CN211206161U - 双波长激光雷达测气溶胶*** - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种双波长激光雷达测气溶胶***。该***包括：发射光路，其向大气发射532nm和1064nm两种波长的探测激光；接收光路，其接收探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，从该后向散射光分离出两种波长的信号光，将其转换为电信号；以及控制与数据获取装置，其控制发射光路发射探测激光并存储接收光路由后向散射光获得的对应两种波长激光的电信号数据。本公开增加了1064nm波长的探测，使得可以探测大气中的大气气溶胶更为广泛，如浮沉气溶胶、大颗粒沙尘气溶胶。同时，还可以提高污染垂直结构数据的精度，提高污染时间的预警准确性。

Description

双波长激光雷达测气溶胶***

技术领域

本公开涉及环境监测及光学技术领域，尤其涉及一种双波长激光雷达测气溶胶***。

背景技术

目前我国大气污染事件频发，重污染天气严重影响到公众出行与健康，已引起全社会关注。大气作为开放空间，污染除来自于本地排放之外，周边的输送影响也是大气污染的重要贡献之一。根据过去历史研究表明，就北京而言，外来输送对北京本地污染物浓度的年均贡献量可达30％。重污染期间，外来影响的贡献量更可高达70-80％。常规的地面观测无法获取污染的垂直结构，而垂直结构却可对污染来源有很好的前瞻性，可很好地对污染事件进行预警。

然而，传统的激光雷达测气溶胶***仅采用532nm的探测激光进行探测，对气溶胶粒径的观测尺度有限，污染垂直结构数据的精度差，导致对污染事件的监测不足。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种双波长激光雷达测气溶胶***，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种双波长激光雷达测气溶胶***，包括：发射光路，其向大气发射532nm和1064nm两种波长的探测激光，包括：触发器、激光***、扩束镜和反射镜；其中，激光***包括：脉冲激光器和谐波发生器；在触发器的触发下，脉冲激光器发出波长为1064nm的激光，该激光经过谐波发生器形成532nm和1064nm双波长通道共线透射激光，该双波长通道共线透射激光经扩束镜和反射镜后射入大气，形成探测激光；接收光路，其接收探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，从该后向散射光分离出两种波长的信号光，将其转换为电信号；以及控制与数据获取装置，其控制发射光路发射探测激光并存储接收光路由后向散射光获得的对应两种波长激光的电信号数据。

在本公开的一些实施例中，脉冲激光器为闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器。

在本公开的一些实施例中，接收光路包括：望远镜、二向色镜、光电二极管、偏振棱镜，以及两个光电倍增管；其中，望远镜接收探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，该反向散射光由二向色镜分离出532 nm的出射光和1064nm的出射光：

(1)对于532nm出射光，经由偏振棱镜分离出水平偏振分量和垂直偏振分量，分别由相应的光电倍增管转换为电信号，送入控制与数据获取装置。

(2)对于1064nm出射光，经由光电二极管转换为电信号，送入控制与数据获取装置。

在本公开的一些实施例中，望远镜为施密特卡塞格伦望远镜。

在本公开的一些实施例中，在接收光路中：望远镜和二向色镜中间还设置有小孔光阑和校准透镜；光电二极管和光电倍增管的光路前方，设置有可滤除背景太阳辐射的干涉滤光片。

在本公开的一些实施例中，发射光路、接收光路以及光电倍增管的调节器和驱动电源被组装至一光学安装板并封装于一整体舱室内。

在本公开的一些实施例中，扩束镜为5倍扩束镜。

在本公开的一些实施例中，控制与数据获取装置包括：三波长的数字示波器、数据采集模块和控制模块：发射光路的触发器通过RS232串行接口连接至控制模块；三波长的数字示波器的三个输入端中的两个输入端连接至两个光电倍增管的输出端，第三个输入端连接至光电二极管的输出端，其输出端通过GPIB接口连接至数据采集模块；数据采集模块和控制模块集成在数据采集控制计算机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开双波长激光雷达测气溶胶***至少具有以下有益效果其中之一：

(1)增加了1064nm波长的探测，使得可以探测大气中的大气气溶胶更为广泛，如浮沉气溶胶、大颗粒沙尘气溶。同时，还可以提高污染垂直结构数据的精度，提高污染时间的预警准确性。

(2)在发射光路部分，采用带谐波发生器的闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器，除了能发射传统的532nm波长的激光，还可以激发1064nm波长的激光，并且不会明显增加装置的体积。

(3)在接收光路，由施密特卡塞格伦望远镜接收反射光束，而后由二向色镜分离两个波长的光分别进行处理，由光电二极管将1064nm波长的反射光转换为电信号，由光电倍增管将532nm波长的反射光转换为电信号，最后由数字示波器转化信号，实现双波长光信号的数据收集。

(4)发射光路、接收光路、光电倍增管的驱动电源都集成到光学板上并置于一整体舱室内，整个装置集成度高。

附图说明

图1为本公开实施例双波长激光雷达测气溶胶***的结构示意图。

图2为本公开实施例双波长激光雷达测气溶胶***在光学板上的布局图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-发射光路；

110-触发器；

120-激光***；

121-脉冲Nd:YAG激光器；122-谐波发生器；

130-扩束镜；

140-反射镜；

200-接收光路；

211-望远镜；212-小孔光阑；213-校准透镜；

220-二向色镜；

231-光电二极管；

240-偏振棱镜；

251、252-光电倍增管；253、254-光电倍增管调节器和驱动电源；

300-控制与数据获取装置；

311-数字示波器；320-数据采集控制计算机。

具体实施方式

本公开提供了一种双波长激光雷达测气溶胶***，其增加了1064nm 波长的探测，使得可关注的气溶胶粒径谱尺度更大，可以提高污染垂直结构数据的精度，提高污染时间的预警准确性。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例。相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个实施例中，提供了一种双波长激光雷达测气溶胶***。图1为根据本公开实施例大气气溶胶立体监测***的结构示意图。图2为根据本公开实施例大气气溶胶立体监测***在光学板上的布局图。如图1 和图2所示，该双波长激光雷达测气溶胶***包括：

发射光路100，其向大气发射532nm和1064nm两种波长的探测激光(图1中，波长532nm和1064nm的激光成分分别用虚线和实线表示)；

接收光路200，其接收探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，从该后向散射光分离出两种波长的信号光，将其转换为电信号；

控制与数据获取装置300，其控制发射光路发射探测激光并存储接收光路由后向散射光获得的对应两种波长激光的电信号数据。

如上所述，本实施例通过在***中增加532nm波长的探测，使其与1064nm的探测共同表征大气气溶胶的特性，使得可关注的气溶胶粒径谱尺度更大，可以提高污染垂直结构数据的精度，提高污染时间的预警准确性。

以下分别对本实施例大气气溶胶立体监测***的各个组成部分进行详细描述。表1为本实施例中各部件的型号、参数总表。

表1双波长激光雷达测气溶胶***的部件说明

请参照图1和图2，为了实现两种波长激光的产生，本实施例中，发射光路包括：触发器110、激光***120、扩束镜130和反射镜140。控制与数据获取装置控制触发器发出触发信号。在该触发信号的触发下，激光***发出532nm和1064nm双波长通道共线透射激光。该双波长通道共线透射激光由扩束镜扩束后由反射镜射入大气，形成探测激光。

本实施例中，激光***120包括：脉冲Nd:YAG激光器121以及谐波发生器122。脉冲Nd:YAG激光器，使用钕的固态激光掺杂钇铝石榴石作为激光介质，被广泛地用作在米氏散射激光雷达的光源。Nd:YAG激光器在波长为1064nm处产生激光。本实施例中，在脉冲Nd:YAG激光器后增加了谐波发生器(SHG)，则产生波长在532nm处的激光。这两种波长的可以被用作光源，用于米氏散射激光雷达，从而形成532nm和1064nm 双波长通道共线透射激光。经测试，该激光***在532nm的输出能量是 30mJ，在1064nm处的输出能量为20mJ，脉冲频率最大为20Hz，但正常运行时***的脉冲频率为10Hz，脉冲持续时间约为7ns。

需要说明的是，为了便于理解，在图1的发射光路中将波长为532nm 的激光(图中用虚线表示)和波长1064nm的激光(图中用实线表示)分开，但事实上，从激光器***中射出的激光束只有一束且共用同一反射镜。该激光束中既有532nm的部分，也有1064nm的部分。

请参照图2，本实施例中，扩束镜130为5倍的扩束镜。在激光***中射出的激光束后，该激光束在5倍扩束镜校准后从经反射镜反射进而垂直向大气发射。激光输出功率等级为4级，需要在确保安全的情况下使用。

请参照图1和图2，为了实现两种波长激光的探测，本实施例中，接收光路200包括：望远镜211、二向色镜220、光电二极管231、偏振棱镜 240，以及两个光电倍增管(251、252)。其中，探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光由望远镜210接收，接收的光束经由二向色镜分离出 532nm的出射光和1064nm的出射光。通常情况下，光电倍增管(PMT) 在可见光波长中使用，光电二极管(APD)是在近红外波长中使用。激光脉冲被接收后的瞬间，电信号的波形作为时间的函数被记录下来：

(1)对于波长为532nm的入射激光，经由偏振棱镜240分离出水平偏振分量和垂直偏振分量，分别由光电倍增管(251、252)转换为电信号，送入控制与数据获取装置。

(2)对于波长为1064nm的入射激光，经由光电二极管(231)转换为电信号，送入控制与数据获取装置。

本***可额外获得1064nm处的回波信号，在传统532nm激光雷达的基础上，两个波长的信息相互结合，可以获得更多的信息。如果散射体的直径很大，例如水云滴(直径为10μm或更大)，波长比P(1064)/P(532)会接近1。这是因为对大粒子而言，散射对波长的依赖性很小。气溶胶具有较小的波长比(～0.1至～1.2)。通常大粒子的波长比大。云具有大的 P(1064)/P(532)值，P(1064)/P(532)的快速查看指示对于了解类似森林火灾的情况很必要。在空气污染严重的情况下，也观测到相似的波长比分布。

本实施例中，接收望远镜211为直径为20厘米的施密特卡塞格伦望远镜，接收器的视野可以通过放置其焦平面上的可变光圈进行调节，其视野通常为1mrad，其合成焦距为2m，其孔径为2mm。

此外，为了进一步提高测量精度，在接收光路中，望远镜和二向色镜中间还设置有小孔光阑212和焦距为100mm的校准透镜213，以校准接收光束。其中，在光电二极管(APD)和光电倍增管(PMT)的光路前方，还设置有干涉滤光片，以去除背景太阳辐射。该干涉滤光片为窄带滤光片，可以滤除相应波长之外的其他波长的光。

激光雷达头被组装在尺寸为450mm×900mm的光学板上并封置于一整体舱室内。该激光雷达头包括：发射光路、接收光路以及光电倍增管调节器253和光电倍增管驱动电源254。

控制与数据获取装置包括：三波长的数字示波器311、数据采集模块和控制模块。其中，三波长的数字示波器的三个输入端中的两个输入端连接至两个光电倍增管的输出端，第三个输入端连接至光电二极管的输出端，其输出端通过GPIB接口连接至数据采集模块。发射光路的触发器通过 RS232串行接口连接至控制模块。

本实施例中，数据采集模块和控制模块集成在数据采集控制计算机 320。数据采集模块将数字示波器的输出信号进行存储；控制模块控制触发器发出触发信号，同时还可以对数字示波器内的参数进行设置。

数据采集控制计算机320的***是Linux***。激光雷达测量软件是用C语言编写的。测量软件程序的主要功能包括计时、控制激光(预热，激光启动，激光停止)、控制数字示波器(初始化、参数设置、数据记录以及将数据传输到电脑上)以及将数据存储到计算机的硬盘上。在一个典型的激光雷达测量过程中，激光雷达每隔15分钟运行5分钟，在运行的5分钟之前，Nd:YAG激光器将预热1分钟。在5分钟的测量后，数据存储在电脑的硬盘上。对应测得的数据也被传输到观测地点或远程数据中心的数据分析计算机上，并且数据传输可以通过局域网，互联网或电话终端完成。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)在发射光路和接收光路中，可以根据需要增加滤光、校正、消畸等功能的棱镜，此处不再详细说明；

(2)光电二极管、光电倍增管的具体型号可以根据需要进行选择；

(3)除了闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器之外，还可以采用其他的能够发出1064nm激光的脉冲激光器。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开双波长激光雷达测气溶胶***有了清楚的认识。

综上所述，本公开突破了常规地面观测仅能获取地面数据的局限性，通过向外发射激光雷达，达到主动探测大气污染物垂直分布的特征。相比于传统的532nm单通道激光雷达，本激光雷达增设的1064nm通道，可以探测大气中的大气气溶胶更为广泛，如浮沉气溶胶、大颗粒沙尘气溶胶。并且还可获得云的垂直分布信息，进而可以进一步结合精细化的预警预报开展区域空气质量监测，为重污染区域污染的联防联控提供必要手段。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双波长激光雷达测气溶胶***，其特征在于，包括：

发射光路，其向大气发射532nm和1064nm两种波长的探测激光，包括：触发器、激光***、扩束镜和反射镜；其中，所述激光***包括：脉冲激光器和谐波发生器；在所述触发器的触发下，脉冲激光器发出波长为1064nm的激光，该激光经过谐波发生器形成532nm和1064nm双波长通道共线透射激光，该双波长通道共线透射激光经扩束镜和反射镜后射入大气，形成探测激光；

接收光路，其接收所述探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，从该后向散射光分离出两种波长的信号光，将其转换为电信号；以及控制与数据获取装置，其控制发射光路发射探测激光并存储接收光路由后向散射光获得的对应两种波长激光的电信号数据。

2.如权利要求1所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述脉冲激光器为闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器。

3.如权利要求1所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述接收光路包括：望远镜、二向色镜、光电二极管、偏振棱镜，以及两个光电倍增管；

其中，望远镜接收所述探测激光经过大气气溶胶颗粒物的后向散射光，该反向散射光由二向色镜分离出532nm的出射光和1064nm的出射光：

(1)对于532nm出射光，经由偏振棱镜分离出水平偏振分量和垂直偏振分量，分别由相应的光电倍增管转换为电信号，送入控制与数据获取装置；

(2)对于1064nm出射光，经由光电二极管转换为电信号，送入控制与数据获取装置。

4.如权利要求3所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述望远镜为施密特卡塞格伦望远镜。

5.如权利要求3所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，在接收光路中：

所述望远镜和二向色镜中间还设置有小孔光阑和校准透镜；

所述光电二极管和光电倍增管的光路前方，设置有可滤除背景太阳辐射的干涉滤光片。

6.如权利要求3所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述发射光路、接收光路以及所述光电倍增管的调节器和驱动电源被组装至一光学安装板并封装于一整体舱室内。

7.如权利要求1至5中任一项所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述扩束镜为5倍扩束镜。

8.如权利要求2至5中任一项所述的双波长激光雷达测气溶胶***，其中，所述控制与数据获取装置包括：三波长的数字示波器、数据采集模块和控制模块：

发射光路的触发器通过RS232串行接口连接至控制模块；

所述三波长的数字示波器的三个输入端中的两个输入端连接至两个光电倍增管的输出端，第三个输入端连接至光电二极管的输出端，其输出端通过GPIB接口连接至数据采集模块；

所述数据采集模块和控制模块集成在数据采集控制计算机。

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