一种NO2浓度分布探测的装置和方法与流程

本发明属于激光光谱技术应用领域，具体涉及一种NO₂浓度分布探测的装置和方法。

背景技术：

激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。自激光器问世以来，欧美国家就开始将激光雷达技术应用于大气环境监测中。差分吸收激光雷达(DIAL)技术是激光雷达技术中的一种特殊形式。DIAL技术针对不同气体的吸收谱线，由大型脉冲式激光器依次向大气中发射不同波长的激光脉冲(一束波长位于待测气体吸收强度大的位置比如吸收峰，记为λ_on；另外一束波长位于待测气体吸收强度小的位置比如吸收谷，记为λ_off)，并探测、分析其后向散射信号从而获得待测气体在大气中的浓度分布。当前，主流的DIAL技术主要依赖于向大气中发射纳秒量级的光脉冲，并通过时间分辨的方式探测不同距离上的后向散射信号，从而最终实现了大气气体(如NO₂)的浓度探测。DIAL技术由于具备距离分辨能力而具有独特的优势。利用脉冲式差分吸收激光雷达技术探测大气污染气体时，系统对光源的要求苛刻，需要可调谐双波长、高脉冲能量、窄线宽且稳定性好的纳秒量级(10-100ns)脉冲光源，这正是该领域困扰国际学术界的主要难题和当前国际研究的热点，也是限制其商业化应用的最主要原因。

在先技术[1](Ryoichi Toriumi,Hideo Tai,Nobuo Takeuchi,“Tunable solid-state blue laser differentialabsorption lidar system for NO₂monitoring,”Opt.Eng.35(8)2371–2375,1996)中，由Nd:YAG激光器泵浦Ti:Sapphire激光器并采用和频的方式产生450nm附近的可调谐脉冲式激光输出。发射到大气中的激光脉冲，通过接收望远镜收集、并由光电倍增管探测距离分辨的后向散射信号。最终通过差分吸收光谱分析法进行数据分析，获得了大气中NO₂的浓度分布。在该技术中，不同距离上的大气激光雷达信号是通过光脉冲返回激光接收装置或探测器的时间来解析的。该方法光源、光电探测结构复杂、稳定性差、成本高昂，难以实际应用。

在先技术[2](Shunxing Hu,et.al.,“A new differential absorption lidar for NO₂measurements uing Raman-shifted technique,”Chinese Optics Letters 1(8)435-437,2003)中，采用Nd:YAG激光器分别泵浦D₂和CH₄气体池的方式，产生395.60nm和396.82nm脉冲激光输出，并采用类似于先技术[1]的方式进行信号探测，最终实现了大气中NO₂浓度分布的探测。但是，该方法依然存在光源、光电探测结构复杂、稳定性差、成本高昂，难以实际应用的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种NO₂浓度分布探测的装置和方法，有效克服背景技术中NO₂浓度分布探测所面临的光源、光电探测结构复杂、稳定性差、成本高昂，难以实际应用等瓶颈问题。

本发明的技术方案：

一种NO₂浓度分布探测的装置，包括第一激光器、第二激光器、半波片、偏振分光镜、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片和图像传感器。将第一激光器和第二激光器垂直90度放置，第二激光器的激光光束通过半波片，使第二激光器的发射激光光束的偏振态旋转90度，使得第一激光器和第二激光器的发射激光光束的偏振态为垂直方向；在此之后，第一激光器和第二激光器发出的激光光束经由45度放置的偏振分光镜合成一束光束，再由激光发射装置准直后发射到大气中；

发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集，经过带通滤光片滤除大气背景信号后，成像到一个倾斜放置的图像传感器上(如CCD或CMOS传感器等)；在满足沙氏成像原理的条件下，图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像，不同的像素对应着不同距离上激光光束成像，实现对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测；通过分析对比λ_on波长和λ_off波长激光光束的大气后向散射光信号强度分布P_on，P_off，可计算出大气中的NO₂浓度分布。

所述的图像传感器、激光接收装置和激光发射装置满足如下关系：图像传感器所在平面、激光接收装置的透镜(或者抛物面反射镜等)所在平面和激光发射装置所在光轴位置(也即发射光束所在光路)三者相交，满足Scheimpflug成像原理(沙氏成像原理)。

所述的第一激光器和第二激光器为二极管激光器，其工作波长通过温度及驱动电流控制，将波长分别锁定于NO₂吸收谱线(300-600nm)上吸收强度较大和较小之处，分别称之为λ_on和λ_off波长。

所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成。

所述的带通滤光片的透射波长与第一激光器和第二激光器的工作波长相匹配，也即可允许第一激光器和第二激光器发射激光光束波长相同的光信号透过。

所述的激光接收装置由透镜或透镜组构成，或者由反射式成像系统构成。

所述的图像传感器可为面阵图像传感器或线阵图像传感器。

本发明的有益效果：

本发明NO₂浓度分布探测的装置和方法，采用图像传感器作为光电探测器，并在满足沙氏成像原理的条件下实现了对发射到大气中的光束的后向散射光信号的距离分辨探测，极大了简化了系统结构，降低了系统要求。在不需要大功率纳秒量级脉冲光源的条件下，采用连续光二极管激光器作为光源，通过调节工作温度，使得其波长分别位于NO₂的吸收峰和吸收谷上，实现距离分辨的差分吸收探测。采用这种技术方案，极大地简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是激光发射装置、激光接收装置和图像传感器三者之间需满足的几何关系平面图，也即沙氏成像原理示意图。

图2是NO₂在紫外到可见光波段的吸收谱线图，第一激光器和第二激光器的工作波长位于NO₂吸收谱范围内不同吸收强度处，分别为λ_on和λ_off。(a)NO₂气体在300-600nm范围内的吸收谱线图；(b)NO₂气体吸收谱线局部放大图及λ_on和λ_off波长相对位置示意图。

图3是NO₂浓度分布探测的装置图。

图中：1第一激光器；2第二激光器；3半波片；4偏振分光镜；

5激光发射装置；6激光接收装置；7带通滤光片；8图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

一种NO₂浓度分布探测的方法，步骤如下：

A、控制第一激光器和第二激光器的温度以及驱动电流，将其输出波长分别锁定在NO₂气体吸收谱线上吸收强度较大(λ_on)和较小之处(λ_off)，第一激光器和第二激光器的波长设置准则是：NO₂气体在λ_on和λ_off两个波长上有不同的吸收强度。

B、将第一激光器和第二激光器的输出光束由偏振分光镜耦合成一束光束，这束光束经由激光发射装置准直后发射到大气之中。其中第二激光器的输出光束的偏振态由半波片实现90度旋转。

C、将第二激光器的驱动电流设置为0或低于工作阈值后，关闭第二激光器；控制第一激光器驱动电流至高于工作阈值，发射激光光束，激光光束的持续时间记为T1，发射到大气中的第一激光器激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被激光接收装置收集，经由带通滤光片滤除大气背景信号后，再由图像传感器实现光电探测，所记录的信号强度(如果为面阵图像传感器，需要将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加)为λ_on波长的大气后向散射信号强度P1；

D、将第一激光器驱动电流设置为0或低于工作阈值后，关闭第一激光器；控制第二激光器驱动电流至高于工作阈值，发射激光光束，激光光束的持续时间与步骤C中第一激光器的发射时间相同(T1)，发射到大气中的第二激光器激光光束经由大气中的颗粒物后向散射后，被激光接收装置收集，经由带通滤光片滤除大气背景信号后，再由图像传感器实现光电探测，所记录的信号强度(如果为面阵图像传感器，需要将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加)为λ_off波长的大气后向散射信号强度P2。

E、将第一激光器驱动电流设置为0或低于工作阈值后，关闭第一激光器；将第二激光器驱动电流设置为0或低于工作阈值后，关闭第二激光器；激光接收装置收集大气背景信号，图像传感器以与步骤C中相同的时间(T1)进行光电探测，采集大气背景信号，所记录的信号强度(如果为面阵图像传感器，需要将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加)为P3；

F、计算P1–P3，P2–P3分别得到第一激光器(λ_on波长)和第二激光器(λ_off波长)的大气后向散射信号强度P_on和P_off。

G、重复步骤C-F至N次(N可为任意自然数)，取N次P_on和P_off信号的平均值分别记为P_on-avg和P_off-avg；

H、系统校准：将系统对距离已知的固定物体进行测量，并纪录由固定物体反射的激光光束在图像传感器的位置。根据几何成像原理，可计算出图像传感器像素与测量距离之间的关系。

I、结合步骤F中得到的图像传感器与测量距离之间的关系，根据大气激光雷达方程(如公式1或其变换形式)，可求取NO₂气体浓度分布C(z)：

$C\left(z\right)=\frac{1}{2\[\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_{on}\right)-\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_{off}\right)\]}\frac{d}{dz}ln\[\frac{P_{off-avg}}{P_{on-avg}}\]---\left(1\right)$

其中，σ(λ_on)是NO₂气体在λ_on波长处的吸收截面或等效吸收截面，σ(λ_off)是NO₂气体在λ_off波长处的吸收截面或等效吸收截面,z是距离，是对距离的微分算符。以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。