探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统及反演方法技术方案

本发明专利技术公开了一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；本发明专利技术还公开了一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，本发明专利技术能够对大气中生物气溶胶的相对数浓度进行探测。

【技术实现步骤摘要】
探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统及反演方法
本专利技术属于激光主动遥感探测
，涉及一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，本专利技术还涉及上述系统的大气反演方法。
技术介绍
生物气溶胶作为大气气溶胶的一个重要组成部分，在大气中的传播、扩散会引发人类的急慢性疾病以及动植物疾病。生物气溶胶还可以间接影响全球气候变化，并在大气化学和物理过程中有着潜在的影响。大气生物气溶胶光学特性的实时探测技术，对于研究生物气溶胶在大气中的含量和时空分布模式，具有重要的学术意义与科学研究价值。激光雷达作为一种远距离主动遥感探测工具，为大气中存有潜在危害的生物气溶胶早期预警和快速检测提供有效研究方案。激光雷达探测生物气溶胶的工作原理是由激光器发出的激光束脉冲进入大气，与大气中的颗粒物粒子(包含生物气溶胶粒子)和分子相互作用后产生后向散射回波信号，由望远镜接收，经光纤导入分光系统，分为荧光散射通道、米散射通道。系统中的回波信号均由光电倍增管探测，光信号由光电探测器转换为电信号后，经放大器放大后送入数据采集和处理系统，最后将数据导入计算机处理，由算法反演生物气溶胶的相对数浓度以及探测在大气中生物气溶胶分布状况等信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，该系统能够对大气中生物气溶胶的相对数浓度进行探测。本专利技术的目的是还提供一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法。本专利技术所采用的第一种技术方案是，一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；荧光信号经滤光片A滤波处理并提取，然后经由凸透镜A聚焦到光电倍增管A探测面，由光电倍增管A将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜调整光路，由滤光片B滤波并提取信号，再由凸透镜B聚焦到光电倍增管B探测面上，由光电倍增管B将米散射信号转换为电信号；电信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统中存储，随后将信号数据采集系统中的数据导入计算机中。本专利技术所采用的第二种技术方案是，一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，具体包括如下步骤：步骤1，确定激发脉冲光束在大气中传输透过率T1(λ1,R)和荧光波长在大气中传输透过率T2(λ2,R)；步骤2，确定生物气溶胶浓度表达式；步骤3，利用Klett法反演求取紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)；步骤4，计算生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数；步骤5，求紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数αuv(λ,R)；步骤6，计算激发波长的大气气溶胶消光系数；步骤7，计算荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数。本专利技术第二种技术方案的特点还在于，步骤1的具体过程为：当大气中生物气溶胶与紫外域激光脉冲发生作用，产生的荧光与米散射回波信号经过系统接收与分光处理，由光电倍增管A探测和转换荧光信号，光电倍增管B探测和转换米散射信号，得到的荧光和米散射信号强度激光雷达方程的表达式分别为：在上式中，PMie(λ1,R)为探测到的米散射信号强度，PF(λ2,R)为探测到的荧光信号强度，K为激光雷达系统常数，E0为紫外域激光脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，R为大气中存在生物气溶胶的高度，σFBio为生物气溶胶荧光散射截面积，Δλ为滤光片带宽，NBio(R)为高度R处的生物气溶胶粒子浓度，T1(λ1,R)为激发脉冲光束在大气中传输透过率，T2(λ2,R)为荧光波长在大气中传输透过率，其表达式分别：式中，α(λ1,R)为激光脉冲在大气中的消光系数，km-1，α(λ2,R’)为荧光波长在大气中的消光系数，km-1，R′表示对R进行求导。步骤2的具体过程为：根据步骤1中的公式(1)荧光信号强度激光雷达方程的表达式可得到生物气溶胶浓度的表达式：根据公式(5)可知，获得生物气溶胶的荧光散射截面积σBioF、激光脉冲在大气中的消光系数α(λ1,R)、荧光波长在大气中的消光系数α(λ2,R)三个未知参数即可得到大气生物气溶胶浓度廓线。步骤3的具体过程为：在已知米散射信号强度的基础上，通过激光雷达方程式(2)，利用Klett法反演得到紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)，表达式为：其中，P(R)为探测到的米散射信号强度，a(R)为激光波长在距离R处的大气消光系数，a(Rc)为激光波长在距离Rc处的大气消光系数。步骤4的具体过程为：已知探测大气生物气溶胶荧光波长，由公式(2)反演的消光系数公式(6)根据不同波长的气溶胶消光系数之间存在的等比例关系，计算出生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数，表达式如下所示：其中，αAer(λ2,R)为荧光波长的气溶胶消光系数，αAer(λ1,R)为为激发波长的气溶胶消光系数，λ1为激光器的激发波长，λ2为生物气溶胶在激光激发下产生的荧光波长。步骤5的具体过程为：由于大气中含有臭氧气体，对紫外域的激光脉冲会产吸收效应，导致系统采用的紫外域激光脉冲在大气中的传播除了受到气溶胶和大气分子的影响外，还需要考虑大气中所含臭氧浓度的变化，如下式所示：式中，αuv(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数，αaer(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的气溶胶消光系数，αmol(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的分子消光系数，αO3(λ,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。步骤6的具体过程为：激光雷达系统采用266nm波长激光脉冲作为生物气溶胶荧光的激发波长，在计算荧光消光系数时，减去266nm波长的臭氧吸收效率，得到激发波长的大气气溶胶消光系数，其表达式如下所示：上式中，αAer(R)为气溶胶总的消光系数，αMol(R)为大气分子的消光系数，αO3(R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。步骤7的具体步骤为：根据步骤6获得的激发波长的大气气溶胶消光系数，确定荧光波长之后，得荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数，表达式如下所示：其中，αAer(λ2,R)为生物气溶胶荧光波长λ2在大气中气溶胶总的消光系数，αMol(λ1,R)为激发波长λ1的大气分子消光系数，αO3(λ1,R)为紫外域激光脉冲在大气中的臭氧吸收系数。本专利技术的有益效果是，基于生物气溶胶所含生物本征荧光物质色氨酸在紫外域波长激光脉冲激发下产生荧光效应的原理，同时生物气溶胶与激发波长发生弹性散射作用产生米散射回波信号，以米散射信号为参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，其特征在于：包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；/n荧光信号经滤光片A滤波处理并提取，然后经由凸透镜A聚焦到光电倍增管A探测面，由光电倍增管A将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜调整光路，由滤光片B滤波并提取信号，再由凸透镜B聚焦到光电倍增管B探测面上，由光电倍增管B将米散射信号转换为电信号；电信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统中存储，随后将信号数据采集系统中的数据导入计算机中。/n

【技术特征摘要】
1.一种探测生物气溶胶相对数浓度的激光雷达系统，其特征在于：包括固体脉冲激光器，脉冲激光器发射紫外激光脉冲，紫外激光脉冲与大气中的生物气溶胶发生所用产生荧光和米散射信号，荧光和米散射荧光信号由望远镜接收；光纤将望远镜接收的荧光和米散射信号引导至凸透镜，凸透镜同时将荧光和米散射信号光路准直，经二向色镜分成两部分光路，第一部分光路全部透过荧光信号，第二部分光路全反射米散射信号；
荧光信号经滤光片A滤波处理并提取，然后经由凸透镜A聚焦到光电倍增管A探测面，由光电倍增管A将荧光信号转换为电信号，同时米散射信号由全反镜调整光路，由滤光片B滤波并提取信号，再由凸透镜B聚焦到光电倍增管B探测面上，由光电倍增管B将米散射信号转换为电信号；电信号经过A/D转换以及放大处理导入信号数据采集系统中存储，随后将信号数据采集系统中的数据导入计算机中。


2.一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，确定激发脉冲光束在大气中传输透过率T1(λ1,R)和荧光波长在大气中传输透过率T2(λ2,R)；
步骤2，确定生物气溶胶浓度表达式；
步骤3，利用Klett法反演求取紫外域激发脉冲在大气中传播的消光系数α(λ1,R)；
步骤4，计算生物气溶胶荧光波长在大气中的气溶胶消光系数；
步骤5，求紫外域激光脉冲在大气中总的消光系数αuv(λ,R)；
步骤6，计算激发波长的大气气溶胶消光系数；
步骤7，计算荧光波长在大气中传输时的气溶胶消光系数。


3.根据权利要求2所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
当大气中生物气溶胶与紫外域激光脉冲发生作用，产生的荧光与米散射回波信号经过系统接收与分光处理，由光电倍增管A探测和转换荧光信号，光电倍增管B探测和转换米散射信号，得到的荧光和米散射信号强度激光雷达方程的表达式分别为：






在上式中，PMie(λ1,R)为探测到的米散射信号强度，PF(λ2,R)为探测到的荧光信号强度，K为激光雷达系统常数，E0为紫外域激光脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，R为大气中存在生物气溶胶的高度，σFBio为生物气溶胶荧光散射截面积，Δλ为滤光片带宽，NBio(R)为高度R处的生物气溶胶粒子浓度，T1(λ1,R)为激发脉冲光束在大气中传输透过率，T2(λ2,R)为荧光波长在大气中传输透过率，其表达式分别：






式中，α(λ1,R)为激光脉冲在大气中的消光系数，km-1，α(λ2,R’)为荧光波长在大气中的消光系数，km-1，R′表示对R进行求导。


4.根据权利要求3所述的一种激光雷达探测大气生物气溶胶相对数浓度的反演方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
根据步骤1中的公式(1)荧光信号强度激光雷达方程的表达式可得到生物气溶胶浓度的表达式：



根据公式(5)可知，获得生物气溶胶的荧光散射截面积...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶志敏，毛建东，巩鑫，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏;64