CN215953859U - 一种臭氧差分吸收激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及大气臭氧探测领域，尤其是一种臭氧差分吸收激光雷达系统，所述臭氧差分吸收激光雷达系统包括：激光发射装置，所述激光发射装置发射第一波长的激光束；波长转换装置，所述第一波长的激光束通过所述波长转换装置后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；激光接收装置，所述激光接收装置接收回波信号，所述回波信号由所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束经大气层后向散射所得。本实用新型提供的雷达系统技术简单、成本较低，维护方便。

Description

一种臭氧差分吸收激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及大气臭氧探测领域，尤其是一种臭氧差分吸收激光雷达系统

背景技术

虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用，但若其在对流层浓度增加，则会对人类、动植物生长和生态环境带来严重危害，同时在对流层光化学、大气环境质量和生态环境方面起着重要作用。差分吸收激光雷达技术因其空分辨率高、快速实时、动态范围大等优势成为探测大气臭氧分布的一种有效的手段。

目前通常使用激光器发射激光光源泵浦气体(如氢气、氘气、CO2)拉曼管，以产生相应的不同波长的拉曼激光，拉曼激光和激光光源经过扩束准直后发射至大气中，经过大气的衰减，被大气中的粒子散射和吸收，利用臭氧对不同波长的拉曼激光吸收程度不同，形成了差分吸收；经过大气粒子以及臭氧的散射和吸收，后向散射的激光在返回的路程中再次被大气消光，然后由接收光学系统接收，经过光电探测器光电转换，最后对回波信号采集，使用差分吸收算法可获得臭氧浓度空间分布信息。基于可调谐激光光源或是OPO调谐技术的系统，通常技术复杂、成本较高，维护不便。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种臭氧差分吸收激光雷达系统，旨在解决现有技术中的至少一个问题。

本实用新型的第一方面提出了一种臭氧差分吸收激光雷达系统，包括：激光发射装置，所述激光发射装置发射第一波长的激光束；波长转换装置，所述第一波长的激光束通过所述波长转换装置后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；激光接收装置，所述激光接收装置接收回波信号，所述回波信号由所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束经大气层后向散射所得。本实用新型提供的雷达系统技术简单、成本较低，维护方便。

可选地，所述激光发射装置包括：激光器，所述激光器发射第一波长的激光束，所述第一波长为266nm。本实用新型通过采用266nm激光器其优点在于技术成熟，易于实现。

可选地，所述激波长转换装置包括：拉曼管，所述第一波长的激光束通过所述拉曼管后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；所述第二波长为287nm，所述第三波长为299nm。本实用新型使用266nm激光器抽运拉曼管，产生波长287nm、299nm激光束，使用这种方法产生拉曼激光比较直接简单、可靠安全。

可选地，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：望远镜，所述望远镜接收所述回波信号，并将所述接收回波信号激光接收装置输出至所述激光接收装置。本实用新型通过采用望远镜更有利于回波信号的接收。

可选地，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括扩束镜、第一反射镜和第二反射镜，分别经过所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜后的复合激光束与所述望远镜同轴设置；或者分别经过所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜后的复合激光束与所述望远镜离轴设置；所述复合激光束包括所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束。本实用新型采用发射和接收同轴的方式可尽可能减少雷达盲区，提高雷达数据使用价值；或者，采用离轴的方式可减少近场回波饱和的影响。

可选地，所述回波信号包括第一回波信号、第二回波信号和第三回波信号；所述第一回波信号、所述第二回波信号和所述第三回波信号分别由第一波长的激光束、第二波长的激光束、第三波长的激光束经大气层后向散射所得。

可选地，所述激光接收装置包括：第一探测器，所述第一探测器接收所述第一回波信号；第二探测器，所述第二探测器接收所述第二回波信号；第三探测器，所述第三探测器接收所述第二回波信号；第四探测器，所述第四探测器接收所述第三回波信号；第五探测器，所述第五探测器接收所述第三回波信号。

可选地，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：光阑、第一透镜和第一滤光片，所述光阑、第一透镜和第一滤光片依次设置于所述望远镜的出光侧。本实用新型通过采用光阑、第一透镜和第一滤光片组合可以令望远镜接收到的回波信号形成准直光束。

可选地，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：第一二向色镜、第二二向色镜、第一分束器和第二分束器；所述第一二向色镜的入光侧设置于所述第一滤光片的出光侧；所述第二二向色镜的入光侧设置于所述第一二向色镜的出光侧，所述第一探测器设置于所述第一二向色镜的出光侧；所述第一分束器和所述第二分束器分别设置于所述第二二向色镜的出光侧；所述第二探测器、所述第三探测器、所述第四探测器和所述第五探测器分别设置于所述所述第一分束器和所述第二分束器的出光侧。本实用新型第一分束器、第二分束器对287nm、299nm的回波信号进行分光，可免去回波信号易饱和的影响。

附图说明

图1为本实用新型臭氧差分吸收激光雷达系统一个实施例的示意图；

图2为本实用新型臭氧差分吸收激光雷达系统另一个实施例的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

现有方案的问题：(1)基于可调谐激光光源或是OPO调谐技术的系统，通常技术复杂、成本较高，维护不便；(2)通常采用固体激光器泵浦基于氢气、氘气的拉曼管以产生拉曼光的方式，不仅可能存在光路结构复杂、泵浦源功率需求大的问题，气体本身也存在安全问题；(3)由于发射和接收的光轴比较接近(离轴)或使用同轴结构，近场回波信号容易饱和，影响测量。

基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

请参见图1和图2，本申请方案详细阐述了一种臭氧差分吸收激光雷达系统具体包括：

激光发射装置23，所述激光发射装置23发射第一波长的激光束。在一个可选的实施例中，所述激光发射装置23包括激光器，所述激光器发射第一波长的激光束，所述第一波长为266nm。更进一步地，所述激光器可以包括但不限于266nm固体激光器；在其他的一个或一些实施例中，所述激光器还可以为其他类型的激光器此处就不一一进行列举。

波长转换装置24，所述波长转换装置24通过所述第一波长的激光束分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；在一个可选的实施例中，所述激波长转换装置24包括：拉曼管，所述第一波长的激光束通过所述拉曼管后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；所述第二波长为287nm，所述第三波长为299nm。本实用新型使用266nm的固体激光器抽运CO2拉曼管，进而产生波长287nm、299nm激光束，使用这种方法产生拉曼激光比较直接简单、可靠安全。

激光接收装置，所述激光接收装置接收回波信号，所述回波信号由所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束经大气层后向散射所得。

在一个可选的实施例中，所述回波信号包括第一回波信号、第二回波信号和第三回波信号；所述第一回波信号、所述第二回波信号和所述第三回波信号分别由第一波长的激光束、第二波长的激光束、第三波长的激光束经大气层后向散射所得。

在一个可选的实施例中，所述激光接收装置可包括：第一探测器18，所述第一探测器18接收第一回波信号；第二探测器19，所述第二探测器19接收第二回波信号；第三探测器20，所述第三探测器20接收第二回波信号；第四探测器21，所述第四探测器21接收第三回波信号；第五探测器22，所述第五探测器22接收第三回波信号。更进一步地，所述第一探测器18包括266nm激光探测器，所述第二探测器19包括287nm激光探测器，所述第三探测器20包括287nm激光探测器，所述第四探测器21包括299nm激光探测器，所述第五探测器22包括299nm激光探测器。

在一个可选的实施例中，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括望远镜1，所述望远镜1接收所述回波信号，并将所述接收回波信号激光接收装置输出至所述激光接收装置。更进一步地，所述望远镜1包括主镜28和次镜29，所述主镜28和所述次镜29可同轴设置。在一个实施例中，所述望远镜1可以采用卡塞格林望远镜，在另外的一个实施中，所述望远镜1还可以采用其他类型的望远镜，在此不再赘述。

请再参见图1，在一个可选的实施例中，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括扩束镜27、第一反射镜25和第二反射镜26，分别经过所述扩束镜27、所述第一反射镜25和所述第二反射镜26后的复合激光束与所述望远镜1同轴设置，所述复合激光束包括所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束。在同轴设置时，所述扩束镜27的入光侧设置于所述拉曼管的出光侧，且所述扩束镜27设置于所述望远镜1外部，第一反射镜25的入光侧设置于所述扩束镜27的出光侧，所述第二反射镜26的入光侧设置于所述第一反射镜25的出光侧，且所述第二反射镜26设置在所述望远镜1的次镜29上。在实际的应用过程中，266nm固体激光器发射266nm激光束进入拉曼管，通过拉曼频移效应，产生287nm、299nm的拉曼激光。266nm、287nm、299nm三个波长的激光束从拉曼管中出射，进入扩束镜27被扩束准直后，经过第一反射镜25和第二反射镜26反射，发射到大气中。本实用新型采用发射和接收同轴的方式可尽可能减少雷达盲区，提高雷达数据使用价值。

请再参见图2，在另一个可选的实施例中，分别经过所述扩束镜27、所述第一反射镜25和所述第二反射镜26后的复合激光束与所述望远镜1离轴设置；所述复合激光束包括所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束。在离轴设置时，所述扩束镜27设置于所述望远镜1内部；所述第一反射镜25的入光侧设置于所述拉曼管的出光侧，所述第二反射镜26的入光侧设置于所述第一反射镜25的出光侧，所述扩束镜27的入光侧设置于所述第二反射镜26的出光侧。在实际的应用过程中，266nm固体激光器发射266nm激光束进入拉曼管，通过拉曼频移效应，产生287nm、299nm的拉曼激光。266nm、287nm、299nm三个波长的激光束从拉曼管中出射，经过第一反射镜25和第二反射镜26反射，进入扩束镜27，被扩束镜27扩束准直后发射到大气中。本实用新型采用发射和接收离轴的方式可减少近场回波饱和的影响。

在一个可选的实施例中，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：光阑2、第一透镜3和第一滤光片4，所述光阑2、第一透镜3和第一滤光片4依次设置于所述望远镜1的出光侧。三个波长的后向散射回波信号返回并由望远镜1接收，回波信号通过望远镜1内部的主镜28和次镜29反射，并聚焦于光阑2中心，望远镜1通过光阑2限制接收的视场角。经过光阑2后的发散光束由第一透镜3接收并准直，准直的光束经过第一滤光片4进行滤光。进一步地，所述第一滤光片4可以包括但不限于中性密度滤光片，所述第一透镜3包括但不限于视场透镜。

在一个可选的实施例中，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：第一二向色镜5、第二二向色镜8、第一分束器10和第二分束器12；所述第一二向色镜5的入光侧设置于所述第一滤光片4的出光侧；所述第二二向色镜8的入光侧设置于所述第一二向色镜5的出光侧，所述第一探测器18设置于所述第一二向色镜5的出光侧；所述第一分束器10和所述第二分束器12分别设置于所述第二二向色镜8的出光侧；所述第二探测器19、所述第三探测器20、所述第四探测器21和所述第五探测器22分别设置于所述所述第一分束器10和所述第二分束器12的出光侧。本实用新型第一分束器10、第二分束器12对287nm、299nm的回波信号进行分光，可免去回波信号易饱和的影响。

准直的光束经过第一滤光片4后，由第一二向色镜5分光，其中反射部分为包含266nm波长的光束，经过第二滤光片6滤光，得到单一的266nm波长的光束，最后由第二透镜13聚焦到相应266nm的第一探测器18上，此处主要是波长266nm的米散射回波信号，用于反演大气气溶胶光学参数廓线。此外，由第一二向色镜5分光中的透射部分的光包含287nm、299nm波长的光束，经过第三滤光片7滤去多余的背景信号，再通过第二二向色镜8分光。更进一步地，所述第二滤光片6包括但不限于干涉滤光片，所述第三滤光片7包括但不限于带通滤光片，所述第二透镜13包括但不限于聚焦透镜。

本实用新型在对回波信号中287nm波长的光束和299nm波长的光束进行接收时，可分别包括如下两种方式：

使用直接接收方式(即图1或图2中不包含虚线框内部分)：由第一二向色镜5分光的反射部分为包含287nm波长的光束，经过第四滤光片9滤光，得到单一的287nm波长的光束，光束由第三透镜14聚焦到287nm的第二探测器19上，此处主要是波长287nm的米散射回波信号，用于差分吸收反演臭氧的浓度分布。其中，所述第四滤光片9包括但不限于干涉滤光片，所述第三透镜14包括但不限于聚焦透镜。

使用9:1分光接收方式(即图1或图2中包含虚线框内部分)：由第二二向色镜8分光的反射部分为包含287nm波长的光束，经过第四滤光片9滤光，得到单一的287nm波长的光束，再由第一分束器10分光，分别得到透射和反射的能量比值为9:1的光束，光束分别由第三透镜14、第四透镜15聚焦到相应的287nm的第二探测器19和第三探测器20上，此处主要是波长287nm的米散射回波信号，用于差分吸收反演臭氧的浓度分布。其中，所述第一分束器10包括但不限于9:1分束镜，所述第四透镜15包括但不限于聚焦透镜。

使用直接接收方式(即图1或图2中不包含虚线框内部分)：由第二二向色镜8分光的透射部分为包含299nm波长的光束，经过第五滤光片11滤光，得到单一的299nm波长的光束，光束由第五透镜16聚焦到299nm的第四探测器21上，此处主要是波长299nm的米散射回波信号，用于差分吸收反演臭氧的浓度分布。其中，所述第五滤光片11为干涉滤光片，所述第五透镜16和所述第六透镜17均为聚焦透镜。

使用9:1分光接收方式(即图1或图2中包含虚线框内部分)：由第二二向色镜8分光的透射部分为包含299nm波长的光束，经过第四滤光片9滤光，得到单一的299nm波长的光束，再由第二分束器12分光，分别得到透射和反射的能量比值为9:1的光束，光束分别由第五透镜16、第六透镜17聚焦到相应299nm的第四探测器21和第五探测器22上，此处主要是波长299nm的米散射回波信号，用于差分吸收反演臭氧的浓度分布。其中，所述第二分束器12包括但不限于9:1分束镜。

本实用新型所提出的臭氧差分吸收激光雷达系统是利用后向散射测量和臭氧差分吸收原理，通过臭氧的吸收特性算法反演臭氧的空间分布信息。使用9:1分束器对287nm、299nm的回波信号进行分光，通过能量比例算法可免去回波信号易饱和的影响。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光发射装置，所述激光发射装置发射第一波长的激光束；

波长转换装置，所述第一波长的激光束通过所述波长转换装置后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；

激光接收装置，所述激光接收装置接收回波信号，所述回波信号由所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束经大气层后向散射所得。

2.根据权利要求1所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射装置包括：

激光器，所述激光器发射第一波长的激光束，所述第一波长为266nm。

3.根据权利要求2所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述波长转换装置包括：

拉曼管，所述第一波长的激光束通过所述拉曼管后分别产生第二波长的激光束和第三波长的激光束；所述第二波长为287nm，所述第三波长为299nm。

4.根据权利要求3所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：

望远镜，所述望远镜接收所述回波信号，并将所述接收回波信号激光接收装置输出至所述激光接收装置。

5.根据权利要求4所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括扩束镜、第一反射镜和第二反射镜，其特征在于：

分别经过所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜后的复合激光束与所述望远镜同轴设置；或者

分别经过所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜后的复合激光束与所述望远镜离轴设置；

所述复合激光束包括所述第一波长的激光束、所述第二波长的激光束和所述第三波长的激光束。

6.根据权利要求5所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于：

所述回波信号包括第一回波信号、第二回波信号和第三回波信号；

所述第一回波信号、所述第二回波信号和所述第三回波信号分别由第一波长的激光束、第二波长的激光束、第三波长的激光束经大气层后向散射所得。

7.根据权利要求6所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收装置包括：

第一探测器，所述第一探测器接收所述第一回波信号；

第二探测器，所述第二探测器接收所述第二回波信号；

第三探测器，所述第三探测器接收所述第二回波信号；

第四探测器，所述第四探测器接收所述第三回波信号；

第五探测器，所述第五探测器接收所述第三回波信号。

8.根据权利要求7所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：

光阑、第一透镜和第一滤光片，所述光阑、第一透镜和第一滤光片依次设置于所述望远镜的出光侧。

9.根据权利要求8所述的臭氧差分吸收激光雷达系统，其特征在于，所述臭氧差分吸收激光雷达系统还包括：

第一二向色镜、第二二向色镜、第一分束器和第二分束器；

所述第一二向色镜的入光侧设置于第一滤光片的出光侧；

所述第二二向色镜的入光侧设置于所述第一二向色镜的出光侧，所述第一探测器设置于所述第一二向色镜的出光侧；

所述第一分束器和所述第二分束器分别设置于所述第二二向色镜的出光侧；

所述第二探测器、所述第三探测器、所述第四探测器和所述第五探测器分别设置于所述第一分束器和所述第二分束器的出光侧。

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