CN109655843A - 探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达*** - Google Patents

探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达*** Download PDF

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韩舸
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何斌
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Abstract

本发明提供一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，包括激光发射子***、光学接收子***和数据采集处理子***，激光发射***子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元。本发明不仅可探测大气CO2的柱浓度，还能够获得垂直路径上的CO2浓度廓线分布，尤其是边界层附近的大气CO2浓度信息，对于碳循环研究具有重要意义。本***的实现技术要求低，稳定性高，探测精度高，易于推广，是实现大气CO2浓度廓线测量的重要手段。

Description

探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***
技术领域
本发明涉及一种遥感探测大气二氧化碳浓度廓线的红外差分差分吸收激光雷达***。
背景技术
目前大气二氧化碳(CO2)探测差分吸收激光雷达的研制正处于蓬勃发展时期，各国竞相研制高性能的探测***，力争实现大气CO2的精确测量，进而厘清碳源、碳汇信息，加深对碳循环的理解。CO2探测差分吸收激光雷达即CO2-DifferentialAbsorptionLidar,CO2-DIAL。目前研制的激光雷达***大多是面向CO2柱浓度(即平均浓度)探测，是星载应用的预研项目，一般缺少对CO2廓线浓度(即具有距离分布的浓度)探测的研究。而CO2浓度廓线不仅可以提供具有距离分辨的CO2浓度信息，而且可以为碳通量的准确估算提供重要数据基础。本发明提供一种地基差分吸收CO2探测激光雷达***，可以实现大气CO2浓度廓线测量。
发明内容
本发明提出一种遥感探测大气二氧化碳浓度廓线的红外差分差分吸收激光雷达***，实现了高时空分辨率、高精度的大气CO2浓度廓线探测。
为达到上述目的，本发明技术方案提供一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，包括激光发射子***、光学接收子***和数据采集处理子***，光学接收子***包括望远镜、滤光器组及光电倍增管；数据采集处理子***包括数据采集器和计算机；激光发射***子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元；
激光发射子***中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中；
光学接收子***中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号；
数据采集处理子***中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。
而且，激光发射子***的种子激光器是一个超窄线宽的光纤种子激光器。
而且，激光发射***的染料激光器利用光栅进行波长调谐，所采用的装置为变频装置FCU，通过调节染料激光器的FCU产生634nm的红光，634nm的红光和Nd:YAG激光器产生的1064nm红外基频光一同进入后续的差频晶体进行差频，产生1572nm的红外激光，用作二氧化碳探测光源。
而且，光学接收子***的望远镜，用来接收探测路径上的激光与大气作用所产生的后向散射回波信号，滤光器组中的首个凸透镜安装在望远镜的焦点处。
而且，波长控制单元包括第二分光镜、波长计、光纤透镜、气体吸收池、探测器和示波器，稳频激光经过第二分光镜分光，1％的激光入射到波长计中，进行波长粗定标，99％的激光聚焦到光纤透镜上，进入光纤，利用1:9的分光光纤进行分光操作，分别入射到两个气体吸收池中，一个是真空吸收池，一个为充满标准状况下的CO2气体的吸收池，并分别利用第一探测器和第二探测器进行能量强度探测，通过示波器进行能量信号的显示和提取，并利用计算机根据差分吸收原理进行能量差分计算，通过调节波长，同时绘制波长变化下的稳频差分信号，找到on波长，并利用阈值法进行on波长稳定。
而且，光学接收子***的窄带滤波器用来进行滤波处理，滤除回波信号中的背景噪声。
而且，光学接收子***部分，接收到的回波信号入射到光电倍增管的光敏面上进行信号检测，光电倍增管的主要作用则是将接收到的光信号转换为能够用于后续处理分析的电信号。
而且，用于获取二氧化碳的柱浓度。
本发明的优点在于：地基廓线式差分吸收激光雷达(DifferentialAbsorptionLidar,DIAL)***不仅可探测大气CO2的柱浓度，还能够获得垂直路径上的CO2浓度廓线分布，尤其是边界层附近的大气CO2浓度信息，对于碳循环研究具有重要意义。本***的实现技术要求低，稳定性高，探测精度高，易于推广，是实现大气CO2浓度廓线测量的重要手段。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
为了便于理解本发明原理，首先解释本发明利用的差分吸收激光雷达经典反演方法：
在DIAL探测***中，一般发射两束波长相近的探测激光，其中一束激光的波长处于探测气体的吸收峰位置以获得最大吸收，这束激光对应的波长被称为on波长(记为λon)；另一束激光则处于探测气体的吸收谷附近，使气体对激光能量的吸收尽可能小，这束激光对应的波长则被称作off波长(记为λoff)。
差分吸收激光雷达所采用的作用机制为Mie散射与吸收机制，因此大气分子的消光系数要占主导地位，以激光雷达基本方程为基础，将探测气体的消光系数单独列出，则可得到差分吸收激光雷达的探测方程：
其中，P(λ,r)是激光雷达接收到λ波长下在高度r处的回波信号强度，P0是发射激光的强度，K为激光雷达的校正常数，A是望远镜的接收面积，c是光速,τ为激光脉冲持续时间，r为探测高度，β(λ,r)是λ波长下在高度r处大气的后向散射系数，α0(λ,r)是λ波长下在高度r处除探测气体以外的大气消光系数，Ng(r)是探测气体在高度r处的浓度，σg(λ)则是探测气体在波长λ下的吸收截面积。
当on与off波长十分相近时，探测***的各项参数可以认为是常量。假设这两束激光的探测路径相同，在同一时间内，气溶胶和其他大气分子对这两束激光的散射和吸收作用可以认为是相同的，那么它们回波信号之间的差异就完全由大气探测组分的吸收所造成。因此，可以通过对这种差异程度的测量来获得探测气体的浓度信息。
在CO2-DIAL探测***中，将on与off波长的回波信号强度作比，可以得到下式：
其中，P(λon,r)是激光雷达接收到on波长下在高度r处的回波信号强度，P(λoff,r)是激光雷达接收到off波长下在高度r处的回波信号强度，β(λon,r)和β(λoff,r)分别是是on波长和off波长下在高度r处大气的后向散射系数，α0(λon,r)和α0(λoff,r)分别是on波长和off波长下在高度r处除探测气体以外的大气消光系数，Ng(r)是探测气体在高度r处的浓度，σg(λon)和σg(λoff)分别是探测气体在on波长和off波长下的吸收截面积。
由于on波长和off波长特别接近，因此认为α0(λon,r)-α0(λoff,r)＝0，最后获得的探测高度r处大气厚度为Δr＝r2-r1的CO2浓度反演方程：
上式中，r1与r2分别是反演的起止高度，Δr则为距离分辨率，P(λon,r1)是激光雷达接收到on波长下在高度r1处的回波信号强度，P(λoff,r1)是激光雷达接收到off波长下在高度r1处的回波信号强度，P(λon,r2)是激光雷达接收到on波长下在高度r2处的回波信号强度，P(λoff,r2)是激光雷达接收到off波长下在高度r2处的回波信号强度。
在现有理论基础上，本发明为了探测二氧化碳浓度廓线，提出一种新型的脉冲红外差分吸收激光雷达***，采用独特的激光发射子***提供脉冲光。本发明实施例提供的激光雷达***如附图1所示，包括激光发射子***、光学接收子***、数据采集处理子***三大部分，其中激光发射子***中的波长控制单元是整个探测***的关键部分，因此将其单独标出。
激光发射子***包括种子激光器、Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元。激光发射子***中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中。
激光发射***的种子激光器是一个超窄线宽的光纤种子激光器，优选地线宽为100MHz。
激光发射***的染料激光器利用光栅进行波长调谐，所采用的装置为变频装置(FCU)，通过调节染料激光器的FCU产生634nm的红光，这些红光再和Nd:YAG激光器产生的1064nm红外基频光一同进入后续的差频晶体进行差频，产生1572nm的红外激光，用作CO2探测光源。
波长控制单元用于控制染料激光器的波长，包括第二分光镜、波长计、光纤透镜、气体吸收池、探测器和示波器。稳频激光经过第二分光镜分光，1％的激光入射到波长计中，进行波长粗定标，99％的激光聚焦到光纤透镜上，进入光纤，利用1:9的分光光纤进行分光操作，分别入射到两个气体吸收池中，一个是真空吸收池，一个为充满标准状况下的CO2气体的吸收池，并分别利用第一探测器和第二探测器进行能量强度探测，通过高采样率的示波器进行能量信号的显示和提取，并利用计算机根据差分吸收原理进行能量差分计算，通过调节波长，同时绘制波长变化下的稳频差分信号，找到on波长，并利用阈值法进行on波长稳定。具体实施时，可采用单模光纤连接实现分光，可采用BNC线分别连接示波器和第一探测器、第二探测器。
具体实施时，Nd:YAG激光器发射的光路上可以设置第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一分光镜和第二分光镜，采用45度角设置，第一反射镜和第二半反半透镜相应设置，第二分光镜和第一分光镜相应设置。
光学接收子***包括望远镜、滤光器组及PMT(光电倍增管)。
光学接收子***中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号。
光学接收子***的望远镜主要用来接收探测路径上的激光与大气作用所产生的后向散射回波信号，滤光器组中的首个凸透镜需要安装在望远镜的焦点处。
光学接收子***的窄带滤光片用来进行滤波处理，滤除回波信号中的背景噪声等，白天背景噪声较大，若想实现白天探测，超窄带宽的滤光片是必须的，优选地，半高宽小于0.3nm。
光学接收子***部分，接收到的回波信号入射到光电倍增管的光敏面上进行信号检测，光电倍增管的主要作用则是将接收到的光信号转换为能够用于后续处理分析的电信号。
数据采集处理子***包括数据采集器和计算机。数据采集处理子***承接着信号检测与数据处理两部分，是探测***中的重要一环，数据采集器直接与光电倍增管相连。具体实施时，可采用BNC线连接数据采集器和光电倍增管。
数据采集处理子***中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。
具体实施时，还可采用交换机在示波器、计算机、数据采集器、染料激光器之间建立网络连接，支持通信交互，即计算机接收所有信号，其中，计算机根据示波器信号控制染料激光器，另外计算机接收到的数据采集器的信号作为激光雷达的原始信号用于进一步数据反演工作。
与传统的自由空间固态种子激光器相比，探测***所采用的光纤种子激光器具有以下优点：1)抗干扰能力强；2)能够获得超窄线宽的激光输出；3)频率稳定性好，能够实现长期稳定输出；4)可调波长范围广，能够匹配YAG，YLF等多种激光器；5)完全数字化控制，灵活性高。优选地，可采用种子激光器的型号为newport 6350-1。
在激光产生过程中，首先使用Nd:YAG激光器产生波长为1064nm的近红外基频光；然后基频光通过KDP晶体进行激光倍频，产生波长为532nm的绿光；最后，通过谐波分离装置将混合在一起的近红外光和绿光分离，从不同的激光口输出。
探测CO2所需的1572nm波长激光的具体产生过程如下：首先通过调Q技术的Nd:YAG激光器产生1064nm的基频光，同时利用窄线宽的种子激光注入对其输出激光线宽进行压缩，随后窄线宽的1064nm基频光经过一个半反半透镜，一部分基频光经倍频晶体转化为532nm的绿光，另一部分基频光则直接进入后续的差频单元；倍频产生的532nm的绿光进入染料激光器，作为染料激光器的泵浦源，对染料池中的染料进行泵浦，并通过光栅对激光波长进行选择，获得634nm的红光，这些红光随后进入差频单元，同1064nm的红外光进入差频晶体进行激光差频，产生CO2探测所需的1572nm近红外激光。激光发射单元各主要设备设置如附图1所示。
为了实现发射激光on波长的高稳定性，必须对发射激光进行激光稳频操作。首先进行on波长查找，将激光器波长调节至on波长处，随后在实验过程中进行on波长稳定。具体如下：
首先进行稳频***搭建。通过分光镜，将99％的发射激光作为激光雷达光源，入射到大气中，1％的发射激光作为稳频光源，该部分激光也进行1％和99％的分光，前者入射到波长计中，进行波长粗定标，后者进行稳频实验。具体实施时，可通过聚焦到光纤透镜上，进入光纤。其次上述光纤尾端连接分光光纤，将稳频光源一分为二，为保证稳频信号强度，利用1:9的分光光纤进行分光操作，10％和90％的光通过尾纤处的光纤透镜分别入射到两个气体吸收池中，一个是真空吸收池，一个为充满标准状况下的CO2气体的吸收池，在两个吸收池的出光处分别连接探测器进行能量强度探测，并利用高采样率示波器进行能量信号的显示和提取。示波器的触发信号直接采用Nd:YAG激光器倍频产生的绿光信号作为触发信号。利用工控机收集示波器采集的双路能量信号，根据差分吸收原理进行能量差分计算。
稳频***搭建完成后，首先利用波长计确定当前波长大概位置，并利用染料激光器进行波长调节至选定的on波长附近；其次利用染料激光器进行短波到长波方向的连续调节，同时进行稳频光路的信号采集，绘制波长变化下的双吸收池的稳频差分信号，找到on波长；最后进行长期的稳频差分信号检测，即设定一定的阈值，当差分信号强度偏离阈值后，重新进行on波长查找，确保on波长的准确性。具体实施时，用户可以预设阈值的取值。
而off波长较为简单，吸收截面积在off波长附近的一定波长范围内对波长不敏感，因此在获得on波长后，根据波长间隔直接跳转到off波长处即可。
在激光雷达信号接收与检测中，利用卡式望远镜进行接收，并安装滤光器组，滤光器组包括依次设置的第一聚焦透镜、准直光路、窄带滤光片和第二聚焦透镜，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜都采用凸透镜。具体为：在望远镜焦点处安装第一聚焦透镜，并通过准直光路光路设计实现平行光输入，最后经过窄带滤光片滤光后，经第二聚焦透镜聚焦到光电倍增管中，将光信号转换为电信号，随后通过BNC线与信号采集器相连，利用信号采集器进行信号采集，其触发信号同样采用Nd:YAG激光器的绿光信号，根据采样率的不同，实现不同距离分辨的探测能力(20MHz的采样率对应15米的信号距离分辨率)。
在数据处理上，通过分别接收一定采集时间的on波长和off波长回波信号，输入到计算机中进行存储和处理，同时获取重要的环境参量(如温度、压强)，利用经典的差分吸收激光雷达反演算法进行差分计算，从而得到CO2廓线浓度分布。
星载探测利用的硬目标反射信号，其信噪比较高，获得的是CO2的平均柱浓度；而廓线探测利用的是气溶胶的后向散射信号，其信噪比远低于硬目标反射信号，这也是限制廓线探测的最大问题所在，利用本发明的***即可以实现高精度的廓线探测。
实际上，廓线探测结果的累积平均即为柱浓度。因此本发明提供的***是既可以用于获取柱浓度也可以用于获取廓线浓度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，包括激光发射子***、光学接收子***和数据采集处理子***，光学接收子***包括望远镜、滤光器组及光电倍增管；数据采集处理子***包括数据采集器和计算机；其特征在于：激光发射***子包括种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、倍频晶体、差频晶体、第一分光镜和波长控制单元；
激光发射子***中，由种子激光器发射1064nm的窄线宽激光注入到Nd:YAG激光器中，Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜后，其反射光经过倍频晶体后出射532nm激光，然后进入染料激光器出射634nm激光，经过第一反射镜和第二半反半透镜反射后，该激光同Nd:YAG激光器发射的1064nm激光经过第一半反半透镜、第二半反半透镜后的透射光一起，经过光程补偿，在差频晶体处差频出射1572nm的红外激光，该激光经过第一分光镜后，1％的激光作为稳压激光进入波长控制单元，采用主动稳频方式，通过调节染料激光器波长从而实现1572nm波长激光的频率稳定，99％的激光经过第二反射镜后入射到大气中；
光学接收子***中望远镜接收大气后向散射光，进入滤光器组后，变为准直光进入光电倍增管中，将光信号转换为电信号；
数据采集处理子***中的数据采集器将电信号采样为具有距离分辨率信息的信号，最后利用计算机进行数据处理。
2.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：激光发射子***的种子激光器是一个超窄线宽的光纤种子激光器。
3.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：激光发射***的染料激光器利用光栅进行波长调谐，所采用的装置为变频装置FCU，通过调节染料激光器的FCU产生634nm的红光，634nm的红光和Nd:YAG激光器产生的1064nm红外基频光一同进入后续的差频晶体进行差频，产生1572nm的红外激光，用作二氧化碳探测光源。
4.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：光学接收子***的望远镜，用来接收探测路径上的激光与大气作用所产生的后向散射回波信号，滤光器组中的首个凸透镜安装在望远镜的焦点处。
5.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：波长控制单元包括第二分光镜、波长计、光纤透镜、气体吸收池、探测器和示波器，稳频激光经过第二分光镜分光，1％的激光入射到波长计中，进行波长粗定标，99％的激光聚焦到光纤透镜上，进入光纤，利用1:9的分光光纤进行分光操作，分别入射到两个气体吸收池中，一个是真空吸收池，一个为充满标准状况下的CO2气体的吸收池，并分别利用第一探测器和第二探测器进行能量强度探测，通过示波器进行能量信号的显示和提取，并利用计算机根据差分吸收原理进行能量差分计算，通过调节波长，同时绘制波长变化下的稳频差分信号，找到on波长，并利用阈值法进行on波长稳定。
6.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：光学接收子***的窄带滤波器用来进行滤波处理，滤除回波信号中的背景噪声。
7.根据权利要求1所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：光学接收子***部分，接收到的回波信号入射到光电倍增管的光敏面上进行信号检测，光电倍增管的主要作用则是将接收到的光信号转换为能够用于后续处理分析的电信号。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述探测二氧化碳浓度廓线的脉冲红外差分吸收激光雷达***，其特征在于：用于获取二氧化碳的柱浓度。
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