一种二氧化氮探测激光雷达系统的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种二氧化氮探测激光雷达系统。

背景技术：

二氧化氮在室温下为红棕色气体，易溶于水且具有刺激性气味，它在大气中的含量很低，是重要的一种痕量气体，它有多种来源，如化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放等等，它对于植物生长、人体健康都有很大的危害，环境监测部门已经将空气中的二氧化氮含量作为空气质量指数的六种重要评价指标之一。

当前近地面主要采用化学发光法、分光光度计等方法来监测二氧化氮浓度的变化，结果相对准确可靠，并已在各主要国家形成了二氧化氮的监测网络，对于二氧化氮的实时监测和预报起到了较为重要的作用。然而二氧化氮不仅仅停留在几百米内的近地面范围，还会在几百米到几公里范围随大气的上下交换而流动，会在区域范围内随着风、温度等因素的作用而运动，不仅如此，还会和臭氧等其他污染物在光照等作用下发生内部反应，因而为了综合防治二氧化氮的污染，首先需要探索二氧化氮的成因及变化规律，这就需要建立从高空到近地面的综合探测网络，需要发展多种探测手段对高空的二氧化氮的浓度进行测量。

对于高空的二氧化氮的探测，当前主要采用被动遥感的方法进行测量，主要包括卫星的遥感监测和地基MAX-DOAS观测方法等，然而，这些方法只能得到一个从高空到近地面的柱浓度，或者根据一定的模型来反演得到近似的廓线，测量结果的准确度较低。为了能够获取从低空到高空的臭氧浓度廓线，目前最成熟的方法是探空法，该方法能够获取地面至上平流层高度范围内的大气二氧化氮分布廓线，但该方法需人值守，受天气、地形、成本等很多方面的限制。

为了能够快速有效的获取二氧化氮浓度廓线，人类在不断探索更加有效的探测手段，二氧化氮探测激光雷达就是近年来发展起来的新型探测技术，它具有速度快、探测高度高、分辨率高、能够无人值守连续24小时观测等优点，发展速度很快。

技术实现要素：

因此，本实用新型的目的是提供一种稳定性好的可测量二氧化氮浓度的激光雷达系统。

本实用新型的一种二氧化氮探测激光雷达系统，包括依次光路相接的：

激光器，发射紫外波段或近可见光波段；

激发及选择波长装置，产生所需要的波长；

扩束器，将所述激光器出射的光束扩束；

反射镜，对光束转向，改变光路；

大口径望远镜，接收大气后向散射的光信号；

滤光、分光元件，过滤过多的背景光并由光纤导入至分光光路中进行分光；

探测器及采集、处理模块，将光信号转换为电信号并进行采集传输并处理。

可选地，所述激光器的紫外波段或近可见光波段在300nm～680nm；所述激光器出射的单脉冲能量大于50mJ。

可选地，所述激发及选择波长装置为拉曼管或燃料池，产生的波长不少于2个，波长之间的差值小于20nm。

可选地，所述反射镜下部设有移动导轨，通过导轨的移动，对激发及选择波长装置进行波长的选取。

可选地，反射回的光信号在通过大口径望远镜前通过高透射率天窗。

可选地，所述高透射率天窗上还设有一镜面吹气装置，包括至少三个喷气孔，相邻两个喷气孔中心线的夹角不大于60度，喷气孔与空气压缩机连接。

可选地，所述滤光、分光元件包括光阑、石英光纤和分光光路，所述光阑的直径为0.1mm～3mm，石英光纤的数值孔径值为0.06～0.22；其芯径为0.05mm～1.5mm，分光元件为光栅或窄带滤光片。

可选地，所述激光器发出的激光经过分光器后进入激发及选择波长装置。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的一种二氧化氮探测激光雷达，激光器出射的激光(本实施例选择355nm激光)到达激发及选择波长装置(本实施例选择2根拉曼管及相配合的导轨装置)，拉曼管内充满了具有一定压力且易产生拉曼效应的气体，激光经过拉曼管中的气体(以两根拉曼管分别装载有CH4和D2为例)产生395.6nm及396.8nm波长的拉曼受激散射光，这些不同波长的光经扩束器的扩束发射到大气中，发射到大气中的拉曼散射光的后向散射部分被望远镜接收，又进入到大芯径光纤中，并由光纤导入至分光光路中(本实施例选择高分辨率光谱仪)，经过分光光路分光后将上述不同波长的光进入到光电倍增管进行光信号的放大并转换为电信号，由光电倍增管采集到的电信号被发送到采集电路板中，同步控制电路控制激光器的出光时间和采集电路板的采集时间使其能够协调配合完成数据采集，数据采集完成后送入数据处理电路板进行初步的数据处理并发送给上位机，之后由数据采集及处理软件进一步处理生成数据产品后交由数据显示模块进行显示，上述二氧化氮激光雷达系统能够有效探测大气中的二氧化氮浓度廓线，系统稳定，可靠性高。

本实用新型实施例，含有镜面吹气装置，该镜面吹气装置可以从几个不同角度对着天窗的镜面吹风，有效防止镜面积尘、积雨，同时在雨后可加速镜面干燥，也可防止镜面结露；

本实用新型实施例，可以根据需要配置带反射镜移动的导轨，可以较为方便的切换从拉曼管激发的波长，具体来说，利用355nm的激光从装有氘气的拉曼管激发395.6nm的激光，从装有甲烷的拉曼管激发396.8nm的激光，激发波长的脉冲能量值均大于3mJ，产生的波长能量波动性小于8％，导轨上的反射镜从一个位置移动到另外一个位置的时间小于3s。在这个实施例中实现了采用一个355nm激光器来分别泵浦充满氘气和甲烷的拉曼管，相比于两个激光器分别泵浦两个拉曼管来说系统体积、重量大大降低，成本也更加合理；

本实用新型实施例，在高透过率天窗后，望远镜用来接收信号，并通过光阑设置来尽量减少望远镜接收到的杂光(如太阳光、灯光)，后续将光信号通过光纤发送到分光光路中，光纤的数值孔径值选择0.06～0.22，能够对300nm～500nm波长的光波高透，同时在光纤外部包覆有黑色套管，可有效防止在信号传输过程中引入新的杂散光，通过上述光纤将信号导入到分光光路中，能够较大程度的提高系统设计的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型整体结构示意图；

图2为镜面吹气装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的一种二氧化氮探测激光雷达系统，参见图1所示，整个雷达系统从光源提供的激光器1(波长355nm，重频10Hz，脉冲能量150mJ)开始，激光器的能量稳定性高(能量波动RMS值小于3％)，发散角较小(<0.5mrad)。激光器出射的激光经过半透半反的分光镜分成能量基本相等的两束，分别进入拉曼管3和拉曼管4，其中拉曼管3充满D2，气压值为5个大气压，拉曼管4充满CH4，气压值为8个大气压。经过拉曼管3后的光束含有395.6nm的受激拉曼光及未转化的355nm的激光，经过拉曼管4后的光束含有396.8nm的受激拉曼光及未转化的355nm的激光，这些光束经过扩束器5和扩束器6的扩束分别被反射镜7和反射镜8反射到大气中。

出射后的光束分别与大气中的二氧化氮及气溶胶相互作用，有的被散射，有的被吸收，所产生的后向回波信号经过镜面吹气装置9和高透过率天窗10后被大口径望远镜11所接收，望远镜的口径相对较大，有利于增强回波信号的信噪比。经过望远镜接收到的回波信号经过光阑12后被光纤13所接收，并被光纤导入到分光光路14中，在分光光路14中含有较高线密度的光栅和窄带滤光片，能够将355nm、395.6nm、396.8nm的光波在探测面上分开，分别被光电倍增管15，光电倍增管16和光电倍增管17所接收并转化为电信号。电信号被三通道采集电路板18所接收，经过A/D转换，模拟信号转化为数字信号，数字信号被数据处理电路板19接收，经过内部逻辑处理、滤波处理等操作后发送到数据采集及处理模块21，并发送到数据显示模块22进行显示。其中在采集电路板、激光器和数据采集及处理模块之间连接有同步控制模块20，同步控制模块20在接收到数据采集及处理软件发出的指令后分别于采集电路板、激光器进行通信，使激光器的出光与采集电路板的采集时间同步，并将结果反馈给数据采集及处理软件。

在二氧化氮探测激光雷达中，镜面吹气装置的作用也很重要，对于激光雷达来说，为了能够在长时间内得到较强的信号，要求镜面干燥、无灰尘，而为了能够达到这一效果，设计了如图2所示的镜面吹气装置，该装置与一个空气压缩机配套使用，在该装置的内壁上还有三个鸭嘴喷气孔，相邻鸭嘴喷气孔的出气中心线之间的夹角为60度，在晴朗天气下，每个一天会开启喷气装置一次，开启时长为10分钟；在雨雪天气下，会根据需要调整开启时间，为了达到较好的效果，一般不低于20分钟。在该装置的喷气嘴的对面，会预留出水口，防止雨水过大时无法排出。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。