一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，包括激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)采集和信號(hào)分析單元，所述的激光發(fā)射單元采用D2、H2雙拉曼管光源系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)射266nm、289nm、299nm、316nm激光，由光學(xué)接收單元接收，光學(xué)接收單元出來(lái)的光信號(hào)由信號(hào)采集單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并保存在工控機(jī)上，通過(guò)信號(hào)分析單元實(shí)時(shí)分析。四通道的回波信號(hào)同時(shí)探測(cè)，可以兼顧對(duì)流層臭氧低層、中層、高層不同高度探測(cè)精度的需求，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)流層臭氧立體分布的晝夜全天候觀測(cè)，具有較高的時(shí)間分辨率、空間分辨率和高探測(cè)精度。
【專利說(shuō)明】一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)遙測(cè)接收裝置，具體是涉及將差分吸收激光雷達(dá)與D2、H2雙拉曼管差分吸收光源相結(jié)合，建立多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)流層臭氧時(shí)空分布自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)流層臭氧占大氣臭氧總量的10%左右，是一種重要的痕量氣體，在對(duì)流層大氣污染重扮演著重要角色，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，它和其他化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生多種有毒氧化物，對(duì)人體健康造成極大危害，并且臭氧在光化學(xué)煙霧和灰霾生成中起著重要作用。對(duì)流層臭氧已成為大氣污染的首要表征物，開(kāi)展臭氧時(shí)空探測(cè)裝置獲取對(duì)流層臭氧的時(shí)空分布數(shù)據(jù)和分布特征具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]差分吸收激光雷達(dá)以它的高測(cè)量精度、高時(shí)空分辨率以及能夠連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)，成為測(cè)量大氣臭氧的重要主動(dòng)遙感工具。目前存在的問(wèn)題是系統(tǒng)比較復(fù)雜、體積較大、重量較重、不易移動(dòng)和運(yùn)輸，限制了它的應(yīng)用區(qū)域范圍；其次探測(cè)高度有限，大部分局限于500m?3km的邊界層高度內(nèi)，第三是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行往往可靠性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)流層臭氧時(shí)空分布的高時(shí)空分辨率、高精度晝夜連續(xù)探測(cè)；基于D2、H2雙拉曼管光源，產(chǎn)生266nm、289nm、299nm、316nm四個(gè)差分吸收波長(zhǎng)對(duì)，實(shí)現(xiàn)近地面至對(duì)流層頂?shù)某粞鯘舛冗B續(xù)探測(cè)；拉曼頻移光源具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、激光波長(zhǎng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有利于差分吸收激光雷達(dá)的小型化和商業(yè)化；并且輸出的激光波長(zhǎng)不存在激光波長(zhǎng)漂移和激光波長(zhǎng)標(biāo)定等問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)自動(dòng)化連續(xù)測(cè)量；創(chuàng)新地使用四波長(zhǎng)紫外光柵光譜儀取代干涉濾光片，有效減小了白天背景噪聲干擾的問(wèn)題。
[0005]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的方案為:一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，包括:Nd:YAG四倍頻激光器1、充％的拉曼管13、充％的拉曼管8、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17、信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、工控機(jī)20、瞬態(tài)記錄儀19、半反半透鏡2、第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一透鏡7、第二透鏡
9、第三透鏡12、第四透鏡14、第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡11和第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16 ;所述Nd = YAG四倍頻激光器I和充D2的拉曼管13、充&的拉曼管8、半反半透鏡
2、第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一直角棱鏡10、第三直角棱鏡11具有相同的中心高，依次搭載在一塊光學(xué)平板上組成激光發(fā)射系統(tǒng)，NdiYAG四倍頻激光器I輸出波長(zhǎng)為266nm，輸出的激光被半反半透鏡2分為兩束光，其中一束被第一 45°全反鏡3折射后，經(jīng)第一透鏡7后在充滿H2的拉曼管8內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes效應(yīng)，輸出299nm拉曼頻移光源，另一束266nm激光被第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6折射后，經(jīng)第三透鏡12后再充滿D2的拉曼管13內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes (斯托克斯)效應(yīng)((各級(jí)Stokes效應(yīng)分為一級(jí)效應(yīng)，二級(jí)效應(yīng)、三級(jí)效應(yīng)等，分別可以產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的拉曼頻移光源，如266nm的激光經(jīng)H2的一級(jí)stokes效應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生299nm的激光)，輸出289nm、316nm拉曼頻移光源，兩路光分別剩余的266nm激光和各自產(chǎn)生的299nm、289nm、316nm拉曼頻移光源，分別被第二透鏡9、第四透鏡14準(zhǔn)直擴(kuò)束，經(jīng)擴(kuò)束后的四波長(zhǎng)激光發(fā)散角均小于0.15mrad，分別第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡11和第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16發(fā)射到大氣中；所述第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡
11、第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16固定在調(diào)整架上，調(diào)整架調(diào)諧精度高，調(diào)整架上的旋鈕調(diào)整1°，光束指向性調(diào)整0.02mrad ;所述激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17搭載在光學(xué)平臺(tái)的背面，使激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17與激光發(fā)射系統(tǒng)不易受環(huán)境溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形的影響，通過(guò)調(diào)整第一直角棱鏡10、第三直角棱鏡15，保證激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17與激光發(fā)射系統(tǒng)光軸平行；所述信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括四波長(zhǎng)光柵光譜儀18和266nm光電倍增管
21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23、316nm光電倍增管24，四波長(zhǎng)光柵光譜儀18安裝在激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17尾部平面上，二者光軸重合，266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24分別安裝在光柵光譜儀尾部平面上，通過(guò)光柵光譜儀的四波長(zhǎng)回波信號(hào)在266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24聚焦為一點(diǎn)，經(jīng)266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24光電轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并由瞬態(tài)記錄儀19采集接收；所述工控機(jī)20自動(dòng)控制Nd = YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19工作，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器I發(fā)送激光開(kāi)啟信號(hào)，同時(shí)給瞬態(tài)記錄儀19發(fā)送工作信號(hào)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài)；Nd:YAG四倍頻激光器I出光后，NdiYAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送信號(hào)反饋給工控機(jī)20，工控機(jī)20開(kāi)始采集計(jì)時(shí)，NdiYAG四倍頻激光器I發(fā)射激光脈沖，瞬態(tài)記錄儀19同步從266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23、316nm光電倍增管24中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并同時(shí)將實(shí)際采集脈沖數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給工控機(jī)20，工控機(jī)20根據(jù)瞬態(tài)記錄儀19反饋的實(shí)際采集脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)顯示信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控Nd = YAG四倍頻激光器(I)、瞬態(tài)記錄儀(19)的工作狀態(tài)；計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)果時(shí)，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送停止工作命令，工控機(jī)20將采集到的數(shù)字信號(hào)、采集參數(shù)和儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)保存為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)差分吸收反演方法(該方法具體采用雙波長(zhǎng)差分吸收方法，具體請(qǐng)見(jiàn)Claus Weitkamp 所著《Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere》書(shū)中的 Differential-absorption lidar for ozone and industrial emissions 章節(jié))，得到所測(cè)光路路徑上的臭氧濃度廓線；除獲得臭氧濃度廓線外，同時(shí)可得到邊界層高度和顆粒物消光系數(shù)、云特性、顆粒物質(zhì)量濃度等時(shí)空分布；這一工作過(guò)程是一個(gè)循環(huán)不間斷的過(guò)程。
[0006]所述D2拉曼管13、H2拉曼管8裝置的289nm、299nm拉曼頻移光的泵浦效率達(dá)到25%，D2拉曼管13、H2拉曼管8裝置各自發(fā)射的289nm、316nm和299nm拉曼頻移光束發(fā)射到大氣中的光軸平行。
[0007]所述第一透鏡7、第二透鏡9組成2倍擴(kuò)束的系統(tǒng)，第三透鏡12、第四透鏡14組成2倍擴(kuò)束的系統(tǒng)，第二透鏡9、第四透鏡14采用消色差透鏡，減小四波長(zhǎng)激光指向性的差異。
[0008]所述四波長(zhǎng)光柵光譜儀18采用40961ineS/mm的高分辨率平面光柵，四波長(zhǎng)光柵光譜儀光譜分辨率為0.5nm，光學(xué)效率達(dá)到了 30%以上。
[0009]所述基于雙拉曼管的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置時(shí)間分辨率為15min，空間分辨率為150m。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
[0011](I)本發(fā)明中激光雷達(dá)系統(tǒng)各部件一體化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性，解決了因?yàn)闇囟群蜋C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生形變，導(dǎo)致激光雷達(dá)系統(tǒng)不能長(zhǎng)時(shí)間全天候的工作問(wèn)題。
[0012](2)本發(fā)明中的Nd:YAG四倍頻激光器是一種通用的商業(yè)化激光器，具有高穩(wěn)定性、高可靠性、長(zhǎng)工作壽命等特點(diǎn)，該類型的激光器中心波長(zhǎng)穩(wěn)定，不易發(fā)生漂移，Nd:YAG四倍頻激光器泵浦D2、H2拉曼管產(chǎn)生四波長(zhǎng)差分吸收波長(zhǎng)對(duì)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、激光波長(zhǎng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，輸出的激光波長(zhǎng)不存在激光波長(zhǎng)漂移和激光波長(zhǎng)標(biāo)定等問(wèn)題，有利于差分吸收激光雷達(dá)的小型化和商業(yè)化。
[0013](3)本發(fā)明中第二透鏡、第四透鏡采用空氣隙消色差雙合透鏡，由人造熔融石英玻璃和氟化鈣兩片透鏡組成。這兩種材料在紫外波段具有很高的透過(guò)率，對(duì)色差和球差都進(jìn)行了校正，有利于減小四波長(zhǎng)激光束指向性的差異，提供激光雷達(dá)過(guò)渡區(qū)臭氧反演精度。
[0014](4)本發(fā)明中使用四波長(zhǎng)光柵光譜儀作為分光器件，克服了干涉濾光片易受溫度、濕度、壓力等環(huán)境影響的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；四波長(zhǎng)光柵光譜儀采用高光譜分辨率光柵，光譜分辨率能夠達(dá)到0.5_，帶外抑制能力較干涉濾光片大大提高，有效濾去雜散光干擾，提高了信號(hào)信噪比；四波長(zhǎng)光柵光譜儀具有很好的選擇性，特別適合多波長(zhǎng)、多通道的光信號(hào)檢測(cè)。
[0015](5)本發(fā)明采集獲得266nm、289nm、299nm、316nm四波長(zhǎng)回波信號(hào)，能同時(shí)探測(cè)對(duì)
流層低層、中層、高層的臭氧時(shí)空分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流層臭氧的時(shí)空分布晝夜連續(xù)監(jiān)測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明激光雷達(dá)接收光學(xué)設(shè)置系統(tǒng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，設(shè)置有Nd = YAG四倍頻激光器1、充D2的拉曼管13、充H2的拉曼管8、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17、信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、工控機(jī)20、瞬態(tài)記錄儀19、半反半透鏡
2、第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一透鏡7、第二透鏡9、第三透鏡
12、第四透鏡14、第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡11和第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16 ；所述Nd = YAG四倍頻激光器I和充D2的拉曼管13、充H2的拉曼管8、半反半透鏡2、第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一直角棱鏡10、第三直角棱鏡11具有相同的中心高，依次搭載在一塊光學(xué)平板上組成激光發(fā)射系統(tǒng)，NdiYAG四倍頻激光器I輸出波長(zhǎng)為266nm,輸出的激光被半反半透鏡2分為兩束光,其中一束被第一 45°全反鏡3折射后，經(jīng)第一透鏡7后在充滿H2的拉曼管8內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes效應(yīng)，輸出299nm拉曼頻移光源，另一束266nm激光被第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6折射后,經(jīng)第三透鏡12后再充滿D2的拉曼管13內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes (斯托克斯)效應(yīng)，輸出289nm、316nm拉曼頻移光源，兩路光分別剩余的266nm激光和各自產(chǎn)生的299nm、289nm、316nm拉曼頻移光源，分別被第二透鏡9、第四透鏡14準(zhǔn)直擴(kuò)束，經(jīng)擴(kuò)束后的四波長(zhǎng)激光發(fā)散角均小于0.15mrad,分別第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡11和第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16發(fā)射到大氣中；所述第一 45°全反鏡3、第二 45°全反鏡5、第三45°全反鏡6、第一直角棱鏡10、第二直角棱鏡11、第三直角棱鏡15、第四直角棱鏡16固定在調(diào)整架上，調(diào)整架調(diào)諧精度高，調(diào)整架上的旋鈕調(diào)整1°，光束指向性調(diào)整0.02mrad ;所述激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17搭載在光學(xué)平臺(tái)的背面，使激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17與激光發(fā)射系統(tǒng)不易受環(huán)境溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形的影響，通過(guò)調(diào)整第一直角棱鏡10、第三直角棱鏡15，保證激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17與激光發(fā)射系統(tǒng)光軸平行；所述信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括四波長(zhǎng)光柵光譜儀18和266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23、316nm光電倍增管24，四波長(zhǎng)光柵光譜儀18安裝在激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)17尾部平面上，二者光軸重合，266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24分別安裝在光柵光譜儀尾部平面上，通過(guò)光柵光譜儀的四波長(zhǎng)回波信號(hào)在266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24聚焦為一點(diǎn)，經(jīng)266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23和316nm光電倍增管24光電轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并由瞬態(tài)記錄儀19采集接收；所述工控機(jī)20自動(dòng)控制Nd:YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19工作，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器I發(fā)送激光開(kāi)啟信號(hào)，同時(shí)給瞬態(tài)記錄儀19發(fā)送工作信號(hào)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài)；Nd:YAG四倍頻激光器I出光后，NdiYAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送信號(hào)反饋給工控機(jī)20，工控機(jī)20開(kāi)始采集計(jì)時(shí)，Nd = YAG四倍頻激光器I發(fā)射激光脈沖，瞬態(tài)記錄儀19同步從266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23、316nm光電倍增管24中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并同時(shí)將實(shí)際采集脈沖數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給工控機(jī)20，工控機(jī)20根據(jù)瞬態(tài)記錄儀19反饋的實(shí)際采集脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)顯示信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控Nd: YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19的工作狀態(tài)；計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)果時(shí)，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送停止工作命令，工控機(jī)20將采集到的數(shù)字信號(hào)、采集參數(shù)和儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)保存為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)差分吸收反演方法(該方法具體采用雙波長(zhǎng)差分吸收方法，具體請(qǐng)見(jiàn)Claus Weitkamp所著《Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere》書(shū)中的 Differential-absorption lidar for ozone and industrial emissions 章節(jié))，得到所測(cè)光路路徑上的臭氧濃度廓線；除獲得臭氧濃度廓線外，同時(shí)可得到邊界層高度和顆粒物消光系數(shù)、云特性、顆粒物質(zhì)量濃度等時(shí)空分布；這一工作過(guò)程是一個(gè)循環(huán)不間斷的過(guò)程。
[0018]本發(fā)明工作過(guò)程:
[0019]工控機(jī)20自動(dòng)控制激光雷達(dá)系統(tǒng)各部件工作，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器I發(fā)送激光開(kāi)啟信號(hào)，同時(shí)給瞬態(tài)記錄儀19發(fā)送工作信號(hào)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài)；NdiYAG四倍頻激光器I出光后，Nd = YAG四倍頻激光器1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送信號(hào)反饋給工控機(jī)20 ;工控機(jī)20開(kāi)始采集計(jì)時(shí)，NdiYAG四倍頻激光器I發(fā)射激光脈沖，瞬態(tài)記錄儀19同步從266nm光電倍增管21、289nm光電倍增管22、299nm光電倍增管23、316nm光電倍增管24中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并同時(shí)將實(shí)際采集脈沖數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給工控機(jī)20，工控機(jī)20根據(jù)瞬態(tài)記錄儀19反饋的實(shí)際采集脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)顯示信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控各個(gè)部件的工作狀態(tài)；計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)果時(shí)，工控機(jī)20通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器
1、瞬態(tài)記錄儀19同時(shí)發(fā)送停止工作命令，工控機(jī)20將采集到的數(shù)字信號(hào)、采集參數(shù)和儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)保存為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)差分吸收反演方法，得到所測(cè)光路路徑上的臭氧濃度廓線；除獲得臭氧濃度廓線外，同時(shí)可得到邊界層高度和顆粒物消光系數(shù)、云特性、顆粒物質(zhì)量濃度等時(shí)空分布；這一工作過(guò)程是一個(gè)循環(huán)不間斷的過(guò)程。
[0020]以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，然其并非用于限制本發(fā)明。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，凡在本發(fā)明原則和精神范圍內(nèi)的變換與改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，其特征在于包括:Nd:YAG四倍頻激光器(1)、充％的拉曼管(13)、充4的拉曼管(8)、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)(17)、信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、工控機(jī)(20)、瞬態(tài)記錄儀(19)、半反半透鏡(2)、第一 45°全反鏡(3)、第二 45°全反鏡(5)、第三45°全反鏡(6)、第一透鏡(7)、第二透鏡(9)、第三透鏡(12)、第四透鏡(14)、第一直角棱鏡(10)、第二直角棱鏡(11)和第三直角棱鏡(15)和第四直角棱鏡(16);所述Nd: YAG四倍頻激光器(I)和充D2的拉曼管(13)、充&的拉曼管(8)、半反半透鏡(2)、第一 45°全反鏡(3)、第二 45°全反鏡(5)、第三45°全反鏡(6)、第一直角棱鏡(10)和第三直角棱鏡(11)具有相同的中心高，依次搭載在一塊光學(xué)平板上，組成激光發(fā)射系統(tǒng)；Nd:YAG四倍頻激光器(I)輸出波長(zhǎng)為266nm，輸出的激光被半反半透鏡(2)分為兩束光,其中一束被第一 45°全反鏡(3)折射后,經(jīng)第一透鏡(7)后在充H2的拉曼管(8)內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes效應(yīng)，輸出299nm拉曼頻移光源，另一束激光被第二 45°全反鏡(5)和第三45°全反鏡(6)折射后，經(jīng)第三透鏡(12)后再充D2的拉曼管(13)內(nèi)聚焦，產(chǎn)生各級(jí)Stokes效應(yīng)，輸出289nm和316nm拉曼頻移光源，兩路光分別剩余的266nm激光和各自產(chǎn)生的299nm、289nm、316nm拉曼頻移光源,分別被第二透鏡(9 )、第四透鏡(14 )準(zhǔn)直擴(kuò)束，經(jīng)擴(kuò)束后的四波長(zhǎng)激光發(fā)散角均小于等于0.15mrad，分別由第一直角棱鏡(10)、第二直角棱鏡(11)、第三直角棱鏡(15)和第四直角棱鏡(16)發(fā)射到大氣中；所述第一 45°全反鏡(3)、第二 45°全反鏡(5)、第三45°全反鏡(6)、第一直角棱鏡(10)、第二直角棱鏡(11)、第三直角棱鏡(15)和第四直角棱鏡(16)固定在調(diào)整架上，調(diào)整架上的旋鈕調(diào)整1°，光束指向性調(diào)整0.02mrad ;所述激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)(17)搭載在光學(xué)平板的背面，使激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)(17)與激光發(fā)射系統(tǒng)不易受環(huán)境溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形的影響，通過(guò)調(diào)整第一直角棱鏡(10)、第三直角棱鏡(15),保證激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)(17)與激光發(fā)射系統(tǒng)光軸平行；所述信號(hào)分離和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括四波長(zhǎng)光柵光譜儀(18)和266nm光電倍增管(21)、289nm光電倍增管(22)、299nm光電倍增管(23)和316nm光電倍增管(24)，四波長(zhǎng)光柵光譜儀(18)安裝在激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)(17)尾部平面上，二者光軸重合，266nm光電倍增管·(21)、289nm光電倍增管(22)、299nm光電倍增管(23)和316nm光電倍增管(24)分別安裝在光柵光譜儀尾部平面上，通過(guò)光柵光譜儀的四波長(zhǎng)回波信號(hào)在266nm光電倍增管(21)、289nm光電倍增管(22 )、299nm光電倍增管(23 )和316nm光電倍增管(24)聚焦為一點(diǎn)，經(jīng)266nm光電倍增管(21 )、289nm光電倍增管(22)、299nm光電倍增管(23)和316nm光電倍增管(24)光電轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并由瞬態(tài)記錄儀(19)采集接收；所述工控機(jī)(20)自動(dòng)控制Nd: YAG四倍頻激光器(I)、瞬態(tài)記錄儀(19 )工作，工控機(jī)(20 )通過(guò)串口向Nd: YAG四倍頻激光器(I)發(fā)送激光開(kāi)啟信號(hào)，同時(shí)給瞬態(tài)記錄儀(19)發(fā)送工作信號(hào)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài)；NdiYAG四倍頻激光器(10)出光后，NdiYAG四倍頻激光器(10)、瞬態(tài)記錄儀(19)同時(shí)發(fā)送信號(hào)反饋給工控機(jī)(20);工控機(jī)(20)開(kāi)始采集計(jì)時(shí)，Nd = YAG四倍頻激光器(I)發(fā)射激光脈沖，瞬態(tài)記錄儀(19 )同步從266nm光電倍增管(21)、289nm光電倍增管(22 )、299nm光電倍增管(23 )、316nm光電倍增管(24 )中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并同時(shí)將實(shí)際采集脈沖數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給工控機(jī)(20)，工控機(jī)(20)根據(jù)瞬態(tài)記錄儀(19)反饋的實(shí)際采集脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)顯示信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控Nd = YAG四倍頻激光器(I)、瞬態(tài)記錄儀(19)的工作狀態(tài)；計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)果時(shí)，工控機(jī)(20)通過(guò)串口向Nd = YAG四倍頻激光器(I)、瞬態(tài)記錄儀(19)同時(shí)發(fā)送停止工作命令，工控機(jī)(20)將采集到的數(shù)字信號(hào)、采集參數(shù)和Nd = YAG四倍頻激光器(I)、瞬態(tài)記錄儀(19)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)保存為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)差分吸收反演方法(該方法具體采用雙波長(zhǎng)差分吸收方法，具體詳見(jiàn)Claus Weitkamp所著《Range-ResolvedOptical Remote Sensing of the Atmosphere》的 Differential-absorption lidar forozone and industrial emissions章節(jié)),得到所測(cè)光路路徑上的臭氧濃度廓線；除獲得臭氧濃度廓線外，同時(shí)可得到邊界層高度和顆粒物消光系數(shù)、云特性、顆粒物質(zhì)量濃度等時(shí)空分布；這一工作過(guò)程是一個(gè)循環(huán)不間斷的過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，其特征在于:所述D2拉曼管(13)、H2拉曼管(8)的289nm、299nm拉曼頻移光的泵浦效率達(dá)到25%，D2拉曼管(13)、H2拉曼管(8)各自發(fā)射的289nm、316nm和299nm拉曼頻移光束發(fā)射到大氣中的光軸平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，其特征在于:所述第一透鏡(7)、第二透鏡(9)組成2倍擴(kuò)束系統(tǒng)，第三透鏡(12)、第四透鏡(14)組成2倍擴(kuò)束系統(tǒng)，第二透鏡(9)、第四透鏡(14)采用消色差透鏡，減小四波長(zhǎng)激光指向性的差異。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，其特征在于:所述四波長(zhǎng)光柵光譜儀(18)采用40961ineS/mm的高分辨率平面光柵，四波長(zhǎng)光柵光譜儀光譜分辨率為0.5nm，光學(xué)效率達(dá)到了 30%以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙拉曼管光源的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置，其特征在于:所述基于雙拉曼管的差分吸收激光雷達(dá)臭氧時(shí)空分布晝夜自動(dòng)探測(cè)裝置時(shí)間分辨率·為15min，空間分辨率為150m。
【文檔編號(hào)】G01S7/481GK103852435SQ201410123935
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】范廣強(qiáng), 劉文清, 張?zhí)焓? 路亦懷, 方武, 趙南京, 董云升, 陳臻懿, 劉洋, 趙雪松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院