该大气回波信号由望远镜接收后，由多模光纤传导至凸透镜，凸透镜的光路前方依次设有全反射镜片A和光栅，光栅将大气回波信号分成三路信号，该三路信号分别经过三路信号处理光路处理后汇总至计算机。
2.根据权利要求1所述的探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，其特征在于：所述固体脉冲发生器产生的是266nm波长的紫外脉冲激光与生物气溶胶发生作用产生295nm波长的荧光光谱信号。
3.根据权利要求2所述的探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，其特征在于：紫外脉冲激光与大气中所含氮气分子发生作用产生反斯托克斯拉曼散射信号。
4.根据权利要求3所述的探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，其特征在于：所述大气回波信号将光栅分别为295nm波长的荧光光谱信号、氮气反斯托克斯拉曼散射信号、米散射信号三路光路。
5.根据权利要求4所述的探测生物气溶胶的反斯托克斯拉曼荧光激光雷达系统，其特征在于：三路所述信号处理光路具体为：
信号处理光路一：包括依次连接的全反射镜片B、窄带干涉滤光片A、凸透镜B及光电倍增管A，所述荧光光谱信号进入信号处理光路一进行信号处理；
信号处理光路二：包括依次连接的全反射镜片C、窄带干涉滤光片B、凸透镜C及光电倍增管B；所述米散射信号进入信号处理光路二进行信号处理；
信号处理光路三：包括依次连接的平面反射镜、窄带干涉滤光片C、凸透镜D及光电倍增管C；所述氮气反斯托克斯拉曼散射信号进入信号处理光路三进行信号处理。
6.利用反斯托克斯拉曼激光雷达系统探测生物气溶胶的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，固体脉冲激光器发射的266nm波长的紫外激光脉冲与大气中所含物质中的生物气溶胶发生作用，诱导生物气溶胶中所含色氨酸产生荧光光谱，同时266nm波长的激光脉冲与大气中的氮气分子发生作用，产生反斯托克斯拉曼散射光谱；
步骤2，利用望远镜对产生的大气回波信号4进行接收，并由多模光纤传导至凸透镜A，然后由全反射镜片A调整光路；
步骤3，采用光栅对全反射镜片A反射的光路进行分光处理，分出荧光光谱信号和氮气反斯托克斯拉曼散射信号，分离出来的荧光信号经由全反射镜片B调整光路，选取295nm紫外波长的生物气溶胶荧光光谱峰值信号作为探测目标，利用窄带干涉滤光片A对峰值为295nm波长信号进行滤波提取，然后凸透镜B聚焦后，由光电倍增管A进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤4，分离出来的氮气反斯托克斯拉曼散射信号经由高反射率平面反射镜片作用后调整光路，由窄带干涉滤光片C滤波，凸透镜D聚焦后进入光电倍增管C，然后选取250.5nm波长的氮气反斯托克斯拉曼散射信号作为探测目标，利用高反射率平面反射镜片调整光路，然后采用窄带干涉滤光片C对峰值为250.5nm波长信号进行滤波提取，经凸透镜D最后由光电倍增光C进行探测，经过光电转换为电信号；
步骤5，将氮气分子的反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据导入计算机中，并对反斯托克斯拉曼散射电信号数据和生物气溶胶的荧光光谱电信号数据进行滤波和距离平方校正处理；
步骤6，根据生物气溶胶荧光激光雷达探测原理，以大气中氮气在266nm激光诱发下产生的得到反斯托克斯拉曼散射信号作为参考信号，得到生物气溶浓度方程式表达式(1)如下所示，实现生物气溶胶浓度全天时探测：
Figure FDA0003712898190000031
式中，NBio(R)为生物气溶胶的浓度，WBio(R)为生物气溶胶的荧光回波信号光子数，WN2(R)为氮气的反斯托克斯拉曼回波信号光子数，Nanti-N2(R)为大气中氮气分子含量，T(λanti-N2,R)、T(λ1,R)分别为拉曼波长λanti-N2和荧光波长λ1在大气中传输的透过率，SF为生物气溶胶荧光散射截面积。
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