一种被动红外激光探测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术环境监测术领域，特别涉及一种被动红外激光探测方法，本申请实施例提供的被动红外激光探测方法中通过对激光器波长扫描的同时，增加高频正弦信号，实现对本振光的波长调制，利用锁相放大器进行谐波解调，同时得到1f谐波信号和2f谐波信号，通过处理得到2f/1f信号，进而获取大气监测信息。这一过程中只需对本振光进行调制，简化装置的体积与复杂度；并且本申请提供的方法可以得到灵敏度较高的外差信号，获得更好的信噪比以及更佳的弱吸收探测能力；利用光纤进行信号传输进一步简化装置体积。

【技术实现步骤摘要】
一种被动红外激光探测方法及装置
本申请涉及环境监测
，特别涉及一种被动红外激光探测方法及装置。
技术介绍
大气温室气体浓度的升高导致全球变暖，是当今人类所面临的最大挑战之一，可能会带来灾难性后果，例如极端天气频繁出现，以及海平面上升等。大气温室气体的高精度测量，能够准确分辨气体的浓度变化，为气候变化的预测提供实验数据支撑，同时对人类生产生活等活动起着指导作用，因而具有重要意义。然而,目前基于高分辨率傅立叶变换光谱仪(FTS)的大气垂直廓线探测系统复杂，对工作环境要求条件高，不易移动，且维护成本高，仅少部分地区安装使用，难以满足我国多区域复杂地理气象环境大气廓线探测的需求。因此，急需通过发展检测新方法和新装备，开展不同区域不同生态环境条件下温室气体、污染气体廓线外场综合观测，为全球气候变化研究与区域复合污染研究提供可靠的大气基础科学数据。被动激光外差探测装置因其体积小、高分辨率、高信噪比以及弱信号探测等优点，已被广泛应用于大气气体测量以及天文观测等领域。传统的被动激光外差探测为了得到高信噪比的外差信号，通常利用光学斩波器或者光开关对信号光做强度调制，从而通过锁相放大器对混频信号进行相关性解调，得到高信噪比的外差信号，但这种方法增加了系统的体积与复杂度，不利于系统的集成。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种被动红外激光探测方法及装置以解决现有技术中被动激光外差探测方法容易增加系统体积与复杂度的问题。本申请实施例的第一方面提供了一种被动红外激光探测方法，所述被动红外激光探测方法，包括：温度控制器(2)控制激光器(1)的工作温度，光谱处理与发生系统(14)控制数据采集卡(13)，同时生成低频扫描锯齿信号和高频正弦调制信号的叠加信号，将所述叠加信号注入电流控制器(3)，激光器(1)在温度控制器(2)和电流控制器(3)共同作用下实现激发光的波长扫描与调制，随后激发光入射进单模光纤，并通过光纤分束器(4)分成两束光，一束光通过光学标准具(6)后，由光电探测器(7)接收,并通过数据采集卡(13)采集光电探测器(7)信号，保存在光谱处理与发生系统(14)，另外一束光作为本振光；太阳跟踪仪(8)用于实时收集太阳光，望远镜(9)接收所述太阳光作为信号光，并耦合进单模光纤，该单模光纤与光纤合束器(5)进行连接，所述本振光通过光纤合束器(5)与耦合进单模光纤的信号光进行合束，并在高速光电探测器(10)光敏面上进行混频，混频后的信号通过射频处理模块(11)处理后被送入锁相放大器(12)中；参考数据采集卡(13)所生成的高频正弦调制信号同时输出给锁相放大器(12)做为参考信号，进行谐波信号解调，同时解调出1f谐波信号和2f谐波信号，由数据采集卡(13)对这些谐波信号进行采集与保存，并通过Labview模拟仿真软件在光谱处理与发生系统(14)上对该信号进行实时处理，得到归一化后的2f/1f信号，从而得到高信噪比的外差信号。可选地，所述激光器(1)包括窄线宽可调谐的分布反馈式半导体激光器或窄线宽、宽调谐的外腔激光器。可选地，所述光纤分束器(4)与光纤合束器(5)分别为普通的单模光纤分束器和单模光纤合束器。可选地，所述光纤分束器(4)的分光比为5％:95％，其中95％的光送往光纤合束器(5)。可选地，所述光纤合束器(5)的分光比为50％:50％。可选地，所述高速光电探测器(10)以及光电探测器(7)为铟镓砷或硅探测器，响应光谱范围为800nm-2500nm，无需液氮制冷。可选地，所述望远镜(9)为一低色散的非球面聚焦透镜或者离轴抛物面镜。可选地，所述锁相放大器(12)为数字锁相放大器，带宽为4MHz，可同时实现多个谐波信号的解调。可选地，所述数据采集卡(13)为高速数字采集卡，采样率为2MHz，可同时实现多通道信号采集和输出。本申请实施例的第二方面提供了一种被动红外激光探测装置，所述被动红外激光探测装置中运行上述第一方面提供的任一项所述的方法。本申请实施例提供的被动红外激光探测方法中通过对激光器波长扫描的同时，增加高频正弦信号，实现对本振光的波长调制，利用锁相放大器进行谐波解调，同时得到1f谐波信号和2f谐波信号，通过处理得到2f/1f信号，进而获取大气监测信息。这一过程中只需对本振光进行调制，简化装置的体积与复杂度；并且本申请提供的方法可以得到灵敏度较高的外差信号，获得更好的信噪比以及更佳的弱吸收探测能力；利用光纤进行信号传输进一步简化装置体积。附图说明图1为本申请实施例提供的被动红外激光探测装置的结构示意图；图2为本申请实施例提供的激光外差法原理图；图3为本申请实施例提供的整层大气中二氧化碳分子吸收光谱的正交一次谐波I1f，正交二次谐波I2f，以及I2f/I1f信号。具体实施方式如图1示出了本申请提供的被动红外激光探测装置的结构示意图，详述如下：激光器温控(2)控制激光器(1)的工作温度，光谱处理与信号发生系统(14)控制高速数据采集卡(13)同时生成低频扫描信号和高频调制信号的叠加信号，同时注入自制的激光器电控(3)，激光器(1)在激光器温控(2)和激光器电控(3)共同作用下实现激发光的波长扫描与调制，随后激发光通过入射进单模光纤，并通过光纤分束器(4)分成两束光，一束光通过光学标准具(6)后，由光电探测器(7)接收,并通过数据采集卡(13)采集光电探测器(7)信号,并保存进光谱处理系统或信号发生系统中，另外一束光作为本振光；高精度太阳跟踪仪(8)用于实时收集太阳光，小型望远镜(9)接收所述太阳光作为信号光，并耦合进单模光纤，该单模光纤与光纤合束器(5)进行连接，从单模光纤分束器(4)分出来的本振光通过光纤合束器(5)与耦合进单模光纤的信号光进行合束，并在高速光电探测器(10)光敏面上进行混频，混频后的信号通过射频处理模块(11)依次进行射频滤波，放大，平方律探测等过程,随后被送入数字锁相放大器(12)中，参考数据采集卡(13)所生成的高频调制信号同时输出给锁相放大器(12)做为参考信号，进行谐波信号解调，同时解调出1f谐波信号和2f谐波信号，由高速数据采集卡(13)对这些谐波信号进行采集与保存，并通过模拟仿真软件在光谱处理与信号发生系统(14)上对该信号进行实时处理，得到归一化后的2f/1f信号，从而得到高信噪比的外差信号，根据大气温湿廓线以及大气辐射传输模型建立正演模型，基于逐线积分模式并利用最优估计算法反演出目标气体分子的大气柱浓度以及垂直廓线等信息。其中：所述激光器(1)包括窄线宽可调谐的分布反馈式半导体激光器或窄线宽、宽调谐的外腔激光器。所述光纤分束器(4)与光纤合束器(5)分别为普通的单模光纤分束器和单模光纤合束器。所述光纤分束器(4)的分光比为5％:95％，其中95％的光送往光纤合束器(5)。所述光纤合束器(5)的分光比为50％:50％。所述高速光电探测器(10)以及光电探测器(7)为铟镓砷或硅探测器，响应光谱范围为800本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被动红外激光探测方法，其特征在于，所述被动红外激光探测方法，包括：/n温度控制器(2)控制激光器(1)的工作温度，光谱处理与发生系统(14)控制数据采集卡(13)，同时生成低频扫描锯齿信号和高频正弦调制信号的叠加信号，将所述叠加信号注入电流控制器(3)，激光器(1)在温度控制器(2)和电流控制器(3)共同作用下实现激发光的波长扫描与调制，随后激发光入射进单模光纤，并通过光纤分束器(4)分成两束光，一束光通过光学标准具(6)后，由光电探测器(7)接收,并通过数据采集卡(13)采集光电探测器(7)信号，保存在光谱处理与发生系统(14)，另外一束光作为本振光；/n太阳跟踪仪(8)用于实时收集太阳光，望远镜(9)接收所述太阳光作为信号光，并耦合进单模光纤，该单模光纤与光纤合束器(5)进行连接，所述本振光通过光纤合束器(5)与耦合进单模光纤的信号光进行合束，并在高速光电探测器(10)光敏面上进行混频，混频后的信号通过射频处理模块(11)处理后被送入锁相放大器(12)中；/n参考数据采集卡(13)所生成的高频正弦调制信号同时输出给锁相放大器(12)做为参考信号，进行谐波信号解调，同时解调出1f谐波信号和2f谐波信号，由数据采集卡(13)对这些谐波信号进行采集与保存，并通过Labview模拟仿真软件在光谱处理与发生系统(14)上对该信号进行实时处理，得到归一化后的2f/1f信号，从而得到高信噪比的外差信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种被动红外激光探测方法，其特征在于，所述被动红外激光探测方法，包括：
温度控制器(2)控制激光器(1)的工作温度，光谱处理与发生系统(14)控制数据采集卡(13)，同时生成低频扫描锯齿信号和高频正弦调制信号的叠加信号，将所述叠加信号注入电流控制器(3)，激光器(1)在温度控制器(2)和电流控制器(3)共同作用下实现激发光的波长扫描与调制，随后激发光入射进单模光纤，并通过光纤分束器(4)分成两束光，一束光通过光学标准具(6)后，由光电探测器(7)接收,并通过数据采集卡(13)采集光电探测器(7)信号，保存在光谱处理与发生系统(14)，另外一束光作为本振光；
太阳跟踪仪(8)用于实时收集太阳光，望远镜(9)接收所述太阳光作为信号光，并耦合进单模光纤，该单模光纤与光纤合束器(5)进行连接，所述本振光通过光纤合束器(5)与耦合进单模光纤的信号光进行合束，并在高速光电探测器(10)光敏面上进行混频，混频后的信号通过射频处理模块(11)处理后被送入锁相放大器(12)中；
参考数据采集卡(13)所生成的高频正弦调制信号同时输出给锁相放大器(12)做为参考信号，进行谐波信号解调，同时解调出1f谐波信号和2f谐波信号，由数据采集卡(13)对这些谐波信号进行采集与保存，并通过Labview模拟仿真软件在光谱处理与发生系统(14)上对该信号进行实时处理，得到归一化后的2f/1f信号，从而得到高信噪比的外差信号。


2.根据权利要求1所述的被动红外激光探测方法，其特征在于，所述激光器(1)包括窄线宽可调谐的分布反...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚瑞峰，张佩光，赵庆磊，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22