CN112684472B - 大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达及反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，包括综合控制处理***且电连接有谱上中红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器，沿谱上中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱上准直扩束器、第一反射镜、合束器，沿谱外中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱外准直扩束器、合束器，沿合束后的激光出射方向依次设置有第二反射镜、第三反射镜、反射硬目标或后向散射软目标、接收望远镜、小孔光阑和中红外光谱分光***第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器。本发明能实现开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测。本发明还公开了利用上述中红外差分吸收激光雷达***探测大气中苯浓度的反演方法。
Description
技术领域
本发明属于激光主动遥感探测技术领域，涉及一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，还涉及利用上述差分吸收激光雷达***反演大气中苯浓度的方法。
背景技术
苯是一种易挥发芳香味的工业化学物质，主要来自胶黏剂、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂等，也是大气环境领域中挥发性有机化合物之一，可作为臭氧和PM2.5的重要前体物，且具有较大毒性，主要导致血液***的损失，属于一类致癌物，对大气环境及人体健康有严重的影响。目前已成为控制大气污染的关键因素之一。目前大气中苯浓度探测多采用气相色谱-质谱法、电离-质谱法等采样后离线分析的苯浓度的技术，尚未报道开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测技术。
差分吸收激光雷达技术是一种大气微量和痕量成分探测的激光遥感技术，其探测原理是利用双波长（吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off）激励光源的透射或后向散射光信号，通过光谱差分吸收技术反演获得被测微量或痕量成分的浓度信息，主要有路径积分式和路径廓线式两种类型，前者主要利用连续光源或者高频脉冲光源，多采用硬目标（漫反射体）或软目标（如薄云等高后向散射体）的反射后的前向透射信号或者后向散射信号，可实现探测路径上的大气中痕量成分的积分浓度（即柱浓度）探测；后者多采用脉冲体制光源，利用具有距离分辨率且携有浓度信息的后向散射信号，因此可获得探测路径上的大气中微量成分的浓度廓线。目前，差分吸收激光雷达在大气主要成分（如氧气）、微量成分（如水汽、二氧化碳等）和痕量成分（如臭氧、氮化物、硫化物等）已获得了较好应用，但对于大气中苯浓度的研究尚未见报道。
差分吸收激光雷达探测大气痕量成分浓度技术需要激励光源波长与大气被测痕量气体吸收谱线精细匹配，主要受限于合适波长激光源的实现以及高性能光电探测技术。目前该领域主要利用的激励光源有，光学参量振荡激光器和液体染料激光器，但是，前者通常成本很高且长期稳定性较差，而后者需要经常更换液体染料且***庞大，通常用于科学研究，很难进行工业化和商品化。而随着基于量子级联以及带间级联等半导体激光技术的出现和发展，该类型激光器的激射波长不受限于增益物质，而是可依据量子阱厚度进行选择定制，且其体积小适合于集成，而且其激励波长恰好位于物质分子的官能团区和指纹区的中红外区域，非常适用于差分吸收激光雷达探测大气痕量成分的技术，可实现开放光程条件下大气苯的实时路径积分浓度探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，能实现开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测。
本发明的另一目的是提供利用上述中红外差分吸收激光雷达***探测大气中苯浓度的反演方法。
本发明所采用的技术方案是，大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，包括综合控制处理***，综合控制处理***电连接有谱上中红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器，沿谱上中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱上准直扩束器、第一反射镜、合束器，沿谱外中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱外准直扩束器、合束器，红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器的激光束在合束器合束且沿合束后的激光出射方向依次设置有第二反射镜、第三反射镜、反射硬目标或后向散射软目标，反射硬目标或后向散射软目标的激光反射方向设置有接收望远镜，沿接收望远镜的激光反射方向依次设置有小孔光阑和中红外光谱分光***，中红外光谱分光***的光路出射方向并列设置有第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器，第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器还电连接综合控制处理***。
本发明第一种技术方案的特征还在于，
综合控制处理***分别通过第一连接电缆和第二连接电缆与第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器连接，综合控制处理***分别通过第三连接电缆和第四连接电缆与谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器连接。
第一反射镜与合束器在竖直方向上平行放置，第二反射镜与合束器在水平方向上平行放置，第二反射镜与第三反射镜在竖直方向上平行放置，第三反射镜位于接收望远镜的筒口处。
谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器采用闭环控制结构，闭环控制结构包括稳频控制器，稳频控制器分别通过第五连接电缆和第六连接电缆连接有电流驱动器和温度驱动器，电流驱动器和温度驱动器分别通过第八连接电缆和第九连接电缆共同连接有带间级联中红外激光器，稳频控制器还通过第七连接电缆与带间级联中红外激光器连接，沿带间级联中红外激光器的输出光束方向依次设置有分束镜、第四反射镜、第一中红外分色片、第三中红外光电探测器，第三中红外光电探测器通过第十连接电缆连接稳频控制器，谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器的稳频控制器分别通过第三连接电缆和第四连接电缆连接综合控制处理***，谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器的第一中红外分色片将激光束分成两束，其中透射光束作为谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器的输出光束，另一束输入第三中红外光电探测器。
谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器的带间级联中红外激光器的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处，相应的第一中红外分色片的截止波长也分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处。
谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器采用开环控制结构，开环控制结构包括稳频控制器，稳频控制器分别通过第五连接电缆和第六连接电缆连接有电流驱动器和温度驱动器，电流驱动器和温度驱动器分别通过第八连接电缆和第九连接电缆共同连接有带间级联中红外激光器，稳频控制器还通过第七连接电缆与带间级联中红外激光器连接，谱外中红外稳频激光器和谱上中红外稳频激光器的稳频控制器分别通过第三连接电缆和第四连接电缆连接综合控制处理***，沿带间级联中红外激光器的输出光束将作为谱上中红外稳频激光器或谱外中红外稳频激光器的输出光束，谱上中红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器中的带间级联中红外激光器的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处。
中红外光谱分光***采用光栅结构，光栅结构包括沿小孔光阑光路出射方向依次设置的准直透镜、中红外衍射光栅、第一会聚透镜，沿第一会聚透镜的光路出射方向并列设置有第五反射镜和第六反射镜，第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器分别位于第五反射镜和第六反射镜的反射光路上，第五反射镜反射光束的中心波长位于吸收谱上波长λ on处，第六反射镜反射光束的中心波长位于吸收谱外波长λ off处。
中红外光谱分光***采用分色片结构，分色片结构包括沿小孔光阑光路出射方向依次设置的准直透镜、第二中红外分色片，沿第二中红外分色片入射光束方向还设置有第一会聚透镜，沿第二中红外分色片的反射光束方向还设置有第二会聚透镜，第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器分别位于第一会聚透镜和第二会聚透镜的会聚之后光路上，第二中红外分色片的截止波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off的中间处。
本发明第二种技术方案为：探测大气中苯浓度的反演方法，采用上述大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，具体按照如下步骤实施：
步骤1，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标时，通过综合控制处理***打开谱上中红外稳频激光器，且谱外关闭中红外稳频激光器，并将谱上中红外稳频激光器输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ on处，调整光路，使第一中红外光电探测器的信号最大且第二中红外光电探测器的信号最小；
步骤2，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标时，通过综合控制处理***打开谱外中红外稳频激光器，且关闭谱上中红外稳频激光器，并将谱外中红外稳频激光器输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ off处，调整光路，使第二中红外光电探测器的信号最大且第一中红外光电探测器的信号最小；
步骤3，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标时，通过综合控制处理***同时打开谱上中红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器，获得第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器的信号分别为P 11和P 21，则中红外差分吸收激光雷达***的通道灵敏度比K=P 11/P 21；
步骤4，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标时，在光路中增加水汽体积浓度大于1.86%的气体池，此时第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器的信号分别为P 12和P 22，通过综合控制处理***调谐谱外中红外稳频激光器的工作波长，使得P 12/P 11=P 22/P 21；
步骤5，选择正常天气，采用长开放光程反射硬目标，进行大气中苯浓度的观测，此时第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器的信号分别为P 1(t)和P 2(t)，则在光束探测路径长度L上，苯的平均浓度体积浓度为
其中，σ是苯分子在相应波长处的吸收截面积，N是单位体积内空气含有的分子数，N L(t)是苯分子的数密度，获得大气中苯浓度的实时观测数据。
大气中苯浓度的误差表示为：
(2)
其中，SNR是激光雷达回波信号的信噪比。
本发明的有益效果是：
本发明提出的中红外差分吸收激光雷达可实现大气中苯浓度的实时观测，用于监测大气中苯浓度的变化，尤其可用于遥感监测相关工矿企业的废气排放质量等情况。
附图说明
图1是本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***的结构示意图；
图2是本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***中的谱上或谱外中红外稳频激光器的闭环控制结构示意图；
图3是本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***中的谱上或谱外中红外稳频激光器的开环控制结构示意图；
图4是本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***中的中红外光谱分光***的光栅结构示意图；
图5是本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***中的中红外光谱分光***的分色片结构示意图；
图6是本发明的大气中苯及主要干扰成分的中红外吸收光谱图；
图7是本发明的大气中水汽与苯的吸光度对比图。
图中，1.谱上中红外稳频激光器，2.谱上准直扩束器，3.谱外中红外稳频激光器，4.谱外准直扩束器，5.第一反射镜，6.合束器，7.第二反射镜，8.第三反射镜，9.反射硬目标或后向散射软目标，10.接收望远镜，11.小孔光阑，12.中红外光谱分光***，13.第一中红外光电探测器，14.第二中红外光电探测器，15.第一连接电缆，16.第二连接电缆，17.综合控制处理***，18.第三连接电缆，19.第四连接电缆，20.稳频控制器，21.第五连接电缆，22.第六连接电缆，23.第七连接电缆，24.电流驱动器，25.温度驱动器，26.第八连接电缆，27.第九连接电缆，28.带间级联中红外激光器，29.分束镜，30.第四反射镜，31.第一中红外分色片，32.第三中红外光电探测器，33.第十连接电缆，34.准直透镜，35.中红外衍射光栅，36.第一会聚透镜，37.第五反射镜，38.第六反射镜，39.第二中红外分色片，40.第二会聚透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其结构如图1所示，包括综合控制处理***17，综合控制处理***17电连接有谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3，沿谱上中红外稳频激光器1的光路出射方向依次设有谱上准直扩束器2、第一反射镜5、合束器6，沿谱外中红外稳频激光器3的光路出射方向依次设有谱外准直扩束器4、合束器6，红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3的激光束在合束器6合束且沿合束后的激光出射方向依次设置有第二反射镜7、第三反射镜8、反射硬目标或后向散射软目标9，反射硬目标或后向散射软目标9的激光反射方向设置有接收望远镜10，沿接收望远镜10的激光反射方向依次设置有小孔光阑11和中红外光谱分光***12，中红外光谱分光***12的光路出射方向并列设置有第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14，第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14还电连接综合控制处理***17。
综合控制处理***17分别通过第一连接电缆15和第二连接电缆16与第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14连接，综合控制处理***17分别通过第三连接电缆18和第四连接电缆19与谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1连接。
第一反射镜5与合束器6在竖直方向上平行放置，第二反射镜7与合束器6在水平方向上平行放置，第二反射镜7与第三反射镜8在竖直方向上平行放置，第三反射镜8位于接收望远镜10的筒口处，接收望远镜的口径为200mm。
谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1采用闭环控制结构，其结构如图2所示，闭环控制结构包括稳频控制器20，稳频控制器20分别通过第五连接电缆21和第六连接电缆22连接有电流驱动器24和温度驱动器25，电流驱动器24和温度驱动器25分别通过第八连接电缆26和第九连接电缆27共同连接有带间级联中红外激光器28，稳频控制器20还通过第七连接电缆23与带间级联中红外激光器28连接，沿带间级联中红外激光器28的输出光束方向依次设置有分束镜29、第四反射镜30、第一中红外分色片31、第三中红外光电探测器32，第三中红外光电探测器32通过第十连接电缆33连接稳频控制器20，谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1的稳频控制器20分别通过第三连接电缆18和第四连接电缆19连接综合控制处理***17，谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1的第一中红外分色片31将激光束分成两束，其中透射光束作为谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1的输出光束，另一束输入第三中红外光电探测器32。
谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1的带间级联中红外激光器28的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on（λ on的波数为3090.0cm-1）和吸收谱外波长λ off（λ off的波数为3137.1cm-1）处，相应的第一中红外分色片31的截止波长也分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处，以提高鉴频精度进而改善谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3的稳频精度，分束镜29的透反比为9:1，工作波长位于λ on和λ off的中红外波段，该闭环控制结构的稳频精度在0.1cm-1。
谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1采用开环控制结构，其结构如图3所示，开环控制结构包括稳频控制器20，稳频控制器20分别通过第五连接电缆21和第六连接电缆22连接有电流驱动器24和温度驱动器25，电流驱动器24和温度驱动器25分别通过第八连接电缆26和第九连接电缆27共同连接有带间级联中红外激光器28，稳频控制器20还通过第七连接电缆23与带间级联中红外激光器28连接，谱外中红外稳频激光器3和谱上中红外稳频激光器1的稳频控制器20分别通过第三连接电缆18和第四连接电缆19连接综合控制处理***17，沿带间级联中红外激光器28的输出光束将作为谱上中红外稳频激光器1或谱外中红外稳频激光器3的输出光束，谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3中的带间级联中红外激光器28的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on（λ on的波数为3090.0cm-1）和吸收谱外波长λ off（λ off的波数为3137.1cm-1）处，该开环控制结构的稳频精度在0.1cm-1。
中红外光谱分光***12采用光栅结构，如图4所示，光栅结构包括沿小孔光阑11光路出射方向依次设置的准直透镜34、中红外衍射光栅35、第一会聚透镜36，沿第一会聚透镜36的光路出射方向并列设置有第五反射镜37和第六反射镜38，第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14分别位于第五反射镜37和第六反射镜38的反射光路上，第五反射镜37反射光束的中心波长位于吸收谱上波长λ on处，第六反射镜38反射光束的中心波长位于吸收谱外波长λ off处。
中红外光谱分光***12采用分色片结构，如图5所示，分色片结构包括沿小孔光阑11光路出射方向依次设置的准直透镜34、第二中红外分色片39，沿第二中红外分色片39入射光束方向还设置有第一会聚透镜36，沿第二中红外分色片39的反射光束方向还设置有第二会聚透镜40，第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14分别位于第一会聚透镜36和第二会聚透镜40的会聚之后光路上，第二中红外分色片39的截止波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off的中间处。
本发明一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达的工作原理为，在综合控制处理***17的控制下，启动谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3分别发出波长为λ on和吸收谱外波长λ off的连续激光束，经谱上准直扩束器2和谱外准直扩束器4后在合束器6处形成一束激光，依次经第二反射镜7和第三反射镜8射向大气，大气中的分子都会与激光束产生散射和吸收等消光作用，然后经反射硬目标或后向散射软目标9后，再次透过大气，经接收望远镜10后，聚焦于小孔光阑11中心处，再经中红外光谱分光***12处理后，形成两束光信号分别照射在第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14上进行光电转换，两路电信号进入综合控制处理***17经数模转换和处理后，反演得到大气中苯浓度的实测数据。
激光束在大气中传输时，大气中的分子都会与激光束产生散射和吸收等消光作用，由于两种激光的波长差异不大，因此，气溶胶粒子和大部分分子的散射和吸收作用差别不大，但是也有部分分子在该波段的吸收作用差别较大或存在明显的起伏，影响大气中苯浓度探测的主要分子的吸收截面如图6所示，而大气中含量较多且起伏较大的水汽成分，取水汽浓度为4320ppm，苯浓度为10ppm，则二者吸光度对比如图7所示，通过精细选择并稳频吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off，使其吸收截面处于相同数值，将实现水汽影响的校正至1%，则探测大气中苯浓度的精度约为0.1ppm。
综合控制处理***17不仅协调控制谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3的中红外激光束的稳频，而且还要实现第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14两路输出电信号的数模转换和数据处理，实现大气中苯浓度的反演算法。
本发明探测大气中苯浓度的反演方法，采用上述大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，具体按照如下步骤实施：
步骤1，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标9，如反射镜时，通过综合控制处理***17打开谱上中红外稳频激光器1，且谱外关闭中红外稳频激光器3，并将谱上中红外稳频激光器1输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ on处，调整光路，使第一中红外光电探测器13的信号最大且第二中红外光电探测器14的信号最小；
步骤2，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标9，如反射镜时，通过综合控制处理***17打开谱外中红外稳频激光器3，且关闭谱上中红外稳频激光器1，并将谱外中红外稳频激光器3输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ off处，调整光路，使第二中红外光电探测器14的信号最大且第一中红外光电探测器13的信号最小；
步骤3，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标9，如反射镜时，通过综合控制处理***同时打开谱上中红外稳频激光器1和谱外中红外稳频激光器3，获得第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14的信号分别为P 11和P 21，则中红外差分吸收激光雷达***的通道灵敏度比K=P 11/P 21；
步骤4，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标9，如反射镜时，在光路中增加高湿度的气体池，即就是水汽体积浓度大于1.86%，此时第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14的信号分别为P 12和P 22，通过综合控制处理***17调谐谱外中红外稳频激光器3的工作波长，使得P 12/P 11=P 22/P 21，尽量减少大气中水汽的吸收对苯浓度探测的影响；
步骤5，选择正常天气，采用长开放光程反射硬目标9，如漫反射物，进行大气中苯浓度的观测，此时第一中红外光电探测器13和第二中红外光电探测器14的信号分别为P 1(t)和P 2(t)，则在光束探测路径长度L上，苯的平均浓度体积浓度为
1
其中，σ是苯分子在相应波长处的吸收截面积，N是单位体积内空气含有的分子数，在地面测量时，σ可取标准Loschmidt常数2.69×10-19cm-3，N L(t)是苯分子的数密度获得大气中苯浓度的实时观测数据。
为估计中红外差分吸收激光雷达的探测性能，考虑激光雷达信号信噪比对探测性能的影响，分析苯浓度的误差可表示为
(2)
SNR是激光雷达回波信号的信噪比，通常取峰外通道的信噪比。
Claims (10)
1.大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，包括综合控制处理***（17），所述综合控制处理***（17）电连接有谱上中红外稳频激光器（1）和谱外中红外稳频激光器（3），沿所述谱上中红外稳频激光器（1）的光路出射方向依次设有谱上准直扩束器（2）、第一反射镜（5）、合束器（6），沿所述谱外中红外稳频激光器（3）的光路出射方向依次设有谱外准直扩束器（4）、合束器（6），红外稳频激光器（1）和谱外中红外稳频激光器（3）的激光束在合束器（6）合束且沿合束后的激光出射方向依次设置有第二反射镜（7）、第三反射镜（8）、反射硬目标或后向散射软目标（9），所述反射硬目标或后向散射软目标（9）的激光反射方向设置有接收望远镜（10），沿所述接收望远镜（10）的激光反射方向依次设置有小孔光阑（11）和中红外光谱分光***（12），所述中红外光谱分光***（12）的光路出射方向并列设置有第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14），所述第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）还电连接所述综合控制处理***（17）。
2.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述综合控制处理***（17）分别通过第一连接电缆（15）和第二连接电缆（16）与第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）连接，所述综合控制处理***（17）分别通过第三连接电缆（18）和第四连接电缆（19）与谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）连接。
3.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述第一反射镜（5）与合束器（6）在竖直方向上平行放置，所述第二反射镜（7）与合束器（6）在水平方向上平行放置，所述第二反射镜（7）与第三反射镜（8）在竖直方向上平行放置，所述第三反射镜（8）位于接收望远镜（10）的筒口处。
4.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）采用闭环控制结构，所述闭环控制结构包括稳频控制器（20），所述稳频控制器（20）分别通过第五连接电缆（21）和第六连接电缆（22）连接有电流驱动器（24）和温度驱动器（25），所述电流驱动器（24）和温度驱动器（25）分别通过第八连接电缆（26）和第九连接电缆（27）共同连接有带间级联中红外激光器（28），所述稳频控制器（20）还通过第七连接电缆（23）与带间级联中红外激光器（28）连接，沿所述带间级联中红外激光器（28）的输出光束方向依次设置有分束镜（29）、第四反射镜（30）、第一中红外分色片（31）、第三中红外光电探测器（32），所述第三中红外光电探测器（32）通过第十连接电缆（33）连接所述稳频控制器（20），所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）的稳频控制器（20）分别通过第三连接电缆（18）和第四连接电缆（19）连接所述综合控制处理***（17），所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）的第一中红外分色片（31）将激光束分成两束，其中透射光束作为谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）的输出光束，另一束输入所述第三中红外光电探测器（32）。
5.根据权利要求4所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）的带间级联中红外激光器（28）的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处，相应的第一中红外分色片（31）的截止波长也分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处。
6.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）采用开环控制结构，所述开环控制结构包括稳频控制器（20），所述稳频控制器（20）分别通过第五连接电缆（21）和第六连接电缆（22）连接有电流驱动器（24）和温度驱动器（25），所述电流驱动器（24）和温度驱动器（25）分别通过第八连接电缆（26）和第九连接电缆（27）共同连接有带间级联中红外激光器（28），所述稳频控制器（20）还通过第七连接电缆（23）与带间级联中红外激光器（28）连接，所述谱外中红外稳频激光器（3）和谱上中红外稳频激光器（1）的稳频控制器（20）分别通过第三连接电缆（18）和第四连接电缆（19）连接所述综合控制处理***（17），沿所述带间级联中红外激光器（28）的输出光束将作为谱上中红外稳频激光器（1）或谱外中红外稳频激光器（3）的输出光束，所述谱上中红外稳频激光器（1）和谱外中红外稳频激光器（3）中的带间级联中红外激光器（28）的工作波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off处，λ on的波数为3090.0cm-1，λ off的波数为3137.1cm-1。
7.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述中红外光谱分光***（12）采用光栅结构，所述光栅结构包括沿小孔光阑（11）光路出射方向依次设置的准直透镜（34）、中红外衍射光栅（35）、第一会聚透镜（36），沿所述第一会聚透镜（36）的光路出射方向并列设置有第五反射镜（37）和第六反射镜（38），所述第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）分别位于所述第五反射镜（37）和第六反射镜（38）的反射光路上，所述第五反射镜（37）反射光束的中心波长位于吸收谱上波长λ on处，第六反射镜（38）反射光束的中心波长位于吸收谱外波长λ off处。
8.根据权利要求1所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，其特征在于，所述中红外光谱分光***（12）采用分色片结构，所述分色片结构包括沿小孔光阑（11）光路出射方向依次设置的准直透镜（34）、第二中红外分色片（39），沿所述第二中红外分色片（39）入射光束方向还设置有第一会聚透镜（36），沿所述第二中红外分色片（39）的反射光束方向还设置有第二会聚透镜（40），所述第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）分别位于所述第一会聚透镜（36）和第二会聚透镜（40）的会聚之后光路上，所述第二中红外分色片（39）的截止波长分别位于吸收谱上波长λ on和吸收谱外波长λ off的中间处。
9.探测大气中苯浓度的反演方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达***，具体按照如下步骤实施：
步骤1，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标（9）时，通过综合控制处理***（17）打开谱上中红外稳频激光器（1），且谱外关闭中红外稳频激光器（3），并将谱上中红外稳频激光器（1）输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ on处，调整光路，使第一中红外光电探测器（13）的信号最大且第二中红外光电探测器（14）的信号最小；
步骤2，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标（9）时，通过综合控制处理***（17）打开谱外中红外稳频激光器（3），且关闭谱上中红外稳频激光器（1），并将谱外中红外稳频激光器（3）输出光束的中心波长稳定在吸收谱上波长λ off处，调整光路，使第二中红外光电探测器（14）的信号最大且第一中红外光电探测器（13）的信号最小；
步骤3，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标（9）时，通过综合控制处理***同时打开谱上中红外稳频激光器（1）和谱外中红外稳频激光器（3），获得第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）的信号分别为P 11和P 21，则中红外差分吸收激光雷达***的通道灵敏度比K=P 11/P 21；
步骤4，选择无苯污染天气，或者采用短开放光程强反射硬目标（9）时，在光路中增加水汽体积浓度大于1.86%的气体池，此时第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）的信号分别为P 12和P 22，通过综合控制处理***（17）调谐谱外中红外稳频激光器（3）的工作波长，使得P 12/P 11=P 22/P 21；
步骤5，选择正常天气，采用长开放光程反射硬目标（9），进行大气中苯浓度的观测，此时第一中红外光电探测器（13）和第二中红外光电探测器（14）的信号分别为P 1(t)和P 2(t)，则在光束探测路径长度L上，苯的平均浓度体积浓度为
（1）
其中，σ是苯分子在相应波长处的吸收截面积，N是单位体积内空气含有的分子数，N L(t)是苯分子的数密度，获得大气中苯浓度的实时观测数据。
10.根据权利要求9所述的探测大气中苯浓度的反演方法，其特征在于，大气中苯浓度的误差表示为：
(2)
其中，SNR是激光雷达回波信号的信噪比。
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