探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统技术方案

本发明专利技术提供一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、光学接收子系统和数据采集处理子系统，激光发射系统子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元。本发明专利技术不仅可探测大气CO2的柱浓度，还能够获得垂直路径上的CO2浓度廓线分布，尤其是边界层附近的大气CO2浓度信息，对于碳循环研究具有重要意义。本系统的实现技术要求低，稳定性高，探测精度高，易于推广，是实现大气CO2浓度廓线测量的重要手段。

Pulse Infrared Differential Absorption Lidar System for Detecting Carbon Dioxide Concentration Profile

The invention provides a pulsed infrared differential absorption lidar system for detecting carbon dioxide concentration profile, including a laser emission subsystem, an optical receiving subsystem and a data acquisition and processing subsystem. The laser emission subsystem includes a seed laser, a Nd:YAG laser, a dye laser, a first reflector, a first half anti-half lens, a second half anti-half lens, a frequency doubling crystal and a difference. Frequency crystal, first spectroscope and wavelength control unit. The invention can not only detect the column concentration of atmospheric CO2, but also obtain the profile distribution of atmospheric CO2 concentration along the vertical path, especially the atmospheric CO2 concentration information near the boundary layer, which is of great significance to the study of carbon cycle. The system has low technical requirements, high stability, high detection accuracy and is easy to popularize. It is an important means to realize the measurement of atmospheric CO2 concentration profile.

【技术实现步骤摘要】
探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统
本专利技术涉及一种遥感探测大气二氧化碳浓度廓线的红外差分差分吸收激光雷达系统。
技术介绍
目前大气二氧化碳(CO2)探测差分吸收激光雷达的研制正处于蓬勃发展时期，各国竞相研制高性能的探测系统，力争实现大气CO2的精确测量，进而厘清碳源、碳汇信息，加深对碳循环的理解。CO2探测差分吸收激光雷达即CO2-DifferentialAbsorptionLidar,CO2-DIAL。目前研制的激光雷达系统大多是面向CO2柱浓度(即平均浓度)探测，是星载应用的预研项目，一般缺少对CO2廓线浓度(即具有距离分布的浓度)探测的研究。而CO2浓度廓线不仅可以提供具有距离分辨的CO2浓度信息，而且可以为碳通量的准确估算提供重要数据基础。本专利技术提供一种地基差分吸收CO2探测激光雷达系统，可以实现大气CO2浓度廓线测量。
技术实现思路
本专利技术提出一种遥感探测大气二氧化碳浓度廓线的红外差分差分吸收激光雷达系统，实现了高时空分辨率、高精度的大气CO2浓度廓线探测。为达到上述目的，本专利技术技术方案提供一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、光学接收子系统和数据采集处理子系统，光学接收子系统包括望远镜、滤光器组及光电倍增管；数据采集处理子系统包括数据采集器和计算机；激光发射系统子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元；激光发射子系统中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中；光学接收子系统中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号；数据采集处理子系统中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。而且，激光发射子系统的种子激光器是一个超窄线宽的光纤种子激光器。而且，激光发射系统的染料激光器利用光栅进行波长调谐，所采用的装置为变频装置FCU，通过调节染料激光器的FCU产生634nm的红光，634nm的红光和Nd:YAG激光器产生的1064nm红外基频光一同进入后续的差频晶体进行差频，产生1572nm的红外激光，用作二氧化碳探测光源。而且，光学接收子系统的望远镜，用来接收探测路径上的激光与大气作用所产生的后向散射回波信号，滤光器组中的首个凸透镜安装在望远镜的焦点处。而且，波长控制单元包括第二分光镜、波长计、光纤透镜、气体吸收池、探测器和示波器，稳频激光经过第二分光镜分光，1％的激光入射到波长计中，进行波长粗定标，99％的激光聚焦到光纤透镜上，进入光纤，利用1:9的分光光纤进行分光操作，分别入射到两个气体吸收池中，一个是真空吸收池，一个为充满标准状况下的CO2气体的吸收池，并分别利用第一探测器和第二探测器进行能量强度探测，通过示波器进行能量信号的显示和提取，并利用计算机根据差分吸收原理进行能量差分计算，通过调节波长，同时绘制波长变化下的稳频差分信号，找到on波长，并利用阈值法进行on波长稳定。而且，光学接收子系统的窄带滤波器用来进行滤波处理，滤除回波信号中的背景噪声。而且，光学接收子系统部分，接收到的回波信号入射到光电倍增管的光敏面上进行信号检测，光电倍增管的主要作用则是将接收到的光信号转换为能够用于后续处理分析的电信号。而且，用于获取二氧化碳的柱浓度。本专利技术的优点在于：地基廓线式差分吸收激光雷达(DifferentialAbsorptionLidar,DIAL)系统不仅可探测大气CO2的柱浓度，还能够获得垂直路径上的CO2浓度廓线分布，尤其是边界层附近的大气CO2浓度信息，对于碳循环研究具有重要意义。本系统的实现技术要求低，稳定性高，探测精度高，易于推广，是实现大气CO2浓度廓线测量的重要手段。附图说明图1为本专利技术实施例的结构框图。具体实施方式以下结合附图和实施例详细说明本专利技术技术方案。为了便于理解本专利技术原理，首先解释本专利技术利用的差分吸收激光雷达经典反演方法：在DIAL探测系统中，一般发射两束波长相近的探测激光，其中一束激光的波长处于探测气体的吸收峰位置以获得最大吸收，这束激光对应的波长被称为on波长(记为λon)；另一束激光则处于探测气体的吸收谷附近，使气体对激光能量的吸收尽可能小，这束激光对应的波长则被称作off波长(记为λoff)。差分吸收激光雷达所采用的作用机制为Mie散射与吸收机制，因此大气分子的消光系数要占主导地位，以激光雷达基本方程为基础，将探测气体的消光系数单独列出，则可得到差分吸收激光雷达的探测方程：其中，P(λ,r)是激光雷达接收到λ波长下在高度r处的回波信号强度，P0是发射激光的强度，K为激光雷达的校正常数，A是望远镜的接收面积，c是光速,τ为激光脉冲持续时间，r为探测高度，β(λ,r)是λ波长下在高度r处大气的后向散射系数，α0(λ,r)是λ波长下在高度r处除探测气体以外的大气消光系数，Ng(r)是探测气体在高度r处的浓度，σg(λ)则是探测气体在波长λ下的吸收截面积。当on与off波长十分相近时，探测系统的各项参数可以认为是常量。假设这两束激光的探测路径相同，在同一时间内，气溶胶和其他大气分子对这两束激光的散射和吸收作用可以认为是相同的，那么它们回波信号之间的差异就完全由大气探测组分的吸收所造成。因此，可以通过对这种差异程度的测量来获得探测气体的浓度信息。在CO2-DIAL探测系统中，将on与off波长的回波信号强度作比，可以得到下式：其中，P(λon,r)是激光雷达接收到on波长下在高度r处的回波信号强度，P(λoff,r)是激光雷达接收到off波长下在高度r处的回波信号强度，β(λon,r)和β(λoff,r)分别是是on波长和off波长下在高度r处大气的后向散射系数，α0(λon,r)和α0(λoff,r)分别是on波长和off波长下在高度r处除探测气体以外的大气消光系数，Ng(r)是探测气体在高度r处的浓度，σg(λon)和σg(λoff)分别是探测气体在on波长和off波长下的吸收截面积。由于on波长和off波长特别接近，因此认为α0(λon,r)-α0(λoff,r)＝0，最后获得的探测高度r处大气厚度为Δr＝r2-r1的CO2浓度反演方程：上式中，r1与r2分别是反演的起止高度，Δr则为距离分辨率，P(λon,r1)是激光雷达接收到on波长下在高度r1处的回波信号强度，P(λoff,r1)是激光雷达接收到off波长下在高度r1处的回波信号强度，P(λon,r2)是激光雷达接收到on波长下在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、光学接收子系统和数据采集处理子系统，光学接收子系统包括望远镜、滤光器组及光电倍增管；数据采集处理子系统包括数据采集器和计算机；其特征在于：激光发射系统子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元；激光发射子系统中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中；光学接收子系统中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号；数据采集处理子系统中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。...

【技术特征摘要】
1.一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、光学接收子系统和数据采集处理子系统，光学接收子系统包括望远镜、滤光器组及光电倍增管；数据采集处理子系统包括数据采集器和计算机；其特征在于：激光发射系统子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元；激光发射子系统中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中；光学接收子系统中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号；数据采集处理子系统中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。2.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，其特征在于：激光发射子系统的种子激光器是一个超窄线宽的光纤种子激光器。3.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达系统，其特征在于：激光发射系统的染料激光器利用光栅进行波长调谐，所采用的装置为变频装置FCU，通过调节染料激光器的FCU产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，龚威，韩舸，徐浩，史天奇，何斌，王成义，邱若楠，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42