CN114414525B - 基于半导体激光no2柱浓度的探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置及探测方法，通过设置激光光源、接收***和信号处理模块；激光光源为连续光可调谐半导体激光发射光源；接收***为接收连续光可调谐半导体激光发射光源的接收装置，用于实现对大气中NO2分子反射散射光的接收；信号处理模块与接收***相连，用以放大和处理接收到的光信号。本发明通过设置激光光源和接收***，来实现对大气中NO2分子进行光探测，并通过信号处理模块收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，即可得到NO2柱浓度；整个装置构造简单，使用更加方便，更加经济实用，且装置在使用时，稳定可靠，检测的准确率高，具有很好的应用前景，值得广泛推广。
Description
技术领域
本发明涉及污染源排放通量光学遥测的技术领域，具体涉及基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置及探测方法。
背景技术
目前测量NO2柱浓度大多数时候需要在白天利用太阳散射光作为光源，使用被动DOAS方法，反演出某个路径上NO2的斜柱浓度，再转换成柱浓度。被动DOAS方法可以在近地面探测，灵敏度高，但是受到太阳散射光的影响，无法实现夜间测量。而使用雷达可以实现夜间测量，且空间分辨率高，测量范围广，但是雷达***复杂，体积庞大，成本昂贵。
所以需要一种简单便携，更加稳定可靠的NO2柱浓度探测仪器。
发明内容
本发明的目的是提供基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置及探测方法，旨在解决现阶段NO2柱浓度探测装置复杂，且使用不方便的技术问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置，包括激光光源、接收***和信号处理模块；所述激光光源为连续光可调谐半导体激光发射光源，用于生成对大气中NO2分子探测所对应的探测光；
所述接收***为接收连续光可调谐半导体激光发射光源的接收装置，用于实现对大气中NO2分子反射散射光的接收；
所述信号处理模块与所述接收***相连，用以放大和处理接收到的光信号。
作为本发明的进一步改进，所述激光光源包括连续可调谐的半导体激光器、准直镜和赤道仪；所述半导体激光器用于发射探测光；所述准直镜用于准直半导体激光发射光；所述赤道仪用于改变发射***的方向和角度。
作为本发明的进一步改进，所述连续可调谐半导体激光器包括电流控制***和准直***；所述电流控制***用来控制注入半导体激光器的电流大小，从而控制半导体激光器的发射波长；所述准直***，用于将发散的半导体激光整形准直。
作为本发明的进一步改进，所述连续可调谐半导体激光器还包括高分辨率的光谱仪；所述光谱仪用以校准半导体激光的发射波长。
作为本发明的进一步改进，所述接收***包括卡塞格林望远镜、赤道仪和光电探测器；所述卡塞格林望远镜用于接收后向散射光；所述赤道仪用于改变卡塞格林望远镜的方向和角度；所述光电探测器为带前置放大器的Si基光电探测器。
作为本发明的进一步改进，还设有支架；所述激光光源和接收***定位设在所述支架上；所述激光光源和接收***在同一水平线上；所述激光光源和接收***在同一侧间距设置。
基于半导体激光NO2柱浓度的探测方法，包括以下步骤：
步骤一、调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收峰λon处；
步骤二、调节发射装置和接收装置的赤道仪夹角和方向，使接收望远镜对准某一探测高度z处的光束，接收其后向散射光信号；
步骤三、散射光由望远镜汇聚到Si基光电探测器的光敏面上，再由Si基光电探测器转换成电压信号输出；
步骤四、再调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收谷λoff处；
步骤五、不改变赤道仪夹角和方向，使接收望远镜接收此时同一高度的后向散射光信号；
步骤六、将接收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，得到NO2在高度z上的柱浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过设置激光光源和接收***，来实现对大气中NO2分子进行光探测，并通过信号处理模块收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，即可得到NO2柱浓度；整个装置构造简单，使用更加方便，更加经济实用，且装置在使用时，稳定可靠，检测的准确率高，具有很好的应用前景，值得广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述探测装置的结构示意图；
图2是本发明所述发射***的准直镜结构示意图；
图3是本发明所述接受***的卡塞格林望远镜结构示意图；
图4是本发明所述探测方法的流程示意图；
图中标号说明：
1、激光光源；11、半导体激光器；111、准直***；2、接收***；卡塞格林望远镜；3、NO2污染源；4、支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合附图1至图4，对本发明作进一步地说明：
具体地，基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置，包括激光光源1、接收***2和信号处理模块；所述激光光源1为连续光可调谐半导体激光发射光源，用于生成对大气中NO2分子探测所对应的探测光；
所述接收***2为接收连续光可调谐半导体激光发射光源的接收装置，用于实现对大气中NO2分子反射散射光的接收；
所述信号处理模块与所述接收***2相连，用以放大和处理接收到的光信号。
本发明通过设置激光光源和接收***，来实现对大气中NO2分子进行光探测，并通过信号处理模块收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，即可得到NO2柱浓度；整个装置构造简单，使用更加方便，更加经济实用，且装置在使用时，稳定可靠，检测的准确率高，具有很好的应用前景，值得广泛推广。
在一实施例中，所述激光光源1包括连续可调谐的半导体激光器11、准直镜和赤道仪；所述半导体激光器11用于发射探测光；所述准直镜用于准直半导体激光发射光；所述赤道仪用于改变发射***的方向和角度。
进一步地，所述连续可调谐半导体激光器11包括电流控制***和准直***111；所述电流控制***用来控制注入半导体激光器11的电流大小，从而控制半导体激光器11的发射波长；所述准直***111，用于将发散的半导体激光整形准直。
进一步地，所述连续可调谐半导体激光器11还包括高分辨率的光谱仪；所述光谱仪用以校准半导体激光的发射波长。
在一实施例中，所述接收***2包括卡塞格林望远镜、赤道仪和光电探测器；所述卡塞格林望远镜用于接收后向散射光；所述赤道仪用于改变卡塞格林望远镜的方向和角度；所述光电探测器为带前置放大器的Si基光电探测器。
需要说明的是。所述赤道仪可以调节望远镜的方位角，用以对准某一高度z的后向散射光；卡塞格林望远镜用以将后向散射光汇聚到光电探测器的光敏面上。
优选地，光电探测器为带前置放大器的Si基光电探测器，由望远镜接收到的后向散射光汇聚到Si基光电探测器的光敏面上，由探测器将光信号转换成电信号。
在一实施例中，还设有支架4；所述激光光源1和接收***2定位设在所述支架4上；所述激光光源1和接收***2在同一水平线上；所述激光光源1和接收***2在同一侧间距设置。
基于半导体激光NO2柱浓度的探测方法，包括以下步骤：
步骤一、调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收峰λon处；
步骤二、调节发射装置和接收装置的赤道仪夹角和方向，使接收望远镜对准某一探测高度z处的光束，接收其后向散射光信号；
步骤三、散射光由望远镜汇聚到Si基光电探测器的光敏面上，再由Si基光电探测器转换成电压信号输出；
步骤四、再调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收谷λoff处；
步骤五、不改变赤道仪夹角和方向，使接收望远镜接收此时同一高度的后向散射光信号；
步骤六、将接收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，得到NO2在高度z上的柱浓度。
在一个实施例中，基于半导体激光NO2柱浓度的定量计算方法，将发射装置安装在赤道仪1上，调节发射***的发射角度为θ1，调节半导体激光的电流控制***，使发射波长在λon处，卡塞格林望远镜安装在赤道仪上，调节接收***的接收角度为θ2，测量发射***与接收***之间的距离D，由三角函数可以得到探测垂直高度z，发射光传播距离h1，接收散射光传播距离h2，这时探测的散射光强为P(λoff，z)，不改变两个角度，调节半导体激光的控制***电流大小来改变激光波长到λoff，这时探测器探测到的光强为P(λoff，z)；具体包括以下步骤：
第一步：使用差分吸收激光雷达方程，有：
其中Ns(z)为距离h1上的NO2平均分子数密度，k是***参数，Δσ是NO2吸收截面差：Δσ＝σ(λon，T)-σ(λoff，T)；定义斜柱浓度：
第二步：定义柱浓度：
其中AMF是大气质量因子，一般α是柱浓度与斜柱浓度之间的夹角；
第三步：将差分吸收激光雷达方程两边取对数，方程变化为：
其中NV(z)是垂直距离z上的NO2平均分子数密度，B是大气后向散射修正项：
EA是大气气溶胶消光修正项：
EM是大气分子消光修正项：
第四步：由于λon≈λoff，其中B，EA和EM可以消去，NO2分子数密度可以简化为：
使用上述公式可以计算出垂直距离z上的NO2平均分子数密度NV(z)。
本发明使用连续光可调谐半导体激光作为光源，使用差分吸收激光雷达方程进行反演，可以探测任意方位角的NO2柱浓度。本申请通过上述计算方法，可实现对得到NO2在高度z上的柱浓度，计算准确度高，大大提高了计算效率，稳定可靠。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.基于半导体激光NO2柱浓度的探测方法，基于一种基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置，其特征在于：
所述基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置包括激光光源、接收***和信号处理模块；
所述激光光源为连续光可调谐半导体激光发射光源，用于生成对大气中NO2分子探测所对应的探测光；所述激光光源包括连续可调谐的半导体激光器、准直镜和赤道仪；所述半导体激光器用于发射探测光；所述准直镜用于准直半导体激光发射光；所述赤道仪用于改变发射***的方向和角度；其中，所述连续可调谐半导体激光器包括电流控制***和准直***；所述电流控制***用来控制注入半导体激光器的电流大小，从而控制半导体激光器的发射波长；所述准直***，用于将发散的半导体激光整形准直；
所述接收***为接收连续光可调谐半导体激光发射光源的接收装置，用于实现对大气中NO2分子反射散射光的接收；所述接收***包括卡塞格林望远镜、赤道仪和光电探测器；所述卡塞格林望远镜用于接收后向散射光；所述赤道仪用于改变卡塞格林望远镜的方向和角度；所述光电探测器为带前置放大器的Si基光电探测器；
所述信号处理模块与所述接收***相连，用以放大和处理接收到的光信号；
所述探测方法包括以下步骤：
步骤一、调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收峰处；
步骤二、调节发射装置和接收装置的赤道仪夹角和方向，使接收望远镜对准某一探测高度z处的光束，接收其后向散射光信号；
步骤三、散射光由望远镜汇聚到Si基光电探测器的光敏面上，再由Si基光电探测器转换成电压信号输出；
步骤四、再调节半导体激光的注入电流，使其发射波长位于NO2吸收谷处；
步骤五、不改变赤道仪夹角和方向，使接收望远镜接收此时同一高度的后向散射光信号；
步骤六、将接收到的两个波段的后向散射光信号使用激光雷达方程进行差分处理，得到NO2在高度z上的柱浓度；
其中，将发射装置安装在赤道仪上，调节发射***的发射角度为，调节半导体激光的电流控制***，使发射波长在/>处，卡塞格林望远镜安装在赤道仪上，调节接收***的接收角度为/>，测量发射***与接收***之间的距离D，由三角函数可以得到探测垂直高度z，发射光传播距离/>，接收散射光传播距离/>，这时探测的散射光强为/>；不改变两个角度，调节半导体激光的控制***电流大小来改变激光波长到/>，这时探测器探测到的光强为/>；具体包括以下步骤：
第一步：使用差分吸收激光雷达方程，有：
其中为距离/>上的/>平均分子数密度，/>是***参数，/>是/>吸收截面差：/>；定义斜柱浓度：
第二步：定义柱浓度：
其中是大气质量因子，一般/>，/>是柱浓度与斜柱浓度之间的夹角；
第三步：将差分吸收激光雷达方程两边取对数，方程变化为：
其中是垂直距离ｚ上的/>平均分子数密度，Ｂ是大气后向散射修正项：
是大气气溶胶消光修正项：
是大气分子消光修正项：
第四步：由于，其中Ｂ，/>和/>消去，/>分子数密度简化为：
使用上述公式可以计算出垂直距离ｚ上的平均分子数密度/>。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光NO2柱浓度的探测方法，其特征在于：所述连续可调谐半导体激光器还包括高分辨率的光谱仪；所述光谱仪用以校准半导体激光的发射波长。
3.根据权利要求1所述的基于半导体激光NO2柱浓度的探测方法，其特征在于：所述基于半导体激光NO2柱浓度的探测装置还设有支架；所述激光光源和接收***定位设在所述支架上；所述激光光源和接收***在同一水平线上；所述激光光源和接收***在同一侧间距设置。
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