CN101101261A - 基于拉曼光源的差分吸收法测大气no2浓度的激光雷达 - Google Patents

基于拉曼光源的差分吸收法测大气no2浓度的激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，包括转动拉曼激光源、光接收与分光部件以及光电探测与控制处理部分，其特征在于：所述光接收与分光部件由接收光的望远镜筒接收来自大气后向散射光，入射光纤耦合后将光导入透镜的焦平面，经透镜准直后射入光栅，将354.71nm和360.00nm两个波长的光分出后由位于透镜焦平面的两根出射光纤接收；所述光栅为闪耀光栅，与透镜具有一定的夹角；所述光电探测与控制处理部分包括微型计算机、数据采集卡、延时器、放大整形电路、光电倍增管和光电探头。本发明具有结构简单、成本低廉、衍射效率高、灵活性好、使用和维护方便等有益效果。

Description

基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达
技术领域
本发明涉及激光探测领域，尤其涉及探测大气NO2浓度的激光雷达，具体地说是一种基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达。
背景技术
NO2气体是一种大气的主要污染气体，但是其易氧化，易分解的不稳定性给实时监测带来一定困难。因此目前国内对氮氧化物的检测方法多为化学方法，如盐酸萘乙二胺分光光度法、化学发光法及原电池库仑滴定法等，但是这些方法均需在实验室测量，实时性差，无法满足在线测量的要求。激光雷达技术测量大气污染气体的浓度是近两年的热点，通常采用差分吸收的方法进行测量，目前国内外均已经研制出针对NO2浓度测量的激光雷达，但是这些激光雷达都具有不足需改善之处。首先，为了获得波长相近的激光，采用的光源有连续氙灯、半导体可调谐激光器，染料可调谐激光器，钛宝石可调谐激光器或Nd:YAG三倍频激光泵浦氘气(D2)和甲烷(CH4)产生振动拉曼频移分别获得第一级斯托克斯光作为差分吸收探测的一对波长激光等。这些光源要么激光能量弱，信噪比小，测量精度差，要么结构复杂，价格昂贵，输出光不稳定或调整困难。其次为了将波长相近的两束光从强背景噪声中分离出来，通常采用的方法是双光栅光谱仪、双窄带干涉滤光片、金属蒸气滤光片加干涉滤光片或基于CCD分光光谱仪。其中双光栅单色仪由于可以很好的抑制瑞利散射，提高信噪比而得到广泛的应用，但是由于光学***的像差，很难保证分光***分离出的光谱是单条的，所以容易带来误差。同时双光栅单色仪由于采用两块光栅分光，提高了***成本。再次分光***的输入与输出光通常采用光纤耦合，光纤端面在透镜焦平面处的相对位置不同也会影响衍射效率和分光效果。
发明内容
本发明要解决的是现有技术存在的上述不足之处，提供一种结构简单、实用，使用更方便的基于转动拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达。
解决上述问题的技术方案是：基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，包括转动拉曼激光源、光接收与分光部件以及光电探测与控制处理部分，其特征在于：
所述的拉曼激光源产生354.71nm泵浦光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，分别对应NO2气体的强吸收和弱吸收；
所述光接收与分光部件包括一个接收光的望远镜筒、一根入射光纤、两根出射光纤、一个准直透镜和一个分光光栅，由接收光的望远镜筒接收来自大气后向散射光，与入射光纤耦合后将光导入准直透镜的焦平面，经准直透镜准直后射入光栅，将354.71nm和360.00nm两个波长的光分出后由位于准直透镜焦平面的出射光纤接收；并且，两根出射光纤的输出端面落在一条出射纵垂线上，所述的出射纵垂线与入射光纤在焦平面上对应的入射纵垂线沿焦平面的纵轴线对称分布；所述的分光光栅为反射式闪耀光栅，设置在所述准直透镜的另一侧，且满足2d sinθ＝mλ，式中：θ为闪耀角，d为光栅常数，λ为光的波长；
所述光电探测与控制处理部分包括微型计算机、数据采集卡、延时器、放大整形电路、光电倍增管和光电探头，所述的光电探头设置在光源输出处，其输出端接光电倍增管和数据采集卡的输入端；所述的光电倍增管为两个，其输入端分别接第二光纤和第三光纤，输出端接放大整形电路的输入端；所述放大整形电路的输出端接采集卡的输入端；所述采集卡的输出端接微型计算机。
本发明具有以下有益效果：
1)分光***采用特定波长的闪耀光栅分光，具有较之干涉滤光片更高的波长分辨率、信噪比高和稳定性好等优点，还简化了***结构，降低***成本；
2)光路入射光纤和出射光纤的相对位置采用光纤对称式光栅光路结构，提高了光栅的衍射效率；
3)分光***中采用光栅分光一体化结构，以及入射光纤和出射光纤作为导光光路，降低了对整个信号接收及探测光路的空间位置稳定性要求，增强了探测器的位置摆放灵活性；
4)光电探测与控制处理部分采用通用型的计算机和高速数据采集卡，对后向散射回波信号进行分析处理，使得雷达装置的控制处理部件的通用型较强，使用和维护均便利；
5)采用光电探头和延时器给光电倍增管和数据采集卡提供门控信号，有利于控制信号的采集和处理。
作为本发明的进一步改进，所述的拉曼激光源是按以下方法产生的：Nd:YAG激光器产生的基频光经二倍频、三倍频和初次滤光片，滤除剩余的基频激光和二倍频激光，得到纯净的线偏振态的354.71nm三倍频激光；线偏振态的354.71nm三倍频激光经过1/4波片转化为圆偏振态的354.71nm三倍频激光；然后，圆偏振态的354.71nm三倍频激光经透镜聚焦泵浦充有高压D2的拉曼管，产生转动受激拉曼散射，其散射光和剩余三倍频激光经另一块透镜准直输出；再经二次滤光片选择出剩余354.71nm三倍频激光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，将之作为NO2差分吸收探测所需的波长对激光。将NO2差分吸收探测的一对新波长转动拉曼激光源的方法首次用于激光雷达，具有成本低、中心波长稳定、线宽窄、同轴性好、NO2气体分子在该对波长激光处存在较大吸收截面差，且该对波长激光同时输出，实现真正的同光路实时测量等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明激光雷达的结构示意图。
图2是入射光纤和两根出射光纤对称分布在焦平面上的示意图。
图3是光纤—光栅分光光路的光路结构示意图。
图4是NO2气体分子吸收谱线图。
图中，1.Nd:YAG激光器，输出波长为1064nm；2.二倍频晶体；3.三倍频晶体；4.四分之一波片；5.两端带有透镜的拉曼管(充有D2)；6.望远镜筒；7.光纤(7a、7b、7c)；8.透镜焦平面；9.光学透镜；10.闪耀光栅；11.光电倍增管；12.放大整形电路；13.数据采集卡；14.微型计算机；15.延时器；16.微机处理***；17.光电探头；18.入射纵垂线；19.焦平面的纵轴线；20.出射纵垂线。
具体实施方式
参照图1、2，基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，包括转动拉曼激光源、光接收与分光部件以及光电探测与控制处理部分。
所述的拉曼激光源是按以下方法产生的：Nd:YAG激光器产生的基频光经二倍频、三倍频和初次滤光片，滤除剩余的基频激光和二倍频激光，得到纯净的线偏振态的354.71nm三倍频激光；线偏振态的354.71nm三倍频激光经过1/4波片转化为圆偏振态的354.71nm三倍频激光；然后，圆偏振态的354.71nm三倍频激光经透镜聚焦泵浦充有高压D2的拉曼管，产生转动受激拉曼散射，其散射光和剩余三倍频激光经另一块透镜准直输出；再经二次滤光片选择出剩余354.71nm三倍频激光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，将之作为NO2差分吸收探测所需的波长对激光。
所述的拉曼激光源产生354.71nm泵浦光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，分别对应NO2气体的强吸收和弱吸收。
所述光接收与分光部件包括一个接收光的望远镜筒6、一根入射光纤7a、两根出射光纤7b、7c、一个准直透镜9和一个分光光栅10，由接收光的望远镜筒6接收来自大气后向散射光，与入射光纤7a耦合后将光导入准直透镜9的焦平面8，经准直透镜9准直后射入光栅10，将354.71nm和360.00nm两个波长的光分出后由位于准直透镜9焦平面8的出射光纤7b、7c接收；并且，两根出射光纤7b、7c的输出端面落在一条出射纵垂线20上，所述的出射纵垂线20与入射光纤7a在焦平面8上对应的入射纵垂线18沿焦平面的纵轴线19对称分布；所述的分光光栅10为反射式闪耀光栅，设置在所述准直透镜9的另一侧，且满足2d sinθ＝mλ，式中：θ为闪耀角，d为光栅常数，λ为光的波长。
所述光电探测与控制处理部分包括微型计算机14、数据采集卡13、延时器15、放大整形电路12、光电倍增管11和光电探头17，所述的光电探头17设置在光源输出处，其输出端接光电倍增管11和数据采集卡13的输入端；所述的光电倍增管11为两个，其输入端分别接第二光纤7b和第三光纤7c，输出端接放大整形电路12的输入端；所述放大整形电路12的输出端接采集卡13的输入端；所述采集卡13的输入端的输出端接微型计算机14。
参照图3，本发明光纤—光栅分光光路采用入射光纤和出射光纤对称式结构，用以提高光栅的衍射效率。
本发明的工作原理如下：
Nd:YAG激光器1产生的1064nm基频光经二倍频2、三倍频3和初次滤光片后，得到纯净的线偏振态354.71nm的三倍频激光，经1/4波片4转化为圆偏振态的三倍频激光，然后经透镜聚焦后送入充有高压D2的拉曼管5，产生受激拉曼散射。由于采用的是圆偏振态的泵浦激光，因此在振动受激拉曼散射产生的同时，转动受激拉曼散射也被激发，其中第一级纯转动拉曼散射光的波长为360.00nm。振转拉曼散射光和剩余三倍频激光经另一块透镜准直输出，用滤光片将354.71nm和360.00nm滤出，分别对应NO2气体分子吸收谱线的波峰和波谷，可作为差分吸收探测的光源。旋转波片4，调整其主光轴与激光束光轴的夹角，使得经拉曼管后的354.71nm和360.00nm波长激光的脉冲能量相当。拉曼激光源在大气中传输过程中的后向散射光被卡萨格林式望远镜筒6接收，后向散射光聚焦后耦合入光纤7a被送入分光***。分光***采用单闪耀光栅分光，分离出来的354.71nm和360.00nm的光被再次耦合入另两根光纤7b、7c送入光电倍增管11的光敏面。光信号经光电倍增管11探测后送入放大整形电路12，再经数据采集卡13采集数据由微型计算机14处理。光电倍增管11采用两路探测，分别对应354.71nm和360.00nm的光，转换后的电信号送入多路放大整形电路12。为了使光电探测与控制处理部分正常工作，由延时器15对光电倍增管11和数据采集卡13提供开门信号。采用双通道高速数据采集卡13，实时采集两波长的回波信号。再经软件数据分析***得到激光束传输路径上的NO2分子数密度分布曲线，如图4所示。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，包括转动拉曼激光源、光接收与分光部件以及光电探测与控制处理部分，其特征在于：
所述的拉曼激光源产生354.71nm泵浦光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，分别对应NO2气体的强吸收和弱吸收；
所述光接收与分光部件包括一个接收光的望远镜筒(6)、一根入射光纤(7a)、两根出射光纤(7b、7c)、一个准直透镜(9)和一个分光光栅(10)，由接收光的望远镜筒(6)接收来自大气后向散射光，与入射光纤(7a)耦合后将光导入准直透镜(9)的焦平面(8)，经准直透镜(9)准直后射入光栅(10)，将354.71nm和360.00nm两个波长的光分出后由位于准直透镜(9)焦平面(8)的出射光纤(7b、7c)接收；并且，两根出射光纤(7b、7c)的输出端面落在一条出射纵垂线(20)上，所述的出射纵垂线(20)与入射光纤(7a)在焦平面(8)上对应的入射纵垂线(18)沿焦平面的纵轴线(19)对称分布；所述的分光光栅(10)为反射式闪耀光栅，设置在所述准直透镜(9)的另一侧，且满足2dsinθ＝mλ，式中：θ为闪耀角，d为光栅常数，λ为光的波长；
所述光电探测与控制处理部分包括微型计算机(14)、数据采集卡(13)、延时器(15)、放大整形电路(12)、光电倍增管(11)和光电探头(17)，所述的光电探头(17)设置在光源输出处，其输出端接光电倍增管(11)和数据采集卡(13)的输入端；所述的光电倍增管(11)为两个，其输入端分别接第二光纤(7b)和第三光纤(7c)，输出端接放大整形电路(12)的输入端；所述放大整形电路(12)的输出端接采集卡(13)的输入端；所述采集卡(13)的输入端的输出端接微型计算机(14)。
2、如权利要求1所述的基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，其特征在于所述的拉曼激光源是按以下方法产生的：Nd:YAG激光器产生的基频光经二倍频、三倍频和初次滤光片，滤除剩余的基频激光和二倍频激光，得到纯净的线偏振态的354.71nm三倍频激光；线偏振态的354.71nm三倍频激光经过1/4波片转化为圆偏振态的354.71nm三倍频激光；然后，圆偏振态的354.71nm三倍频激光经透镜聚焦泵浦充有高压D2的拉曼管，产生转动受激拉曼散射，其散射光和剩余三倍频激光经另一块透镜准直输出；再经二次滤光片选择出剩余354.71nm三倍频激光和360.00nm第一级转动拉曼散射光，将之作为NO2差分吸收探测所需的波长对激光。
3、如权利要求2所述的基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，其特征在于转动1/4波片，调整其主光轴与激光束光轴的夹角，使得经拉曼管后的354.71nm和360.00nm波长激光的脉冲能量相当。
4、如权利要求1-3任何一项所述的基于拉曼光源的差分吸收法测大气NO2浓度的激光雷达，其特征在于在望远镜筒(6)的焦点处放置用以调整望远镜接收视场角的光阑。
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