一種在線監(jiān)測(cè)大氣生物氣溶膠的激光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種激光雷達(dá)裝置，具體涉及一種在線監(jiān)測(cè)大氣生物氣溶膠的激光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種先進(jìn)的主動(dòng)遙感儀器，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分和狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的精細(xì)探測(cè)。激光雷達(dá)與微波雷達(dá)的區(qū)別在于，它采用激光作為發(fā)射源而后者采用微波。自從I960年世界上第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，由于在探測(cè)距離、時(shí)空分辨率、長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)等方面具有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)在軍用和民用的多個(gè)領(lǐng)域均被廣泛使用。激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射子系統(tǒng)、回波信號(hào)接收子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)等三部分構(gòu)成。激光雷達(dá)的種類(lèi)眾多，可根據(jù)探測(cè)平臺(tái)、工作波長(zhǎng)、散射機(jī)制以及探測(cè)目標(biāo)等不同來(lái)劃分。然而，無(wú)論哪一種類(lèi)型激光雷達(dá)，其基本工作原理均是，采用脈沖激光器發(fā)射出的高功率激光束在大氣中傳輸時(shí)被大氣成分所散射，其中后向散射信號(hào)被回波信號(hào)接收子系統(tǒng)接收，進(jìn)而經(jīng)過(guò)高精度分光后使用探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后利用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集電信號(hào)并傳輸至電腦。
[0003]生物氣溶膠(b1aerosols)對(duì)環(huán)境污染、全球氣候變化以及公共衛(wèi)生安全等方面具有重要的影響，從而引起社會(huì)各界和研究學(xué)者的不斷關(guān)注，已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的重要研究課題。生物氣溶膠主要是指懸浮在空氣中的生物顆粒，包括細(xì)菌、真菌、病毒、孢子、花粉及其副產(chǎn)物，尺寸可從幾十納米到幾毫米，其主要來(lái)源于土壤、江河湖海以及動(dòng)植物等生物圈。由此可見(jiàn)，相對(duì)于沙塵和海鹽氣溶膠的來(lái)源(沙漠或海洋)，生物氣溶膠的來(lái)源更加多樣化(均可來(lái)自陸地與海洋)，其每年進(jìn)入大氣中的量可達(dá)~1000Tg。研究顯示，生物氣溶膠在大氣中的平均數(shù)濃度約為1.9cm-3,約占大氣顆粒物數(shù)濃度的30% ;另外，其質(zhì)量濃度在農(nóng)村和雨林地區(qū)分別占細(xì)粒子(小于I μπι)和粗粒子(大于Iym)總質(zhì)量濃度的~30%和-70% ;有學(xué)者利用飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)活性細(xì)菌約占高空(8~15km)0.25~1 μπι之間大氣總顆粒物濃度的20%。
[0004]除具有一般氣溶膠的特性以外，生物氣溶膠還具有傳染性、致敏性等特點(diǎn)，其借助空氣介質(zhì)擴(kuò)散和傳輸而具有相當(dāng)長(zhǎng)的生命期，從而引發(fā)范圍更廣的人體急、慢性疾病以及動(dòng)植物疾病。為此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多生物氣溶膠觀測(cè)研究，這些研究的側(cè)重點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)也有所不同，主要包括生物氣溶膠的鑒定技術(shù)、濃度監(jiān)測(cè)及其人體健康效應(yīng)等。生物氣溶膠的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括離線和在線兩種方式，其中離線方式具有低時(shí)間分辨率、高成本、分析時(shí)效低等特點(diǎn)，而在線方式則具有快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)比傳統(tǒng)離線方法更適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物氣溶膠的變化規(guī)律。截至目前，各種生物氣溶膠的監(jiān)測(cè)手段均已取得許多非常有價(jià)值的研究成果，但是能夠?qū)崟r(shí)、快速獲得生物氣溶膠性質(zhì)的時(shí)空分布特征(尤其是其垂直分布)的探測(cè)手段依然還很缺乏。此外，由于生物氣溶膠具有種類(lèi)眾多、來(lái)源豐富、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，使其探測(cè)技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種在線監(jiān)測(cè)大氣生物氣溶膠的激光裝置。
[0006]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種在線監(jiān)測(cè)大氣生物氣溶膠的激光裝置，包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、回波信號(hào)接收子系統(tǒng)和信號(hào)采集子系統(tǒng)，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)用于發(fā)射高能量脈沖激光束，所述回波信號(hào)接收子系統(tǒng)用于接收后向散射信號(hào)并把回波光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述的信號(hào)采集子系統(tǒng)用于接收上述電信號(hào)。
[0008]進(jìn)一步，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括高功率脈沖激光器、倍頻器、三倍頻器、激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器以及三個(gè)高反射帶寬反射鏡；所述高功率脈沖激光器發(fā)射出基頻近紅外波段激光；所述倍頻器使基頻近紅外波段激光波長(zhǎng)變?yōu)榭梢?jiàn)光波段；所述三倍頻器把近紅外和可見(jiàn)光波段激光轉(zhuǎn)換為紫外激光；所述激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器增大激光束光斑尺寸同時(shí)減少激光束發(fā)散角；所述三個(gè)高反射帶寬反射鏡用于改變激光束路徑。
[0009]進(jìn)一步，所述回波信號(hào)接收子系統(tǒng)包括天文望遠(yuǎn)鏡、光闌、三個(gè)二色鏡、三個(gè)窄帶濾光片、偏振分光晶體、六個(gè)凸透鏡、兩個(gè)光電倍增管、雪崩型二極管、二個(gè)光柵光譜儀；所述天文望遠(yuǎn)鏡用于接收不同距離的回波信號(hào)強(qiáng)度；所述光闌用于設(shè)定接收子系統(tǒng)合理的視場(chǎng)角，減少背景信號(hào)的影響從而提高信噪比；所述三個(gè)二色鏡均用于選擇不同的波段范圍，即反射或透射小于某一特定波段的短波，而透射或反射大于該波段的長(zhǎng)波；所述三個(gè)窄帶濾光片均用于選擇所需要的波段信號(hào)同時(shí)過(guò)濾掉該波段以外的回波信號(hào)；所述偏振分光晶體用于將回波米散射信號(hào)的總信號(hào)分為水平偏振和垂直偏振兩個(gè)組分；所述六個(gè)凸透鏡均用于回波光信號(hào)的聚焦或準(zhǔn)直平行；所述光電倍增管和雪崩型二極管均用于把分光之后的回波光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述光柵光譜儀用于接收微弱的全波段熒光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0010]進(jìn)一步，所述信號(hào)采集子系統(tǒng)包括Licel瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器、觸發(fā)源探測(cè)器及計(jì)算機(jī)；所述Licel瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器用于采集從探測(cè)器輸出來(lái)的電信號(hào)；所述觸發(fā)源探測(cè)器用于探測(cè)激光發(fā)射子系統(tǒng)的部分散射激光從而觸發(fā)信號(hào)采集子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離回波信號(hào)的識(shí)別；所有的信號(hào)采集用計(jì)算機(jī)控制與顯示，并存儲(chǔ)于硬盤(pán)。
[0011]進(jìn)一步，所述Licel瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采用模擬信號(hào)方式和光子計(jì)數(shù)方式兩種手段采集大動(dòng)態(tài)范圍回波信號(hào)。
[0012]由于采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0013]本實(shí)用新型利用高能量紫外激光束激發(fā)大氣中生物氣溶膠的熒光信號(hào)，然后采用64通道光柵光譜儀接收全波段的微弱熒光光譜，解決現(xiàn)階段已有的激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)波段窄而少的問(wèn)題。并且同時(shí)探測(cè)355nm波段偏振散射信號(hào)、387nm氮?dú)饫盘?hào)和407nm水汽拉曼信號(hào)，進(jìn)一步準(zhǔn)確獲得生物氣溶膠的濃度、形狀等重要信息，解決現(xiàn)階段已有的激光雷達(dá)系統(tǒng)功能單一的問(wèn)題。該激光雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣生物氣溶膠性質(zhì)的實(shí)時(shí)、快速、可靠、非接觸式連續(xù)監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0015]圖1為本實(shí)用新型的光路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0017]如圖1所示，圖中，I為透鏡，2為濾光片，3為激光發(fā)射器，4為激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器，5為光譜儀，6為偏光器。
[0018]本實(shí)施例的在線監(jiān)測(cè)大氣生物氣溶膠的激光裝置，包括激光發(fā)射、回波信號(hào)接收和信號(hào)采集等三個(gè)功能子系統(tǒng)。其中激光發(fā)射子系統(tǒng)同時(shí)發(fā)射紫外和近紅外激光束，激光束被大氣中生物氣溶膠顆粒所散射后，使用回波信號(hào)接收子系統(tǒng)接收后向散射信號(hào)并進(jìn)一步處理，經(jīng)過(guò)高性能探測(cè)器把回波光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸給信號(hào)采集子系統(tǒng)。信號(hào)采集子系統(tǒng)對(duì)米散射信號(hào)同時(shí)采用模擬和光子計(jì)數(shù)兩種方式采集并記錄、存儲(chǔ)；而對(duì)于微弱信號(hào)如拉曼與熒光信號(hào)，采用光子計(jì)數(shù)方式進(jìn)行采集并記錄、存儲(chǔ)。
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