一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法技术方案

一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法，该系统包括探测器模块，所述探测器模块包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振‑转拉曼散射回波信号。本发明专利技术通过在日盲水汽拉曼激光雷达中增加一个接收氧气分子振‑转拉曼散射回波信号的通道，激光雷达直接测量水汽分子、氮气分子和氧气分子的拉曼散射回波信号，为得到水汽混合比的垂直分布提供硬件基础，而不需要利用其它设备测量或者从日盲激光雷达测量信号中反演臭氧浓度的分布，从而降低测量成本，并且提高测量精度。

A lidar detection system and method with ozone absorption self-tuning function

【技术实现步骤摘要】
一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法
本专利技术涉及雷达探测
，尤其涉及一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法。
技术介绍
拉曼激光雷达是测量边界层内水汽高分辨率时空分布的有效工具，对于研究边界层中的各种物理过程有重要的应用价值。但是由于水汽的拉曼散射回波信号非常微弱，在白天由于背景光的干扰，其探测能力收到很大的限制。为了提高拉曼激光雷达在白天的探测能力，一般都采用大脉冲能量的激光发射装置、大口径小视场的接收望远镜、窄带干涉滤光片F，因此拉曼激光雷达的体积、重量都比较大，成本也比较高，在使用中受到一定限制。采用日盲技术，可以有效地减小天空背景光的影响，拉曼激光雷达的体积、重量相对较小，成本也相对比较低。因此，基于日盲技术的拉曼激光雷达在边界层水汽的昼夜连续测量中具有一定的优势，但是由于臭氧在水汽和氮气分子拉曼散射波长上吸收差异的影响，需要校正臭氧吸收的影响，才能够准确测量水汽混合比。目前通常采用另外一台臭氧激光雷达测量或模式输出的臭氧分布的数据对日盲拉曼激光雷达的测量数据进行校正，不仅仅增加了测量成本，并且还会引入一定的测量误差，这在很大程度上限制了日盲拉曼激光雷达的应用。
技术实现思路
为了实现测量边界层内水汽高分辨率时空分布的前提下降低成本，为此，本专利技术提供一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法。本专利技术采用以下技术方案：一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，包括探测器模块，所述探测器模块包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。进一步的说，系统还包括在探测器模块前端依次设置的发射模块，用于发射设定波长的激光到大气中；接收模块，用于接收包括大气信息的散射回波信号；还包括在探测器模块的后端依次设置的数据采集模块，用于采集每个探测器单元中回波信号；上位机，所述上位机获得数据采集模块中的信号和与激光器的受控端连接。对探测器模块的限定，三个探测器单元分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元，所述第一探测单元包括接收波长为295nm的水汽分子振-转拉曼散射回波信号的第一探测器，所述第二探测单元包括接收波长为284nm的氮气分子振-转拉曼散射回波信号的第二探测器，所述第三探测单元包括接收波长为277nm的氧气分子振-转拉曼散射回波信号的第三探测器。对探测器模块的进一步限定，每个探测器单元还包括设置在分色镜与探测器之间的且依光路设置的窄带干涉滤光片F、透镜L。对发射模块的限定，所述激光器输出波长为266nm的激光器，所述发射模块还包括用于减小激光器输出的激光光束发散角的扩束镜、将扩束后的激光反射到大气中的反射镜M1。对接收模块的限定，所述接收模块包括依次设置的接收望远镜、接收望远镜、准直目镜，所述接收望远镜用于接收带有大气信息的发射信号，所述准直目镜用于校准接收望远镜接收的信号。使用上述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统的方法，包括以下步骤：S1、上位机获得水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数；S2、根据水汽分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数和氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数，得到测量的水汽混合比函数；S3、将氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数与氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数相除，根据现有的水汽拉曼激光雷达数据处理技术得到空气分子和大气气溶胶的透过率校正，，进而从相除后获得的函数中得到臭氧透过率校正函数，代入到水汽混合比函数中，获得水汽混合比的空间分布。对步骤S1的进一步说明，步骤S1中的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数分别表示为：其中，PH(λL,λH,z)、PN(λL,λN,z)和PO(λL,λO,z)分别是激光雷达接收到的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度；KH、KN和KO分别是激光雷达的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号接收通道的系统常数；NH(z)、NN(z)、NO(z)和NO3(z)分别是水汽、氮气、氧气和臭氧的分子数密度；dσH(λL,λH,π)/dΩ、dσN(λL,λN,π)/dΩ和dσO(λL,λO,π)/dΩ分别是水汽分子、氮气分子和氧气分子的微分后向拉曼散射截面；βa和βm分别是大气气溶胶和空气分子的后向散射系数；αa和αm分别是大气气溶胶和空气分子的消光系数；σO3是臭氧分子的吸收截面；λL、λH、λN、λO分别是激光波长和水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射波长；z是散射体距离激光雷达的距离。对步骤S2的进一步说明，步骤S2获得的水汽混合比的公式如下：其中，Cwv是水汽混合比标定常数；k是大气气溶胶额Angstrom常数。对步骤S3的进一步说明，步骤S3获得的水汽混合比的公式是将公式(2)和公式(3)相减，获得公式如下：其中，CO3是系统常数；将(5)式带入到(4)式中可以得到，其中，C是系统常数，与系统的光学效率、电子学增益、分子后向散射截面、氮气和氧气的数密度比值有关，通过利用其它设备测量的水汽混合比对激光雷达测量的结果进行定标，来得到该系统常数C；η是一个与臭氧吸收截面有关的常数。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术通过在日盲激光雷达中增加一个接收氧气振-转拉曼散射回波信号的通道，激光雷达直接测量水汽、氮气和氧气的拉曼散射回波信号，为得到水汽混合比的垂直分布提供硬件基础，而不需要利用其它设备测量或者从日盲激光雷达测量信号中反演臭氧浓度的分布，从而降低测量成本，并且提高测量精度。(2)拉曼激光雷达中采用日盲技术，可以有效地减小白天背景光的影响，提高探测信号的信噪比，但是由于受到臭氧在日盲光谱范围内吸收的影响，需要校正臭氧在激光雷达接收的不同波长上的吸收差异，才能准确测量被测目标气体(如水汽)的浓度，本专利技术中利用拉曼差分吸收技术，实现对臭氧透过率的同步自校正功能。目前通常采用另外一台臭氧激光雷达测量或模式输出的臭氧分布的数据对日盲拉曼激光雷达的测量数据进行校正，不仅仅增加了测量成本，并且还会引入一定的测量误差，这在很大程度上限制了日盲拉曼激光雷达的应用。本专利技术将促进基于日盲技术的拉曼激光雷达在边界层内水汽高时空分辨率连续测量中的应用。(3)本专利技术中数据处理简单，不需要求解积分方程，消除了随机噪声对于积分方程求解造成的不稳定性。现有技术在臭氧浓度测量中，需要求解积分方程，测量信号中的随机噪声对求解的臭氧浓度带来较大的误差，从而影响透过率校正的精度和水汽混合比测量的精度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图中标注符号的含义如下：11-激光器12-扩束镜21-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，包括探测器模块(3)，所述探测器模块(3)包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，包括探测器模块(3)，所述探测器模块(3)包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。


2.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，系统还包括在探测器模块(3)前端依次设置的
发射模块，用于发射设定波长的激光到大气中；
接收模块，用于接收包括大气信息的散射回波信号；
还包括在探测器模块(3)的后端依次设置的
数据采集模块(4)，用于采集每个探测器单元中回波信号；
上位机(5)，所述上位机(5)获得数据采集模块(4)中的信号和与激光器(11)的受控端连接。


3.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，三个探测器单元分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元，所述第一探测单元包括接收波长为295nm的水汽分子振-转拉曼散射回波信号的第一探测器，所述第二探测单元包括接收波长为284nm的氮气分子振-转拉曼散射回波信号的第二探测器，所述第三探测单元包括接收波长为277nm的氧气分子振-转拉曼散射回波信号的第三探测器。


4.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，每个探测器单元还包括设置在分色镜与探测器之间的且依光路设置的窄带干涉滤光片F、透镜L。


5.根据权利要求2所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，所述激光器(11)输出波长为266nm的激光器(11)，所述发射模块还包括用于减小激光器(11)输出的激光光束发散角的扩束镜(12)、将扩束后的激光反射到大气中的反射镜M1。


6.根据权利要求2所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，所述接收模块包括依次设置的接收望远镜(21)、光阑(22)、准直目镜(23)，所述接收望远镜(21)用于接收带有大气信息的散射回波信号，所述准直目镜(23)用于准直接收望远镜(21)接收的信号。


7.使用权利要求1-6任意一项所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、上位机(5)获得水汽分子、氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德成，刘东，王邦新，钟志庆，邢昆明，谢晨波，王珍珠，王英俭，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34