测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统技术方案

一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，包括1572nm种子激光器、1645nm种子激光器、1572nm激光锁频模块、1645nm激光锁频模块、双波长双脉冲激光器(1572和1645nm)、积分球、准直镜、光电探测模块、数据采集与处理模块、发射扩束镜、视轴监视模块、中继光学模块、光学接收望远镜、分光镜一、分光镜二、分光镜三；所述的光电探测模块包括分光镜四、窄带滤波器一、1572nm探测光学单元、1572nm探测器、窄带滤波器二、1645nm探测光学单元和1645nm探测器。本发明专利技术利用一套同时输出双波长双脉冲激光的激光器，采用种子注入技术和高精度稳频技术，获得高频率稳定性的激光脉冲输出，采用路径积分差分吸收的方法，对大气中的主要温室气体——二氧化碳和甲烷实行全天时的高精度探测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统


[0001]本专利技术属于激光雷达，特别是一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统。

技术介绍

[0002]自工业革命以来，人类的活动造成大气中二氧化碳、甲烷等温室气体的含量急速上升，对全球的气候变化造成了不可估量的影响。因此，同时对大气中二氧化碳和甲烷浓度进行高精度监测是研究温室效应及制定相关措施必不可少的手段。
[0003]目前对于温室气体的探测主要有主动和被动两种方法。被动探测发展成熟且可以同时反演多种气体的信息，但被动探测依赖于太阳光的反射，不能实现夜晚探测和全纬度探测，同时容易受云和气溶胶干扰。主动的激光雷达探测方法则可以弥补被动方法的缺陷，路径积分差分吸收(IPDA)方法是采用两束波长相近的激光在短时间内先后发射，从而排除该路径上其余因素的影响，能够实现全天时全纬度的高精度探测。
[0004]近年来，二氧化碳差分吸收激光雷达技术蓬勃发展，但往往集中在地基探测、低空探测。主要原因是长距离、高精度的气体探测对系统提出了更高的要求，如激光发射系统的高能量、高频率稳定性，以及探测器的高灵敏度等。实现远距离探测的激光雷达往往依赖于长时间的信号累积来提升信噪比，不适宜应用于高速运动的星载平台。因此能实现机载、星载长距离探测的激光雷达成本更高，但只能测量一种气体浓度大大限制了其应用空间。在化石燃料开发等环节中，甲烷的便携检测装置已经得到了广泛的应用，但这种装置灵敏度低，不适宜在大气中远距离、大范围探测中使用。
[0005]路径积分差分吸收(IPDA)技术是一种既适用于甲烷又适用于二氧化碳的关键技术，它不仅能够实现全天时高精度的探测并且可以适用于地基、车载、机载、星载各种平台，但目前还未有同时对两种气体进行探测的IPDA激光雷达。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为克服激光雷达系统只能测量单一气体的问题，克服传统探测设备应用范围小、探测距离近、积分时间长的问题，提出一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，该系统可用于地基、车载、机载和星载平台，能实现不同覆盖范围的大气二氧化碳及甲烷浓度的同步测量，具有全天时大范围高精度的测量能力。
[0007]本专利技术技术解决方案如下：
[0008]一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，其特点在于：包括1572nm种子激光器、1645nm种子激光器、1572nm激光锁频模块、1645nm激光锁频模块、双波长双脉冲激光器(1572和1645nm)、积分球、准直镜、光电探测模块、数据采集与处理模块、发射扩束镜、视轴监视模块、中继光学模块、光学接收望远镜、分光镜一、分光镜二、分光镜三；所述的光电探测模块包括分光镜四、窄带滤波器一、1572nm探测光学单元、1572nm探测器、窄带滤波器二、1645nm探测光学单元和1645nm探测器。上述元部件的位置关系如下：
[0009]所述的1572nm种子激光器、1645nm种子激光器、1572nm激光稳频模块、1645nm激光稳频模块的输出端口与双波长双脉冲激光器的输入端口相接，所述的双波长双脉冲激光器发出的1572nm和1645nm光束经所述的分光镜一分为两路：一路经所述的积分球、准直镜进入所述的光电探测模块，另一路则经所述的分光镜二再分为两路：一路进入所述的视轴监视模块，另一路经所述的发射扩束镜射入大气中，此路光束经地面或云层等硬目标反射后的光信号经所述的光学接收望远镜的回波信号经所述的分光镜三分为两路：一路进入所述的视轴监视模块，另一路经所述的中继光学模块进入所述的光电探测模块，所述的光电探测模块的输出端与所述的数据采集与处理模块输入端相连。
[0010]经所述的积分球、准直镜的光束进入所述的光电探测模块中，入射到所述的分光镜四上，该分光镜四将1572nm的光反射至所述的窄带滤波器一、1572nm探测光学单元并入射至所述的1572nm探测器上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四透射进入所述的窄带滤波器二、1645nm探测光学单元并入射至所述的1645nm探测器上；硬目标反射的回波信号经所述的光学接收望远镜、分光镜三、中继光学模块后进入所述的光电探测模块中，入射到所述的分光镜四上，该分光镜四将回波信号中1572nm的光透射后进入所述的窄带滤波器一、1572nm探测光学单元，并入射至所述的1572nm探测器上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四反射至所述的窄带滤波器二、1645nm探测光学单元并入射至所述的1645nm探测器上。
[0011]所述的1572nm激光锁频模块与1645nm激光锁频模块均与所述的双波长双脉冲激光器的输入口相接，以稳定两波长输出激光中心频率，特别是online脉冲的频率稳定性。
[0012]所述的中继光学模块主要作用为将光学接收望远镜接收的会聚光转换为平行光，并用小孔光阑滤去杂光。
[0013]所述的光电探测模块中包含窄带滤波器一和窄带滤波器二，用于过滤太阳背景噪声和杂光的影响，提升信噪比。
[0014]所述的视轴监视模块包括分光模块和CCD，用于监测发射和接收光轴之间的夹角，保证收发光轴的平行。
[0015]本专利技术的优点在于：
[0016]1、本专利技术激光雷达系统采用主动探测的方法，双波长双脉冲的激光器可同时独自输出1572nm和1645nm的online及offline激光，不依赖太阳反射光，可全天时探测，且两波长的探测模块前均有相应的窄带滤波器，可以滤除太阳背景噪声和杂光的影响，提升探测精度。
[0017]2、本专利技术激光雷达系统，不仅提出了一种高精度、大范围大气甲烷浓度的有效探测方法，并且实现与二氧化碳探测系统的集成，可以同时测量两种最主要的温室气体，更好地满足控制温室效应的监测需求。
[0018]3、本专利技术激光雷达系统适用于地基、车载、机载和星载全平台，既可用于局部碳源以及甲烷源的排放量监测，也可用于全球范围的大气二氧化碳及甲烷浓度的整体监测。
[0019]4、本专利技术激光雷达系统设置参考光路，用于反演计算时对发射光束的能量进行归一化，可以降低对于激光器能量稳定性的要求。
[0020]5、本专利技术设计的激光雷达系统可以同时测量二氧化碳和甲烷的柱浓度，由于甲烷的吸收谱线中存在少量二氧化碳的吸收干扰，本系统可以用同步测量的二氧化碳差分吸收光学厚度对甲烷的差分吸收光学厚度进行校正。
附图说明
[0021]图1为本专利技术测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统装置的整体结构框图。
[0022]图中：1—1572nm种子激光器、2—1645nm种子激光器、3—1572nm激光锁频模块、4—1645nm激光锁频模块、5—双波长双脉冲激光器、6—积分球、7—准直镜、8—光电探测模块、9—数据采集与处理模块、10—发射扩束镜、11—视轴监视模块、12—中继光学模块、13—光学接收望远镜、14—分光镜一、15—分光镜二、16—分光镜三。
[0023]图2为本专利技术的光电探测模块的结构框图。
[0024]图中：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，其特征在于，系统包括1572nm种子激光器(1)、1645nm种子激光器(2)、1572nm激光锁频模块(3)、1645nm激光锁频模块(4)、双波长双脉冲激光器(5)、积分球(6)、准直镜(7)、光电探测模块(8)、数据采集与处理模块(9)、发射扩束镜(10)、视轴监视模块(11)、中继光学模块(12)、光学接收望远镜(13)、分光镜一(14)、分光镜二(15)和分光镜三(16)；所述的光电探测模块(8)包括分光镜四(8
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1)、窄带滤波器一(8
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2)、1572nm探测光学单元(8
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3)、1572nm探测器(8
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4)、窄带滤波器二(8
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5)、1645nm探测光学单元(8
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6)和1645nm探测器(8
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7)；上述元部件的位置关系如下：所述的1572nm种子激光器(1)、1645nm种子激光器(2)、1572nm激光稳频模块(3)、1645nm激光稳频模块(4)的输出端口与所述的双波长双脉冲激光器(5)的输入端口相接，所述的双波长双脉冲激光器(5)发出的1572nm和1645nm光束经所述的分光镜一(14)分为两路在；一路经所述的积分球(6)、准直镜(7)进入所述的光电探测模块(8)，另一路则经所述的分光镜二(15)再分为两路：一路进入所述的视轴监视模块(11)，另一路经所述的发射扩束镜(10)射入大气中，此路光束经地面或云层等硬目标反射后的光信号经所述的光学接收望远镜(13)进入激光雷达接收系统中，回波信号经所述的分光镜三(16)分为两路：一路进入所述的视轴监视模块(11)，另一路经所述的中继光学模块(12)进入所述的光电探测模块(8)，所述的光电探测模块(8)的输出端与所述的数据采集与处理模块(9)输入端相连；经所述的积分球(6)、准直镜(7)的光束进入所述的光电探测模块(8)中，入射到所述的分光镜四(8
‑
1)，该分光镜四(8
‑
1)将1572nm的光反射至所述的窄带滤波器一(8
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2)、1572nm探测光学单元(8
‑
3)并入射至所述的1572nm探测器(8
‑
4)上，同时所述的分光镜四(8
‑
1)将1645nm的光透射进入所述的窄带滤波器二(8
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5)、1645nm探测光学单元(8
‑
6)并入射至所述的1645nm探测器(8
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫标，吴子童，刘继桥，侯霞，竹孝鹏，马秀华，王明建，臧华国，李蕊，陈橙，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：