【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光光谱技术应用领域,具体涉及一种NO2浓度分布探测的装置和方法。
技术介绍
激光雷达(Light Detection and Ranging,Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术,其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。自激光器问世以来,欧美国家就开始将激光雷达技术应用于大气环境监测中。差分吸收激光雷达(DIAL)技术是激光雷达技术中的一种特殊形式。DIAL技术针对不同气体的吸收谱线,由大型脉冲式激光器依次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强度大的位置比如吸收峰,记为λon;另外一束波长位于待测气体吸收强度小的位置比如吸收谷,记为λoff),并探测、分析其后向散射信号从而获得待测气体在大气中的浓度分布。当前,主流的DIAL技术主要依赖于向大气中发射纳秒量级的光脉冲,并通过时间分辨的方式探测不同距离上的后向散射信号,从而最终实现了大气气体(如NO2)的浓度探测。DIAL技术由于具备距离分辨能力而具有独特的优势。利用脉冲式差分吸收激光雷达技术探测大气污染气体时,系统对光源的要求苛刻,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,这正是该领域困扰国际学术界的主要难题和当前国际研究的热点,也是限制其商业化应用的最主要原因。在先技术[1](Ryoichi Toriumi,Hideo Tai,Nobuo Takeuchi,“Tunable solid-state blue laser differentialabsorption lidar ...
【技术保护点】
一种NO2浓度分布探测的装置,其特征在于,该装置包括第一激光器、第二激光器、半波片、偏振分光镜、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片和图像传感器,将第一激光器和第二激光器垂直90度放置,第二激光器通过半波片,使第二激光器的发射激光光束的偏振态旋转90度,使得第一激光器和第二激光器的发射激光光束的偏振态为垂直方向;在此之后,第一激光器和第二激光器发出的激光光束经由45度放置的偏振分光镜合成一束光束,再由激光发射装置准直后发射到大气中;发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集,经过带通滤光片滤除大气背景信号后,成像到一个倾斜放置的图像传感器上;在满足沙氏成像原理的条件下,图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像,不同的像素对应着不同距离上激光光束成像,实现对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测;通过分析对比λon波长和λoff波长的大气后向散射光信号的强度Pon,Poff,计算出大气中的NO2浓度分布。
【技术特征摘要】
1.一种NO2浓度分布探测的装置,其特征在于,该装置包括第一激光器、第二激光器、半波片、偏振分光镜、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片和图像传感器,将第一激光器和第二激光器垂直90度放置,第二激光器通过半波片,使第二激光器的发射激光光束的偏振态旋转90度,使得第一激光器和第二激光器的发射激光光束的偏振态为垂直方向;在此之后,第一激光器和第二激光器发出的激光光束经由45度放置的偏振分光镜合成一束光束,再由激光发射装置准直后发射到大气中;发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集,经过带通滤光片滤除大气背景信号后,成像到一个倾斜放置的图像传感器上;在满足沙氏成像原理的条件下,图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像,不同的像素对应着不同距离上激光光束成像,实现对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测;通过分析对比λon波长和λoff波长的大气后向散射光信号的强度Pon,Poff,计算出大气中的NO2浓度分布。2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的图像传感器、激光接收装置和激光发射装置满足如下关系:图像传感器所在平面、激光接收装置的透镜所在平面和激光发射装置所在光轴位置三者相交,满足沙氏成像原理。3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述的第一激光器和第二激光器为二极管激光器,其工作波长通过温度及驱动电流控制,将波长分别锁定于NO2吸收谱线上吸收强度较大和较小处,分别称之为λon和λoff波长。4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成;所述的激光接收装置由透镜、透镜组或反射式成像系统构成。5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述的图像传感器为面阵图像传感器或线阵图像传感器。6.一种权利要求1-5任一所述的装置用于NO2浓度分布探测的方法,其特征在于,步骤如下:A.控制第一激光器和第二激光器的温度以及驱动电流,将其输出波长分别锁定在NO2气体吸收谱线上吸收强度较大λon和较小之处λoff,第一激光器和第二激光器的波长设置准则是:NO2气体在λon和λoff两个波长上有不同的吸收强度;B.将第一激光器和第二激光器的输出光束由偏振分光镜耦合成一束光束,该光束经由激光发射装置准直后发射到大气中;其中,第二激光器的输出光束的偏振态由半波片实现90度旋转;C.将第二激光器的驱动电流设置为0或低于工作阈值后,关闭第二激光器;控制第一激光器驱动电流至高于工作阈值,发射激光光束,激光光束的持续时间记为T1,发射到大气中的第一激光器激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后,被激光接收装置收集,经由带通滤光片滤除大气背景信号后,再由图像传感器实现光电探测,所记录的信号强度为λon波长的大气后向散射信号强度P1;若图像传感器为面阵图像传感器,将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加;D.将第一激光器驱动电流设置为0或低于工作阈值后,关闭第一激光器;控制第二激光器驱动电流至高于工作阈值,发射激光光束,激光光束的持续时间与步骤C中第一激光器的发射时间T1相同,发射到大气中的第二激光器激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后,被激光接收装置收集,经由带通滤光片滤除大气背景信号后,再由图像传感器实现光...
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