大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置，主要由激光发射单元、信号接收单元和数据采集及控制单元三部分组成，激光发射单元的激光器、信号接收单元的机械光开关和探测器分别与数据采集及控制单元的同步控制器相连，光电二极管设计在激光器的光路旁并与同步控制器相连。本实用新型专利技术能实现对工厂和汽车排放量的有效检测，作用距离远，监测对象多，技术实现相对比较容易，体现了环境监测的发展趋势。本装置成本在３０万元以内，能够满足产品产业化推广的要求。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及激光技术，具体涉及大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置。
技术介绍
目前大气污染监测有以下几种方式(1)传统的大气环境污染监测以湿法电化学技术和抽气取样后的实验室分析为基础，无法对大气污染环境进行实时、在线监测；(2)光学和电子学技术的大气环境污染监测仪器，如紫外荧光法SO2监测仪、化学发光法NOx监测仪、非分散法CO2监测仪等等，但这些仪器通常只限于单点测量。(3)光谱遥感监测可以实施大范围连续实时监测，是大气环境污染监测的理想工具。如瑞典OPSIS公司生产的采用差分光学吸收光谱技术的″OPSIS空气质量自动监测系统″每套价格约为人民币60至80万元，价格高，而且探测范围有限、灵敏度不高。(4)激光长程吸收技术及差分吸收激光雷达具有探测范围更大、灵敏度更高的优势。但由于其技术的复杂性，目前尚处于试验阶段。德国Eligh的510M型车载激光雷达能监测5种污染气体和气溶胶(120万美元)，国内中科院安徽光机所成功研制了车载型的差分吸收激光雷达样机，用于北京市大气污染情况的流动监测；但由于其必须用可调谐激光器，技术实现上难度大，造价高昂，离产业化推广存在一定距离。
技术实现思路
本技术的目的为了克服上述现有技术存在的缺陷和问题，提供一种大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置，该装置能实现对工厂和汽车排放量的有效检测，作用距离远，监测对象多，技术实现相对比较容易，体现了环境监测的发展趋势。本装置成本在30万元以内，能够满足产品产业化推广的要求。本技术的技术方案为大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置，主要由激光发射单元、信号接收单元和数据采集及控制单元三部分组成，激光发射单元的激光器、信号接收单元的机械光开关和探测器分别与数据采集及控制单元的同步控制器相连，光电二极管设计在激光器的光路旁并与同步控制器相连。所述激光发射单元由激光器、倍频晶体、监视CCD、分束器、反射镜及反射镜控制件组成，激光器与倍频晶体相连，在激光器垂直发射光路旁设置监视CCD，在激光器发射的光路上依次放置分束器和反射镜，反射镜与射镜控制件相连。所述信号接收单元由接收望远镜、视场光阑、机械光开关、中继光路、分束器、准直透镜、窄带滤光片及光电探测器组成，接收望远镜的出口与视场光阑相连，视场光阑通过耦合光纤进入中继光路，中继光路上依次放置有分束器、准直透镜和窄带滤光片，中继光路的出口处放置光电探测器。所述数据采集及控制单元主要包括前置放大器、光子计数器、同步控制器及计算机，探测器的输出端与前置放大器相连，前置放大器依次与光子计数器、同步控制器及计算机相连。拉曼Raman散射激光雷达技术拉曼激光雷达虽然探测灵敏度相对较差，但其结构简单、造价较低、性能可靠，使用维护方便，使之很适合用于对城市大气污染源的流动监测，正好弥补了常规光学监测手段对污染源监测能力的不足。大气污染探测中往往要求能同时探测尽量多的大气污染组分。Raman散射激光雷达具有用一种波长激光激发多种污染组分的能力，可满足在尽量简单的技术条件下达到多污染组分探测的目的。同时，这种激光雷达系统中只要增加一个N2分子的接收通道，则各种被探测组分的浓度或密度的绝对值都可以从与N2分子Raman信号的比较中得到。Raman散射激光雷达适用于对大气中多种污染物同时监测，且技术实现比较简单，有较好的市场前景。虽然这种雷达存在探测灵敏度相对较低的弱点，可探测的浓度范围大约在10-3-10-5之间，但是特别适合对烟囱和汽车尾气等污染物排放源的监测。历史上，用Raman散射激光雷达进行大气污染探测在20世纪70年代曾经历了快速的发展，到80年代，发展方向逐步转向探测灵敏度更高的差分吸收激光雷达。但是，差分吸收激光雷达必须采用可调谐激光器，技术实现上难度大，造价高昂，市场前景无法预测。用激光雷达技术监测大气污染，具有高灵敏度、高分辨率、高选择性以及实时、快速、动态、可遥感、长程等特点，代表了大气环境监测的发展方向。本技术能实现对工厂和汽车排放量的有效检测，作用距离远，监测对象多，技术实现相对比较容易，体现了环境监测的发展趋势。本装置成本在30万元以内，能够满足产品产业化推广的要求。本技术有益效果在于具有以下的特点(1)采用独特的对准技术，保证激光发射与接收系统的高度共轴；(2)为提高散射回波信号的强度，采用共振Raman散射技术，使散射截面增加4-5个数量级；(3)采用先进的带外抑制技术，实现对天空中强的Rayleigh-Mie散射的抑制；(4)通过对电源纹波的有效控制和电噪声的有效屏蔽，减小电噪声对弱信号提取的影响，增强装置的探测能力；(5)制作大带宽放大和滤波电路，减小信号的失真，提高对污染物浓度的反演精度。相对于国内外研究比较集中的长程吸收及差分吸收激光雷达，研制Raman散射激光雷达的技术风险小，前期投入较低，由于价格因素，比较容易为市场接受。可探测的浓度范围大约在10-3-10-5之间，但是特别适合对烟囱和汽车尾气等污染物排放源的监测。附图说明图1为激光雷达探测原理图。图2为本技术的结构示意图。具体实施方式结合附图对本技术作进一步描述。如图2所示，大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置，主要由激光发射单元、信号接收单元和数据采集及控制单元三部分组成，激光发射单元的激光器、信号接收单元的机械光开关4和探测器7分别与数据采集及控制单元的同步控制器相连，光电二极管设计在激光器的光路旁并与同步控制器相连。所述激光发射单元由激光器、倍频晶体、监视CCD、分束器1、反射镜及反射镜控制件组成，激光器与倍频晶体相连，在激光器垂直发射光路旁设置监视CCD，在激光器发射的光路上依次放置分束器1和反射镜，反射镜与射镜控制件相连。所述信号接收单元由接收望远镜2、视场光阑3、机械光开关4、中继光路、分束器1、准直透镜6、窄带滤光片5及光电探测器7组成，接收望远镜2的出口与视场光阑3相连，视场光阑3通过耦合光纤进入中继光路，中继光路上依次放置有分束器1、准直透镜6和窄带滤光片5，中继光路的出口处放置光电探测器7。所述数据采集及控制单元主要包括前置放大器、光子计数器8、同步控制器及计算机，探测器7的输出端与前置放大器相连，前置放大器依次与光子计数器8、同步控制器及计算机相连。本装置能对1000m范围内污染源排放的SO2浓度进行实时监控。该Raman散射激光雷达距离分辨率为10m，时间分辨率为20s，能全天时工作，可探测的浓度优于10-5。本装置的关键技术是SO2共振散射的实现、极弱信号的探测与识别、SO2的Raman光谱的入射波长抑制器件的制作与使用、高带宽放大电路的设计与制作、装置整机的联调及发射、接收光路的对准。主要技术方案(1)根据对1000m范围内工厂和汽车排放物中浓度不大于10-5的主要污染物SO2的探测要求，确定激光器工作波长、单脉冲能量、重复频率；接收望远镜口径、接收系统通道数、背景噪声的抑制；散射截面和散射波长的计算；探测器件的选取；装置工作信噪比的计算、电子放大倍数和滤波装置的基本要求、信号处理方法等。(2)主要器件激光器为Nd:YAG固体脉冲激光器输出波长为532nm，能量为70mJ，重复频率为20Hz；接收望远镜口径200mm；窄带滤光片中心带宽1nm；带通滤光片透过率本文档来自技高网...

【技术保护点】
大气污染监测的拉曼散射激光雷达装置，主要由激光发射单元、信号接收单元和数据采集及控制单元三部分组成，其特征在于：激光发射单元的激光器、信号接收单元的机械光开关和探测器分别与数据采集及控制单元的同步控制器相连，光电二极管设计在激光器的光路旁并与同步控制器相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余峰，周辉，
申请(专利权)人：武汉领亚空间信息有限公司，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]