基于CO制造技术

本发明专利技术公开了一种基于CO

【技术实现步骤摘要】
基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统及探测方法
本专利技术涉及光学遥测接收装置，具体涉及一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统及探测方法。
技术介绍
对流层臭氧是一种重要的温室气体，在地球辐射收支平衡中扮演着重要角色，在工业时代臭氧造成的辐射强迫量达到约为0.4Wm-2。在地面上，臭氧是一种污染气体，它具有强氧化特性，能够破坏生物组织，严重损伤人类健康、蔬菜和农作物产量和质量。由于臭氧具有强氧化性，因此对流层臭氧的寿命是非常短的，随着高度和区域的不同具有很大的差异性。对流层臭氧主要来源于天然源和人为源前提物的氧化，区域平流输送以及平流层和对流层的交换。对于多来源的对流层臭氧的时空分布数据和分布特征获取具有重大的科学意义和应用价值。在地面上，点式分析仪器以很高的时间分辨率和测量精度(5％以内)进行地面臭氧的测量，这些臭氧浓度通常以8小时平均值或小时平均值进行发布用于地面臭氧趋势的测量。当地面臭氧浓度发生了地面数据无法解释的现象时，臭氧垂直廓线分布随时间的分布的分析就变得非常必要。探空气球能够获取几条臭氧垂直廓线，不能满足高时空分辨率对臭氧污染时段的探测需求。差分吸收激光雷达以它的高测量精度、高时空分辨率以及能够连续测量等特点，成为测量大气臭氧的重要主动遥感工具。研究学者通常采用Nd:YAG激光器泵浦D2单拉曼管或者D2、H2双拉曼管产生差分吸收光源作为臭氧探测的光源，其中Nd:YAG泵浦D2单拉曼管存在拉曼频移量较大，产生了泵浦光266nm、289nm、316nm激光，波长间隔大，气溶胶敏感光谱因子大，因此造成了气溶胶干扰较大的问题，尤其是在灰霾天测量中气溶胶的干扰影响是不可忽略的。而Nd:YAG泵浦D2、H2双拉曼管产生了289nm、299nm激光，波长间隔小，气溶胶敏感光谱因子相对减小了1/2，但同时带来了三个比较大的问题：(1)D2、H2双拉曼管分配了Nd:YAG激光器的能量，这将会对泵浦光源Nd:YAG激光器泵浦能量提出了更高的要求；(2)D2、H2双拉曼管将会造成289nm、316nm回波信号的几何因子存在较大差异，因此将会抬升臭氧激光雷达的探测盲区，降低了臭氧激光雷达数据使用价值；(3)双拉曼管激光发射系统比较复杂、体积较大限制了它的应用区域场景。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统及探测方法，实现对对流层臭氧时空分布的高时空分辨率、高精度昼夜连续探测；基于CO2单拉曼管光源，产生276nm、287nm、299nm三个差分吸收波长对，实现近地面至对流层顶的臭氧浓度连续探测；CO2单拉曼光源解决了D2、H2双拉曼管光源发射光路复杂、分担ND：YAG激光器泵浦能量的主要问题，并且解决了基于双拉曼管光源的激光雷达存在的几何因子差异较大引起的过渡区数据不可用的问题，提高了激光雷达探测盲区和数据应用价值；CO2单拉曼光源光源产生的波长对相比较D2单拉曼光源产生的差分波长激光，具有波长间隔小，气溶胶敏感，气溶胶敏感光谱因子相对减小了1/2，大大减小了气溶胶干扰问题；基于CO2单拉曼管臭氧差分吸收激光雷达能够应用于灰霾、清洁天气等多种应用场景的臭氧时空昼夜分布监测。此外单拉曼频移光源具有设备简单、成本低、激光波长稳定等优点，有利于差分吸收激光雷达的小型化和商业化；并且输出的激光波长不存在激光波长漂移和激光波长标定等问题，有利于实现激光雷达自动化连续测量；使用四波长紫外光栅光谱仪取代干涉滤光片，有效减小了白天背景噪声干扰的问题。为解决上述问题，本专利技术的方案为：一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集和信号分析单元；所述激光发射单元包括：Nd:YAG四倍频激光器、双色镜、第一45°全反镜、第一透镜、充CO2的拉曼管、第二45°全反镜、消色差透镜组、第三45°全反镜；所述Nd:YAG四倍频激光器、双色镜、第一45°全反镜、第一透镜、充CO2的拉曼管、第二45°全反镜具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上；Nd:YAGz输出四倍频激光266nm，剩余的532nm激光，双色镜高透532nm激光，透过率大于95％，高反266nm激光，反射率大于99％，经第一45°全反镜全反射后，经第一透镜后在充满CO2的拉曼管内聚焦，产生CO2各级拉曼Stokes效应，同时输出一阶斯托克光、二阶斯托克斯光、三阶斯托克斯光，所对应的拉曼频移光波长为276nm、287nm、299nm；三个波长的拉曼频移光源经过第二45°全反镜全反射后，将发射激光方向由平行于光学平板方向转变为垂直于光学平板方向，并与接收望远镜光轴方向平行；消色差透镜组与第一透镜组成扩束系统，对三个波长的拉曼频移光源3倍扩束，经扩束后的三波长激光发散角小于0.15mrad；第三45°全反镜将三个波长的拉曼频移光源由平行于接收望远镜光轴方向调节为与接收望远镜光轴方向同轴，进一步降低激光雷达过渡区；所述光学接收单元包括接收望远镜和三波长光栅光谱仪。所述接收望远镜采用Cassegrain型望远镜，主镜和次镜均采用了双曲面反射镜，接收望远镜与激光发射光路共同搭载在同一块光学平板上面；所述三波长光栅光谱仪包括小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面全息光栅、第一曲面反射镜、第二曲面反射镜、第三曲面反射镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管；所述高分辨率平面全息光栅用于将三波长回波信号分离，第一曲面反射镜、第二曲面反射镜、第三曲面反射镜镀高反射率介质膜，反射率达到99％以上，分别将276nm、287nm、299nm三个波长的激光会聚，第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管分别将276nm、287nm、299nm回波信号光电转换为电流信号。信号采集和信号分析单元包括瞬态记录仪和工控机，瞬态记录仪包括高速AD采集器和光子计数器两个模块，这两个模块对同一路差分吸收回波信号同时接收，AD采集器负责近低端高度强回波信号，采用了20M，16bit的AD采集器；光子计数器负责远距离单光子回波信号，最大光子计数率达到250MHz。所述CO2拉曼管装置的276nm、287nm拉曼频移光的转换效率达到25％及以上，299nm拉曼频移光的转换效率达到10％及以上；所述第一透镜、消色差透镜组组成3倍扩束的系统，减小276nm、287nm、299nm三波长激光指向性的差异；所述基于CO2单拉曼管的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置时间分辨率为7min，空间分辨率为30m～100m，空间分辨率根据天气状况和实际应用需求可进行调整；所述基于CO2单拉曼管的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置有效数据最小探测高度为0.2km，最高探测高度为5km，晴朗天，气溶胶干扰对臭氧反演精度小于2ppb，灰霾天，气溶胶干扰对臭氧反演精度小于5ppb；所述基于CO2单拉曼管的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置0.2km～3km，测量精度小于等于10％，3km～5km，测量精度小于等于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CO

【技术特征摘要】
1.一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集和信号分析单元；所述激光发射单元包括：Nd:YAG四倍频激光器、双色镜、第一45°全反镜、第一透镜、充CO2的拉曼管、第二45°全反镜、消色差透镜组、第三45°全反镜；所述Nd:YAG四倍频、双色镜、第一45°全反镜、第一透镜、充CO2的拉曼管、第二45°全反镜具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上；Nd:YAGz输出四倍频激光266nm，剩余的532nm激光，双色镜高透532nm激光，透过率大于95％，高反266nm激光，反射率大于99％，经第一45°全反镜全反射后，经第一透镜后在充满CO2的拉曼管内聚焦，产生CO2各级拉曼Stokes效应，同时输出一阶斯托克光、二阶斯托克斯光、三阶斯托克斯光，所对应的拉曼频移光波长为276nm、287nm、299nm；三个波长的拉曼频移光源经过第二45°全反镜全反射后，将发射激光方向由平行于光学平板方向转变为垂直于光学平板方向，并与接收望远镜光轴方向平行；消色差透镜组与第一透镜组成扩束系统，对三个波长的拉曼频移光源3倍扩束，经扩束后的三波长激光发散角小于0.15mrad；第三45°全反镜将三个波长的拉曼频移光源由平行于接收望远镜光轴方向调节为与接收望远镜光轴方向同轴，进一步降低激光雷达过渡区；所述光学接收单元包括接收望远镜和三波长光栅光谱仪，所述接收望远镜采用Cassegrain型望远镜，主镜和次镜均采用了双曲面反射镜，接收望远镜与激光发射光路共同搭载在同一块光学平板上面；所述三波长光栅光谱仪包括小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面全息光栅、第一曲面反射镜、第二曲面反射镜、第三曲面反射镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管；所述高分辨率平面全息光栅用于将三波长回波信号分离，第一曲面反射镜、第二曲面反射镜、第三曲面反射镜镀高反射率介质膜，反射率达到99％以上，分别将276nm、287nm、299nm三个波长的激光会聚，第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管分别将276nm、287nm、299nm回波信号光电转换为电流信号，信号采集和信号分析单元包括瞬态记录仪和工控机，瞬态记录仪包括高速AD采集器和光子计数器两个模块，这两个模块对同一路差分吸收回波信号同时接收，AD采集器负责近低端高度强回波信号，采用了20M，16bit的AD采集器；光子计数器负责远距离单光子回波信号，最大光子计数率达到250MHz。


2.根据权利要求1所述的一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述CO2拉曼管装置的276nm、287nm拉曼频移光的转换效率达到25％及以上，299nm拉曼频移光的转换效率达到10％及以上。


3.根据权利要求1所述的一种基于CO2单拉曼管的臭氧时空差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述第一透镜、消色差透镜组组成3倍扩束的系统，减小27...

【专利技术属性】
技术研发人员：范广强，张天舒，刘文清，刘建国，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34