测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统

1.本发明属于激光雷达，特别是一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统。


背景技术：

2.自工业革命以来，人类的活动造成大气中二氧化碳、甲烷等温室气体的含量急速上升，对全球的气候变化造成了不可估量的影响。因此，同时对大气中二氧化碳和甲烷浓度进行高精度监测是研究温室效应及制定相关措施必不可少的手段。
3.目前对于温室气体的探测主要有主动和被动两种方法。被动探测发展成熟且可以同时反演多种气体的信息，但被动探测依赖于太阳光的反射，不能实现夜晚探测和全纬度探测，同时容易受云和气溶胶干扰。主动的激光雷达探测方法则可以弥补被动方法的缺陷，路径积分差分吸收(ipda)方法是采用两束波长相近的激光在短时间内先后发射，从而排除该路径上其余因素的影响，能够实现全天时全纬度的高精度探测。
4.近年来，二氧化碳差分吸收激光雷达技术蓬勃发展，但往往集中在地基探测、低空探测。主要原因是长距离、高精度的气体探测对系统提出了更高的要求，如激光发射系统的高能量、高频率稳定性，以及探测器的高灵敏度等。实现远距离探测的激光雷达往往依赖于长时间的信号累积来提升信噪比，不适宜应用于高速运动的星载平台。因此能实现机载、星载长距离探测的激光雷达成本更高，但只能测量一种气体浓度大大限制了其应用空间。在化石燃料开发等环节中，甲烷的便携检测装置已经得到了广泛的应用，但这种装置灵敏度低，不适宜在大气中远距离、大范围探测中使用。
5.路径积分差分吸收(ipda)技术是一种既适用于甲烷又适用于二氧化碳的关键技术，它不仅能够实现全天时高精度的探测并且可以适用于地基、车载、机载、星载各种平台，但目前还未有同时对两种气体进行探测的ipda激光雷达。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为克服激光雷达系统只能测量单一气体的问题，克服传统探测设备应用范围小、探测距离近、积分时间长的问题，提出一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，该系统可用于地基、车载、机载和星载平台，能实现不同覆盖范围的大气二氧化碳及甲烷浓度的同步测量，具有全天时大范围高精度的测量能力。
7.本发明技术解决方案如下：
8.一种测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统，其特点在于：包括1572nm种子激光器、1645nm种子激光器、1572nm激光锁频模块、1645nm激光锁频模块、双波长双脉冲激光器(1572和1645nm)、积分球、准直镜、光电探测模块、数据采集与处理模块、发射扩束镜、视轴监视模块、中继光学模块、光学接收望远镜、分光镜一、分光镜二、分光镜三；所述的光电探测模块包括分光镜四、窄带滤波器一、1572nm探测光学单元、1572nm探测器、窄带滤波器二、1645nm探测光学单元和1645nm探测器。上述元部件的位置关系如下：
9.所述的1572nm种子激光器、1645nm种子激光器、1572nm激光稳频模块、1645nm激光稳频模块的输出端口与双波长双脉冲激光器的输入端口相接，所述的双波长双脉冲激光器发出的1572nm和1645nm光束经所述的分光镜一分为两路：一路经所述的积分球、准直镜进入所述的光电探测模块，另一路则经所述的分光镜二再分为两路：一路进入所述的视轴监视模块，另一路经所述的发射扩束镜射入大气中，此路光束经地面或云层等硬目标反射后的光信号经所述的光学接收望远镜的回波信号经所述的分光镜三分为两路：一路进入所述的视轴监视模块，另一路经所述的中继光学模块进入所述的光电探测模块，所述的光电探测模块的输出端与所述的数据采集与处理模块输入端相连。
10.经所述的积分球、准直镜的光束进入所述的光电探测模块中，入射到所述的分光镜四上，该分光镜四将1572nm的光反射至所述的窄带滤波器一、1572nm探测光学单元并入射至所述的1572nm探测器上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四透射进入所述的窄带滤波器二、1645nm探测光学单元并入射至所述的1645nm探测器上；硬目标反射的回波信号经所述的光学接收望远镜、分光镜三、中继光学模块后进入所述的光电探测模块中，入射到所述的分光镜四上，该分光镜四将回波信号中1572nm的光透射后进入所述的窄带滤波器一、1572nm探测光学单元，并入射至所述的1572nm探测器上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四反射至所述的窄带滤波器二、1645nm探测光学单元并入射至所述的1645nm探测器上。
11.所述的1572nm激光锁频模块与1645nm激光锁频模块均与所述的双波长双脉冲激光器的输入口相接，以稳定两波长输出激光中心频率，特别是online脉冲的频率稳定性。
12.所述的中继光学模块主要作用为将光学接收望远镜接收的会聚光转换为平行光，并用小孔光阑滤去杂光。
13.所述的光电探测模块中包含窄带滤波器一和窄带滤波器二，用于过滤太阳背景噪声和杂光的影响，提升信噪比。
14.所述的视轴监视模块包括分光模块和ccd，用于监测发射和接收光轴之间的夹角，保证收发光轴的平行。
15.本发明的优点在于：
16.1、本发明激光雷达系统采用主动探测的方法，双波长双脉冲的激光器可同时独自输出1572nm和1645nm的online及offline激光，不依赖太阳反射光，可全天时探测，且两波长的探测模块前均有相应的窄带滤波器，可以滤除太阳背景噪声和杂光的影响，提升探测精度。
17.2、本发明激光雷达系统，不仅提出了一种高精度、大范围大气甲烷浓度的有效探测方法，并且实现与二氧化碳探测系统的集成，可以同时测量两种最主要的温室气体，更好地满足控制温室效应的监测需求。
18.3、本发明激光雷达系统适用于地基、车载、机载和星载全平台，既可用于局部碳源以及甲烷源的排放量监测，也可用于全球范围的大气二氧化碳及甲烷浓度的整体监测。
19.4、本发明激光雷达系统设置参考光路，用于反演计算时对发射光束的能量进行归一化，可以降低对于激光器能量稳定性的要求。
20.5、本发明设计的激光雷达系统可以同时测量二氧化碳和甲烷的柱浓度，由于甲烷的吸收谱线中存在少量二氧化碳的吸收干扰，本系统可以用同步测量的二氧化碳差分吸收光学厚度对甲烷的差分吸收光学厚度进行校正。
附图说明
21.图1为本发明测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统装置的整体结构框图。
22.图中：1—1572nm种子激光器、2—1645nm种子激光器、3—1572nm激光锁频模块、4—1645nm激光锁频模块、5—双波长双脉冲激光器、6—积分球、7—准直镜、8—光电探测模块、9—数据采集与处理模块、10—发射扩束镜、11—视轴监视模块、12—中继光学模块、13—光学接收望远镜、14—分光镜一、15—分光镜二、16—分光镜三。
23.图2为本发明的光电探测模块的结构框图。
24.图中：8-1—分光镜四、8-2—窄带滤波器一、8-3—1572nm探测光学单元、8-4—1572nm探测器、8-5—窄带滤波器二、8-6—1645nm探测光学单元、8-7—1645nm探测器。
具体实施方式
25.下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
26.请参阅图1，图1为本发明测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统的整体结构框图，如图1所示，本发明测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统装置包括1572nm种子激光器1、1645nm种子激光器2、1572nm激光锁频模块3、1645nm激光锁频模块4、双波长双脉冲激光器(1572和1645nm)5、积分球6、准直镜7、光电探测模块8、数据采集与处理模块9、发射扩束镜10、视轴监视模块11、中继光学模块12、光学接收望远镜13、分光镜一14、分光镜二15和分光镜三16；图2为本发明光电探测模块8的结构框图，如图2所示，所述的光电探测模块8包括分光镜四8-1、窄带滤波器一8-2、1572nm探测光学单元8-3、1572nm探测器8-4、窄带滤波器二8-5、1645nm探测光学单元8-6和1645nm探测器8-7。上述元部件的位置关系如下：
27.所述的1572nm种子激光器1、1645nm种子激光器2、1572nm激光稳频模块3、1645nm激光稳频模块4的输出端口与所述的双波长双脉冲激光器5的输入端口相接，所述的双波长双脉冲激光器5发出的1572nm和1645nm光束经所述的分光镜一14分为两路：一路经所述的积分球6、准直镜7进入所述的光电探测模块8，另一路则经所述的分光镜二15再分为两路：一路进入所述的视轴监视模块11，另一路经所述的发射扩束镜10射入大气中，此路光束经地面或云层等硬目标反射后的回波光信号经所述的光学接收望远镜13进入激光雷达系统中，回波信号经所述的分光镜三16分为两路，一路进入所述的视轴监视模块11，另一路经所述的中继光学模块12进入所述的光电探测模块8中，所述的光电探测模块8的输出端与所述的数据采集与处理模块9输入端相连。
28.所述的光电探测模块8中，经所述的积分球6、准直镜7的光束进入所述的光电探测模块8中，入射到所述的分光镜四8-1上，该分光镜四8-1将1572nm的光反射至所述的窄带滤波器一8-2、1572nm探测光学单元8-3并入射至所述的1572nm探测器8-4上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四8-1透射进入所述的窄带滤波器二8-5、1645nm探测光学单元8-6并入射至所述的1645nm探测器8-7上；硬目标反射的回波信号经所述的光学接收望远镜13、分光镜三16、中继光学模块12后进入所述的光电探测模块8中，入射到所述的分光镜四8-1上，该分光镜四8-1将回波信号中1572nm的光透射后进入所述的窄带滤波器一8-2、1572nm探测光
学单元8-3，并入射至所述的1572nm探测器8-4上，同时1645nm的光经过所述的分光镜四8-1反射至所述的窄带滤波器二8-5、1645nm探测光学单元8-6并入射至所述的1645nm探测器8-7上。
29.下面是一个实例采用的具体器件：
30.所述的光学接收望远镜13为收发光轴平行的望远镜系统；所述的视轴监视模块11由分光模块和ccd组成；所述的数据采集与处理模块9包括采集卡和数据预处理模块；所述的1572nm探测器8-4、1645nm探测器8-7为apd探测器。
31.本发明实施的测量大气二氧化碳及甲烷柱浓度的激光雷达系统具体流程是：
32.双波长双脉冲激光器5输出的1572nm和1645nm的online和offline激光经积分球6和准直镜7后，进入所述的光电探测模块8中，其中1572nm波段的激光经过分光镜四8-1、窄带滤波器一8-2、1572nm探测光学单元8-3后进入1572nm探测器8-4中作为能量监测信号得到能量e1
on0
和e1
off0
；而1645nm波段的激光经过分光镜四8-1后，经由窄带滤波器二8-5、1645nm探测光学单元8-6后进入1645nm探测器8-7中作为能量检测信号得到能量e2
on0
和e2
off0
；另一路由硬目标反射的回波信号经光学接收望远镜13接收后也进入光电探测模块8，经过分光镜四8-1后，分别进入1572nm和1645nm两路探测模块中，得到携带大气信息的1572nm online和offline回波信号能量e1
on
和e1
off
以及1645nm online和offline回波信号能量e2
on
和e2
off
，由此可得到二氧化碳的差分光学厚度甲烷的差分光学厚度甲烷的差分光学厚度差分光学厚度根据信噪比需求进行多组的累加平均，累加平均次数由水平分辨率和脉冲重复频率决定；由ipda方法，激光路径上二氧化碳柱浓度表示为甲烷柱浓度表示为其中iwf1为二氧化碳的权重函数沿路径的积分，iwf2为甲烷的权重函数沿路径的积分，iwf1和iwf2可根据波长、大气辅助参数以及测量路径进行计算。
33.实验表明，本发明具有下列优点：
34.1、本发明激光雷达系统采用主动探测的方法，双波长双脉冲的激光器可同时独自输出1572nm和1645nm的online及offline激光，不依赖太阳反射光，可全天时探测，且两波长的探测模块前均有相应的窄带滤波器，可以滤除太阳背景噪声和杂光的影响，提升探测精度。
35.2、本发明激光雷达系统，不仅提出了一种高精度、大范围大气甲烷浓度的有效探测方法，并且实现与二氧化碳探测系统的集成，可以同时测量两种最主要的温室气体，更好地满足控制温室效应的监测需求。
36.3、本发明激光雷达系统适用于地基、车载、机载和星载全平台，既可用于局部碳源以及甲烷源的排放量监测，也可用于全球范围的大气二氧化碳及甲烷浓度的整体监测。
37.4、本发明激光雷达系统设置参考光路，用于反演计算时对发射光束的能量进行归一化，可以降低对于激光器能量稳定性的要求。
38.5、本发明设计的激光雷达系统可以同时测量二氧化碳和甲烷的柱浓度，由于甲烷的吸收谱线中存在少量二氧化碳的吸收干扰，本系统可以用同步测量的二氧化碳差分吸收光学厚度对甲烷的差分吸收光学厚度进行校正。