一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法技术

本发明专利技术属于大气环境监测技术领域，提出一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法。NO2差分吸收激光雷达包括二极管激光器、光谱仪、图像传感器、工控机和时序控制模块。控制时序同步控制二极管激光器发射、图像传感器采集和光谱仪记录光谱信息；二极管激光器波长在时序信号的控制下，相继发出位于NO2气体吸收峰波段的波长、位于NO2气体吸收谷波段的两波长；图像传感器采集图像并获得三种波长的扣除背景的大气后向散射信号强度，计算三种波长的激光雷达信号强度之间的比例，得到NO2气体的差分吸收激光雷达信号。本发明专利技术通过三波长探测的方式克服了传统双波长探测中气溶胶造成的影响，提高了NO2浓度测量的准确性。浓度测量的准确性。浓度测量的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法


[0001]本专利技术涉及大气环境监测与保护
，尤其涉及一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法。

技术介绍

[0002]差分吸收激光雷达(DIAL)技术因其能够实时测量三维空间上的大气污染物浓度分布，在大气环境监测领域具有重要的应用价值。DIAL技术针对不同气体的吸收谱线，利用快速的波长调谐交替向大气中发射不同波长的激光脉冲(一束波长位于待测气体吸收峰波段，记为λ
on
；另外一束波长位于待测气体吸收谷波段，记为λ
off
)，通过分析其后向散射信号的差异吸收从而获得待测气体在大气中的浓度分布。
[0003]主流的DIAL技术主要通过向大气中发射光脉冲信号，然后根据光子飞行时间(TOF)探测不同距离上的后向散射信号，从而最终实现大气气体(如NO2)的浓度探测。然而，脉冲式差分吸收激光雷达技术对光源要求非常苛刻，需要可调谐、双波长、高脉冲能量、窄线宽且稳定性好的纳秒量级(10
‑
100ns)脉冲光源。因此，自1980年以来，光源问题一直是DIAL技术研究突破的关键。
[0004]在先技术(Fredriksson K A,et.al.,“Mobile lidar system for environmental probing,”Applied Optics,20(24):4181
‑
4189,1981)中，采用Nd:YAG激光器泵浦染料激光器作为窄线宽可调谐脉冲光源，探测了大气NO2浓度。在先技术(Ryoichi T,et.al.,“Tunable solid
‑
state blue laser differential absorption lidar system for NO
2 monitoring,”Optical Engineering，35(8):2371
–
2375,1996)中，由Nd:YAG激光器泵浦Ti:Sapphire激光器作为光源，并采用和频的方式产生了可调谐的脉冲式激光输出。然而，这些方法存在着光源、光电探测结构复杂、稳定性差、成本高昂，难以实际应用的瓶颈问题。
[0005]在先技术(Mei L,et.al.,"Remote sensing of atmospheric NO
2 by employing the continuous
‑
wave differential absorption lidar technique,"Optical Express,25:A953
‑
A962,2017)中，基于Scheimpflug原理，采用二极管激光器作为光源、图像传感器作为探测器，提出了连续波NO2差分吸收激光雷达，实现了大气NO2浓度探测。然而，由于NO2气体测量时λ
on
和λ
off
波长间隔较大，导致气溶胶差分吸收造成的NO2测量误差较大，并且难以通过后期信号处理方法彻底消除，极大地影响了系统测量的精度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，克服大气气溶胶对NO2的浓度影响，实现NO2浓度的高精度探测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，包括激光发射单元、激光接收单元和系统控制单元。
[0008]激光发射单元包括二极管激光器5、分光片6、光谱仪7和透镜组8；激光接收单元包
括光学成像系统9、滤光片10和图像传感器11；系统控制单元包括激光器电流驱动模块3、激光器温控模块4、工控机1和时序控制模块2。
[0009]该方法的包括步骤如下；
[0010]步骤1.工控机1通过时序控制模块2产生时序信号，并将触发信号同步输出给激光器电流驱动模块3、图像传感器11和光谱仪7；
[0011]步骤2.利用激光器温控模块4设定二极管激光器5的工作温度，激光器电流驱动模块3在时序信号的控制下输出电流，并使二极管激光器5按照“λ
on
波长输出
‑
关闭
‑
λ
off1
波长输出
‑
关闭
‑
λ
off2
波长输出
‑
关闭”的状态工作；
[0012]步骤3.二极管激光器5发出的光束经过分光片6被分成两束光，一束光由透镜组8准直后发射到大气中，另一束光被光谱仪7接收；
[0013]步骤4.发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统9接收，经带通滤光片10滤除大气背景信号后，再由图像传感器11实现光电探测；获得λ
on
波长的大气后向散射信号P1，λ
on
波长的大气背景信号P2，λ
off1
波长的大气后向散射信号P3，λ
off1
波长的大气背景信号P4，λ
off2
波长的大气后向散射信号P5，λ
off2
波长的大气背景信号P6；
[0014]步骤5.计算P1
–
P2，P3
–
P4,P5
–
P6分别得到二极管激光器λ
on
波长、λ
off1
波长和λ
off2
波长扣除背景后的大气后向散射信号强度P
on
、P
off1
、P
off2
；
[0015]步骤6.重复步骤1
‑
步骤5至N次，N为自然数，取N次P
on
、P
off1
、P
off2
信号的平均值分别记为P
on
‑
avg
、P
off1
‑
avg
、P
off2
‑
avg
；
[0016]步骤7.校准：将雷达系统对距离已知的固定物体进行测量，并记录由固定物体反射的激光光束在图像传感器11的位置；根据几何成像原理，计算出图像传感器11像素与测量距离之间的关系；
[0017]步骤8.结合步骤7中得到的图像传感器11与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程，求得消除气溶胶影响的NO2差分吸收激光雷达信号R(z)：
[0018][0019]步骤9.NO2气体浓度分布(C(z))通过下式求解：
[0020][0021]其中，σ(λ
on
)是NO2气体在λ
on
波长处的等效吸收截面，σ(λ
off1
)是NO2气体在λ
off1
波长处的等效吸收截面,z是测量距离，是对距离的微分算符。
[0022本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，包括步骤如下；步骤1.工控机(1)通过时序控制模块(2)产生时序信号，并将触发信号同步输出给激光器电流驱动模块(3)、图像传感器(11)和光谱仪(7)；步骤2.利用激光器温控模块(4)设定二极管激光器(5)的工作温度，激光器电流驱动模块(3)在时序信号的控制下输出电流，并使二极管激光器(5)按照“λ
on
波长输出
‑
关闭
‑
λ
off1
波长输出
‑
关闭
‑
λ
off2
波长输出
‑
关闭”的状态工作；步骤3.二极管激光器(5)发出的光束经过分光片(6)被分成两束光，一束光由透镜组(8)准直后发射到大气中，另一束光被光谱仪(7)接收；步骤4.发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被光学成像系统(9)接收，经带通滤光片(10)滤除大气背景信号后，再由图像传感器(11)实现光电探测；获得λ
on
波长的大气后向散射信号P1，λ
on
波长的大气背景信号P2，λ
off1
波长的大气后向散射信号P3，λ
off1
波长的大气背景信号P4，λ
off2
波长的大气后向散射信号P5，λ
off2
波长的大气背景信号P6；步骤5.计算P1
–
P2，P3
–
P4,P5
–
P6分别得到二极管激光器λ
on
波长、λ
off1
波长和λ
off2
波长扣除背景后的大气后向散射信号强度P
on
、P
off1
、P
off2
；步骤6.重复步骤1
‑
步骤5至N次，N为自然数，取N次P
on
、P
off1
、P
off2
信号的平均值分别记为P
on
‑
avg
、P
off1
‑
avg
、P
off2
‑
avg
；步骤7.校准：将雷达系统对距离已知的固定物体进行测量，并记录由固定物体反射的激光光束在图像传感器(11)的位置；根据几何成像原理，计算出图像传感器(11)像素与测量距离之间的关系；步骤8.结合步骤7中得到的图像传感器(11)与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程，求得消除气溶胶影响的NO2差分吸收激光雷达信号R(z)：步骤9.NO2气体浓度分布(C(z))通过下式求解：其中，σ(λ
on
)是NO2气体在λ
on
波长处的等效吸收截面，σ(λ
off1
)是NO2气体在λ
off1
波长处的等效吸收截面,z是测量距离，是对距离的微分算符。2.根据权利要求1所述的基于连续波差分吸收激光雷达的NO2浓度三波长探测方法，其特征在于，所述的工控机(1)分别连接时序控制模块(2)、光谱仪(7)和图像传感器(11)，工控机(1)控制时序控制模块(2)产生控制信号，控...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅亮，成远，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：