CN115372292A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气环境监测技术领域，提出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。NO2差分吸收激光雷达包括二极管激光器、光谱仪、图像传感器、工控机和时序控制模块。控制时序同步控制二极管激光器发射、图像传感器采集和光谱仪记录光谱信息；二极管激光器波长在时序信号的控制下，相继发出位于NO2气体吸收峰波段的波长、位于NO2气体吸收谷波段的两波长；图像传感器采集图像并获得三种波长的扣除背景的大气后向散射信号强度，计算三种波长的激光雷达信号强度之间的比例，得到NO2气体的差分吸收激光雷达信号。本发明通过三波长探测的方式克服了传统双波长探测中气溶胶造成的影响，提高了NO2浓度测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测与保护技术领域，尤其涉及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。
背景技术
差分吸收激光雷达(DIAL)技术因其能够实时测量三维空间上的大气污染物浓度分布，在大气环境监测领域具有重要的应用价值。DIAL技术针对不同气体的吸收谱线，利用快速的波长调谐交替向大气中发射不同波长的激光脉冲(一束波长位于待测气体吸收峰波段，记为λon；另外一束波长位于待测气体吸收谷波段，记为λoff)，通过分析其后向散射信号的差异吸收从而获得待测气体在大气中的浓度分布。
主流的DIAL技术主要通过向大气中发射光脉冲信号，然后根据光子飞行时间(TOF)探测不同距离上的后向散射信号，从而最终实现大气气体(如NO2)的浓度探测。然而，脉冲式差分吸收激光雷达技术对光源要求非常苛刻，需要可调谐、双波长、高脉冲能量、窄线宽且稳定性好的纳秒量级(10-100ns)脉冲光源。因此，自1980年以来，光源问题一直是DIAL技术研究突破的关键。
在先技术(Fredriksson K A,et.al.,“Mobile lidar system forenvironmental probing,”Applied Optics,20(24):4181-4189,1981)中，采用Nd:YAG激光器泵浦染料激光器作为窄线宽可调谐脉冲光源，探测了大气NO2浓度。在先技术(RyoichiT,et.al.,“Tunable solid-state blue laser differential absorption lidar systemfor NO2 monitoring,”Optical Engineering，35(8):2371–2375,1996)中，由Nd:YAG激光器泵浦Ti:Sapphire激光器作为光源，并采用和频的方式产生了可调谐的脉冲式激光输出。然而，这些方法存在着光源、光电探测结构复杂、稳定性差、成本高昂，难以实际应用的瓶颈问题。
在先技术(Mei L,et.al.,"Remote sensing of atmospheric NO2 by employingthe continuous-wave differential absorption lidar technique,"Optical Express,25:A953-A962,2017)中，基于Scheimpflug原理，采用二极管激光器作为光源、图像传感器作为探测器，提出了连续波NO2差分吸收激光雷达，实现了大气NO2浓度探测。然而，由于NO2气体测量时λon和λoff波长间隔较大，导致气溶胶差分吸收造成的NO2测量误差较大，并且难以通过后期信号处理方法彻底消除，极大地影响了系统测量的精度。
发明内容
本发明的目的是提供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，克服大气气溶胶对NO2的浓度影响，实现NO2浓度的高精度探测。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：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，包括激光发射单元、激光接收单元和系统控制单元。
激光发射单元包括二极管激光器5、分光片6、光谱仪7和透镜组8；激光接收单元包括光学成像系统9、滤光片10和图像传感器11；系统控制单元包括激光器电流驱动模块3、激光器温控模块4、工控机1和时序控制模块2。
该方法的包括步骤如下；
步骤1.工控机1通过时序控制模块2产生时序信号，并将触发信号同步输出给激光器电流驱动模块3、图像传感器11和光谱仪7；
步骤2.利用激光器温控模块4设定二极管激光器5的工作温度，激光器电流驱动模块3在时序信号的控制下输出电流，并使二极管激光器5按照“λon波长输出-关闭-λoff1波长输出-关闭-λoff2波长输出-关闭”的状态工作；
步骤3.二极管激光器5发出的光束经过分光片6被分成两束光，一束光由透镜组8准直后发射到大气中，另一束光被光谱仪7接收；
步骤4.发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统9接收，经带通滤光片10滤除大气背景信号后，再由图像传感器11实现光电探测；获得λon波长的大气后向散射信号P1，λon波长的大气背景信号P2，λoff1波长的大气后向散射信号P3，λoff1波长的大气背景信号P4，λoff2波长的大气后向散射信号P5，λoff2波长的大气背景信号P6；
步骤5.计算P1–P2，P3–P4,P5–P6分别得到二极管激光器λon波长、λoff1波长和λoff2波长扣除背景后的大气后向散射信号强度Pon、Poff1、Poff2；
步骤6.重复步骤1-步骤5至N次，N为自然数，取N次Pon、Poff1、Poff2信号的平均值分别记为Pon-avg、Poff1-avg、Poff2-avg；
步骤7.校准：将雷达系统对距离已知的固定物体进行测量，并记录由固定物体反射的激光光束在图像传感器11的位置；根据几何成像原理，计算出图像传感器11像素与测量距离之间的关系；
步骤8.结合步骤7中得到的图像传感器11与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程，求得消除气溶胶影响的NO2差分吸收激光雷达信号R(z)：
步骤9.NO2气体浓度分布(C(z))通过下式求解：
其中，σ(λon)是NO2气体在λon波长处的等效吸收截面，σ(λoff1)是NO2气体在λoff1波长处的等效吸收截面,z是测量距离，
是对距离的微分算符。
工控机1分别连接时序控制模块2、光谱仪7和图像传感器11，工控机1控制时序控制模块2产生控制信号，控制光谱仪7记录光谱信息，控制图像传感器11采集图像；时序控制模块2分别连接激光器电流驱动模块3、光谱仪7和图像传感器11，时序控制模块2产生的控制信号分别控制激光器电流驱动模块3输出驱动电流、控制光谱仪7采集光谱信息和控制图像传感器11采集图像信息；光谱仪7采集的光谱信息和图像传感器11采集的图像信息传输至工控机1处理；激光器电流驱动模块3和激光器温控模块4均与二极管激光器5相连；二极管激光器5发射的激光波长受激光器温控模块4输出的温度及激光器电流驱动模块3输出的驱动电流控制，相继发出位于NO2气体吸收峰波段的λon波长、位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长和λoff2波长。
二极管激光器5发射的激光经分光片6分束为两束光，一束光被光谱仪7接收，另一束光经透镜组8准直后射出；准直后射出的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统9接收，经滤光片10滤除大气背景信号后，再由图像传感器11实现光电探测。
所述位于NO2气体吸收峰波段的λon波长与位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长的间隔为d1，位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长和λoff2波长的间隔为d2，d1＝d2或近似相等；位于NO2气体吸收峰波段的λon波长与位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长的NO2差分吸收截面是位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长与λoff2波长的NO2差分吸收截面的十倍以上。
所述图像传感器11为面阵图像传感器、线阵图像传感器或多线阵图像传感器。
所述工控机1控制时序以“高电平V1-低电平-高电平V2-低电平-高电平V3-低电平”为周期。
所述分光片6的分光比为90:10，其中经透镜组8准直后射出的信号光占比90％，光谱仪接收的信号光占比10％。
所述图像传感器11通过采集图像获得λon、λoff1和λoff2波长的扣除背景后的大气后向散射信号强度Pon-avg、Poff1-avg、Poff2-avg；NO2气体的差分吸收激光雷达信号通过
计算获得。
所述滤光片10为带通滤光片，允许透射波长与二极管激光器5的工作波长相匹配。
所述二极管激光器5的波长可设置为：λon波长为448nm，λoff1波长为449.7nm，λoff2波长为451.4nm。
本发明的有益效果：本发明基于连续波差分吸收激光雷达，提出了一种三波长探测大气NO2浓度分布的方法，可方便得到不同大气情况下气溶胶对探测波长差异吸收所产生的误差，克服了气溶胶在传统双波长连续波差分吸收激光雷达探测中的影响，提高了NO2浓度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明中NO2气体在紫外到可见光波段的吸收谱线图，二极管激光器工作波长位于NO2吸收谱范围内不同吸收强度处，分别为λon波长、λoff1波长、λoff2波长。(a)NO2气体在300-600nm范围内的吸收谱线图；(b)NO2气体吸收谱线局部放大图及λon波长、λoff1波长、λoff2波长相对位置示意图；
图2为一种三波长NO2差分吸收激光雷达的结构图。
图中：
为光路；1—工控机，2—时序控制模块，3—激光器电流驱动模块，4—激光器温控模块，5—二极管激光器，6—分光片，7—光谱仪，8—透镜组，9—光学成像系统，10—滤光片，11—图像传感器。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种克服大气气溶胶影响的NO2浓度测量方法，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的实施例三波长NO2差分吸收激光雷达包括激光发射单元、激光接收单元和系统控制单元；激光发射单元包括二极管激光器5、分光片6、光谱仪7和透镜组8；二极管激光器5发射的激光束经分光片6被分成两束光，一束光被光谱仪7接收，另一束光经第一透镜组8准直射出；激光接收单元包括光学成像系统9、滤光片10、图像传感器11；系统控制单元包括激光器电流驱动模块3、激光器温控模块4、工控机1和时序控制模块2；控制时序以“高电平V1-低电平-高电平V2-低电平-高电平V3-低电平”为周期，在工控机1的控制下，通过时序控制模块2输出控制信号，同步控制二极管激光器5发射、图像传感器11采集和光谱仪7记录光谱信息；二极管激光器5的波长受温度及驱动电流控制，相继发出位于NO2气体吸收峰波段的λon波长，位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长和λoff2波长。
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，工作过程如下：
A.工控机1通过时序控制模块2产生以“高电平V1-低电平-高电平V2-低电平-高电平V3-低电平”为周期的时序控制信号，并将触发信号同步输出给激光器电流驱动模块3、图像传感器11和光谱仪7。
B.利用激光器温控模块4设定二极管激光器5的工作温度，激光器电流驱动模块3在时序信号的控制下输出电流，并使二极管激光器5按照“λon波长输出-关闭-λoff1波长输出-关闭-λoff2波长输出-关闭”的状态工作。二极管激光器5的波长设置准则是：λon波长位于NO2气体吸收谱线的吸收峰波段，λoff1波长、λoff2波长位于NO2气体吸收谱线的吸收谷波段；λon-λoff1的波长间隔和λoff1-λoff2的波长间隔相等或近似相等；λon-λoff1的NO2差分吸收截面尽可能大；λon-λoff1的NO2差分吸收截面是λoff1-λoff2的NO2差分吸收截面的十倍以上。
C.二极管激光器5发出的光束经过分光片6被分成了两束光，一束光由透镜组8准直后发射到大气中，另一束光被光谱仪7接收；
D.发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统9接收，经带通滤光片10滤除大气背景信号后，再由图像传感器11实现光电探测；
若图像传感器11为面阵图像传感器，将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加，获得时序下的信号强度分别为：λon波长的大气后向散射信号P1，λon波长的大气背景信号P2，λoff1波长的大气后向散射信号P3，λoff1波长的大气背景信号P4，λoff2波长的大气后向散射信号P5，λoff2波长的大气背景信号P6；
E.计算P1–P2，P3–P4,P5–P6分别得到二极管激光器λon波长、λoff1波长和λoff2波长扣除背景后的大气后向散射信号强度Pon、Poff1、Poff2；
F.重复步骤A-E至N次，N为自然数，取N次Pon、Poff1、Poff2信号的平均值分别记为Pon-avg、Poff1-avg、Poff2-avg；
G.校准：将雷达系统对距离已知的固定物体进行测量，并记录由固定物体反射的激光光束在图像传感器11的位置；根据几何成像原理，计算出图像传感器11像素与测量距离之间的关系；
H.结合步骤G中得到的图像传感器11与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程，如公式1，求取消除气溶胶影响的NO2差分吸收激光雷达信号R(z)：
I.NO2气体浓度分布(C(z))通过公式2求解：
其中，σ(λon)是NO2气体在λon波长处的等效吸收截面，σ(λoff1)是NO2气体在λoff1波长处的等效吸收截面,z是测量距离，
是对距离的微分算符。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一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，其特征在于，包括步骤如下；
步骤1.工控机(1)通过时序控制模块(2)产生时序信号，并将触发信号同步输出给激光器电流驱动模块(3)、图像传感器(11)和光谱仪(7)；
步骤2.利用激光器温控模块(4)设定二极管激光器(5)的工作温度，激光器电流驱动模块(3)在时序信号的控制下输出电流，并使二极管激光器(5)按照“λon波长输出-关闭-λoff1波长输出-关闭-λoff2波长输出-关闭”的状态工作；
步骤3.二极管激光器(5)发出的光束经过分光片(6)被分成两束光，一束光由透镜组(8)准直后发射到大气中，另一束光被光谱仪(7)接收；
步骤4.发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统(9)接收，经带通滤光片(10)滤除大气背景信号后，再由图像传感器(11)实现光电探测；获得λon波长的大气后向散射信号P1，λon波长的大气背景信号P2，λoff1波长的大气后向散射信号P3，λoff1波长的大气背景信号P4，λoff2波长的大气后向散射信号P5，λoff2波长的大气背景信号P6；
步骤5.计算P1–P2，P3–P4,P5–P6分别得到二极管激光器λon波长、λoff1波长和λoff2波长扣除背景后的大气后向散射信号强度Pon、Poff1、Poff2；
步骤6.重复步骤1-步骤5至N次，N为自然数，取N次Pon、Poff1、Poff2信号的平均值分别记为Pon-avg、Poff1-avg、Poff2-avg；
步骤7.校准：将雷达系统对距离已知的固定物体进行测量，并记录由固定物体反射的激光光束在图像传感器(11)的位置；根据几何成像原理，计算出图像传感器(11)像素与测量距离之间的关系；
步骤8.结合步骤7中得到的图像传感器(11)与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程，求得消除气溶胶影响的NO2差分吸收激光雷达信号R(z)：
步骤9.NO2气体浓度分布(C(z))通过下式求解：
其中，σ(λon)是NO2气体在λon波长处的等效吸收截面，σ(λoff1)是NO2气体在λoff1波长处的等效吸收截面,z是测量距离，
是对距离的微分算符。
2.根据权利要求1所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述的工控机(1)分别连接时序控制模块(2)、光谱仪(7)和图像传感器(11)，工控机(1)控制时序控制模块(2)产生控制信号，控制光谱仪(7)记录光谱信息，控制图像传感器(11)采集图像；时序控制模块(2)分别连接激光器电流驱动模块(3)、光谱仪(7)和图像传感器(11)，时序控制模块(2)产生的控制信号分别控制激光器电流驱动模块(3)输出驱动电流、控制光谱仪(7)采集光谱信息和控制图像传感器(11)采集图像信息；光谱仪(7)采集的光谱信息和图像传感器(11)采集的图像信息传输至工控机(1)处理；激光器电流驱动模块(3)和激光器温控模块(4)均与二极管激光器(5)相连；二极管激光器(5)发射的激光经分光片(6)分束为两束光，一束光被光谱仪(7)接收，另一束光经透镜组(8)准直后射出；准直后射出的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统(9)接收，经滤光片(10)滤除大气背景信号后，再由图像传感器(11)实现光电探测；二极管激光器(5)发射的激光波长受激光器温控模块(4)的温度及激光器电流驱动模块(3)输出的驱动电流控制，相继发出位于NO2气体吸收峰波段的λon波长、位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长和λoff2波长。
3.根据权利要求2所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述位于NO2气体吸收峰波段的λon波长与位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长的间隔为d1，位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长和λoff2波长的间隔为d2，d1＝d2；位于NO2气体吸收峰波段的λon波长与位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长的NO2差分吸收截面是位于NO2气体吸收谷波段的λoff1波长与λoff2波长的NO2差分吸收截面的十倍以上。
4.根据权利要求1或2所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述图像传感器(11)为面阵图像传感器、线阵图像传感器或多线阵图像传感器。
5.根据权利要求4所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述图像传感器(11)通过采集图像获得λon、λoff1和λoff2波长的扣除背景后的大气后向散射信号强度Pon-avg、Poff1-avg、Poff2-avg；NO2气体的差分吸收激光雷达信号通过
计算获得。
6.根据权利要求1所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述工控机(1)控制时序以“高电平V1-低电平-高电平V2-低电平-高电平V3-低电平”为周期。
7.根据权利要求1所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述分光片(6)的分光比为90:10，其中经透镜组(8)准直后射出的信号光占比90％，光谱仪接收的信号光占比10％。
8.根据权利要求1所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述滤光片(10)为带通滤光片。
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