專(zhuān)利名稱(chēng)：基于差分吸收的大氣二氧化碳遠(yuǎn)距離激光相干探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測(cè)大氣的激光雷達(dá)裝置，尤其涉及基于差分吸收原理遠(yuǎn)距 離探測(cè)二氧化碳空間濃度分布的相干激光探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
大氣中的0)2與人類(lèi)生活息息相關(guān)，普遍得到環(huán)境學(xué)者的關(guān)注和研究。C02與
生物圈是如何相互影響的(得到量化的信息，哪些地方是源，哪些地方是匯)，
自然界C元素循環(huán)機(jī)制怎樣等等，對(duì)C02的許多方面至今尚不很清楚。關(guān)于co2 時(shí)空分布的知識(shí)及其變化原因的理解，對(duì)預(yù)測(cè)將來(lái)C02水平及其對(duì)溫度變化的影 響也是必需。大氣002濃度的探測(cè)十分重要，是弄清這些問(wèn)題的重要前提。
激光雷達(dá)特別適用于對(duì)大氣的探測(cè)。這是因?yàn)榧す馐脑S多優(yōu)異性能幾乎都 可以在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中的充分利用。激光的高亮度、高準(zhǔn)直度和短脈沖特性，
使得大氣探測(cè)激光雷達(dá)具有很高的探測(cè)靈敏度和空間分辨能力；激光可以遙測(cè)大 氣的時(shí)空分布，這不僅有助于詳細(xì)了解大氣中各種氣體成分的實(shí)況，而且對(duì)研究 大氣的擴(kuò)散規(guī)律也很有價(jià)值。目前，激光對(duì)二氧化碳的遠(yuǎn)距離遙測(cè)主要采用Raman 散射原理。Raman散射雷達(dá)具有激光波長(zhǎng)無(wú)嚴(yán)格選擇、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 但探測(cè)靈敏度較低，不能快速掌握大氣中二氧化碳的時(shí)空分布及變化情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于差分吸收的大氣二氧化碳遠(yuǎn)距離激光相干探測(cè)裝 置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離二氧化碳?xì)怏w濃度的高精度快速檢測(cè)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
基于差分吸收的大氣二氧化碳遠(yuǎn)距離激光相干探測(cè)裝置，On光源激光器的 輸出端通過(guò)氣體池A與探測(cè)器A的輸入端連接，探測(cè)器A輸出端與控制器A輸入 端連接，控制器A輸出端與On光源激光器輸入端連接；On光源激光器輸出端與頻移器輸入端連接、頻移器輸出端與調(diào)制器輸入端連接，調(diào)制器輸出端與發(fā)射光 學(xué)系統(tǒng)輸入端連接；接收光學(xué)系統(tǒng)輸出端與濾波器A輸入端連接，濾波器A輸出 端與混頻探測(cè)器A輸入端連接，On光源激光器輸出端與混頻探測(cè)器A輸入端連 接；混頻探測(cè)器A輸出端與濾波放大采樣電路輸入端連接，濾波放大采樣電路輸 出端與用以發(fā)射系統(tǒng)控制指令，完成空間掃描和相關(guān)數(shù)據(jù)收集，并對(duì)差分吸收回 波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到二氧化碳空間濃度分布信息的系統(tǒng)控制及二氧化碳數(shù)據(jù)反 演處理裝置的輸入端連接；掃描驅(qū)動(dòng)裝置的輸出端分別與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光 學(xué)系統(tǒng)輸入端連接。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述裝置中還設(shè)有 Off光源激光器，Off光源激光器的輸出端通過(guò)氣體池B與探測(cè)器B的輸入端連 接，探測(cè)器B輸出端與控制器B輸入端連接，控制器B輸出端與Off光源激光器 輸入端連接；所述On光源激光器和Off光源激光器的輸出端通過(guò)波分復(fù)用器與 所述頻移器輸入端連接；所述接收光學(xué)系統(tǒng)與濾波器之間設(shè)有分波器；分波器的 輸出端與濾波器B的輸入端連接;濾波器B的輸出端與混頻探測(cè)器B輸入端連接；
混頻探測(cè)器B輸出端與所述濾波放大采樣電路輸入端連接；Off光源激光器輸出
端與混頻探測(cè)器B輸入端連接。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述頻移器為聲光 頻移器或電光頻移器。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述調(diào)制器為聲光 調(diào)制器或機(jī)械調(diào)制器。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述濾波器為光纖 濾波器或?yàn)V波片。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述頻移器具體為 聲光頻移器。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，其特征在于所述調(diào) 制器具體為聲光調(diào)制器。
一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，所述濾波器A和濾 波器B為光纖濾波器A和光纖濾波器B;光纖濾波器A和光纖濾波器B的輸出端 分別與混頻探測(cè)器A和混頻探測(cè)器B的輸入端相連接。本發(fā)明基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置利用差分吸收原 理，通過(guò)產(chǎn)生特定的激光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳吸收光譜進(jìn)行探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二 氧化碳濃度的遠(yuǎn)距離高靈敏度探測(cè)?；谙喔蓹z測(cè)技術(shù)可進(jìn)一步提高探測(cè)裝置的 靈敏度?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離二氧化碳時(shí)空分布的快速檢測(cè)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是1)解決了對(duì)二氧化碳?xì)怏w濃度 的遠(yuǎn)距離探測(cè)問(wèn)題；2)作為一種主動(dòng)探測(cè)方式，較少受環(huán)境、氣候的影響，可 以全天候工作；3)采用差分吸收探測(cè)技術(shù)，提高了對(duì)二氧化碳濃度的探測(cè)精度 和靈敏度；4)采用相干探測(cè)技術(shù)，提高了探測(cè)信噪比，克服了背景光的不利影 響；5)通過(guò)大范圍時(shí)空掃描和回波數(shù)據(jù)反演技術(shù)，可以對(duì)大范圍的二氧化碳濃 度的時(shí)空分布變化進(jìn)行快速檢測(cè)；6)裝置采用全固態(tài)激光器和光纖連接方式， 體積與能耗較小，安裝和操作簡(jiǎn)便，具有應(yīng)用方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為實(shí)施例1本裝置結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為實(shí)施例2本裝置結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置是 一種適合于遠(yuǎn)距離大范圍二氧化碳濃度時(shí)空分布激光探測(cè)裝置置。本發(fā)明由高精 度波長(zhǎng)控制系統(tǒng)、聲光調(diào)制系統(tǒng)、激光發(fā)射接收掃描系統(tǒng)、激光回波相干探測(cè)系 統(tǒng)、系統(tǒng)控制和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)構(gòu)成，即0n光源激光器1通過(guò)氣體 池A 2與探測(cè)器A 3連接，探測(cè)器A 3與控制器A 4連接，控制器A 4與On光 源激光器1連接。Off光源激光器5通過(guò)氣體池B 6與探測(cè)器B 7連接，探測(cè)器 B 7與控制器B 8連接，控制器B 8與Off光源激光器5連接。On光源激光器1 和0ff光源激光器5通過(guò)波分復(fù)用器9、聲光頻移器IO、聲光調(diào)制器21與發(fā)射 光學(xué)系統(tǒng)11連接。接收光學(xué)系統(tǒng)13通過(guò)分波器14分別與光纖濾波器A 15、光 纖濾波器B 16連接。光纖濾波器A 15、 Off光源激光器5與混頻探測(cè)器A 17 連接，光纖濾波器B16、 0n光源激光器l與混頻探測(cè)器B18連接?；祛l探測(cè)器A 17、混頻探測(cè)器B 18與濾波放大采樣電路19連接，濾波放大采樣電路19與 系統(tǒng)控制及二氧化碳數(shù)據(jù)反演裝置20連接。掃描驅(qū)動(dòng)裝置12與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng) 11、接收光學(xué)系統(tǒng)13連接。
具體而言，由0n光源激光器1發(fā)生On激光，激光通過(guò)C02氣體池A 2后被 探測(cè)器A 3接收，控制器A 4通過(guò)檢測(cè)探測(cè)器A 3的信號(hào)反饋產(chǎn)生控制電壓對(duì) On光源激光器1進(jìn)行高精度波長(zhǎng)控制，將On光源激光器1的輸出激光波長(zhǎng)控制 在C02的吸收峰內(nèi)。，由Off光源激光器5發(fā)生0ff激光，激光通過(guò)C02氣體池B6 后被探測(cè)器B 7接收，控制器B 8通過(guò)檢測(cè)探測(cè)器B 7的信號(hào)反饋產(chǎn)生控制電壓 對(duì)Off光源激光器5進(jìn)行高精度波長(zhǎng)控制，將Off光源激光器5的輸出Off激光 波長(zhǎng)控制在C02的吸收峰外側(cè)。On光源激光器l、 Off光源激光器5的主分光通 過(guò)波分復(fù)用器9復(fù)用到同一光路中，通過(guò)聲光頻移器21產(chǎn)生對(duì)出射激光頻率進(jìn) 行移頻，再通過(guò)聲光調(diào)制器IO將其變換成脈沖激光，通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)11出射。 由掃描驅(qū)動(dòng)裝置12驅(qū)動(dòng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)11和接收光學(xué)系統(tǒng)13對(duì)給定區(qū)域范圍內(nèi) 的二氧化碳濃度時(shí)空分布進(jìn)行探測(cè)。
On激光和Off激光在大氣中傳播，由于處于不同的C02吸收譜線位置而產(chǎn)生 不同的吸收效應(yīng)，其大氣回波通過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)13接收后，被分波器14分成 0n回波和0ff回波信號(hào)。Off回波信號(hào)通過(guò)光纖濾波器A 15濾除背景光后，與 Off光源激光器5引出的種子光同時(shí)進(jìn)入混頻探測(cè)器A 17進(jìn)行相干混頻探測(cè)， 相干探測(cè)信號(hào)進(jìn)入濾波放大采樣電路19進(jìn)行信號(hào)的濾波、放大和采樣，得到沿 探測(cè)路徑的二氧化碳Off光回波數(shù)據(jù)。On回波信號(hào)通過(guò)光纖濾波器B 16濾除背 景光后，與On光源激光器1引出的種子光同時(shí)進(jìn)入混頻探測(cè)器B 18進(jìn)行相干混 頻探測(cè)，相干探測(cè)信號(hào)進(jìn)入濾波放大采樣電路19進(jìn)行信號(hào)的濾波、放大和采樣， 得到沿探測(cè)路徑的二氧化碳0n光回波數(shù)據(jù)。
采樣得到的二氧化碳0n、 Off回波數(shù)據(jù)被送入系統(tǒng)控制和二氧化碳數(shù)據(jù)反演 處理系統(tǒng)20進(jìn)行處理。利用差分吸收原理，對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)各掃描段、各探測(cè)時(shí) 刻以及探測(cè)路徑上的各點(diǎn)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終得到二氧化碳濃度的 時(shí)空分布數(shù)據(jù)。
實(shí)施例2
參見(jiàn)附圖2所示，本發(fā)明基于差分吸收的大氣二氧化碳遠(yuǎn)距離激光相干探測(cè)裝置是一種適合于遠(yuǎn)距離大范圍二氧化碳濃度時(shí)空分布激光探測(cè)裝置置。本發(fā)明 由高精度波長(zhǎng)控制系統(tǒng)、聲光調(diào)制系統(tǒng)、激光發(fā)射接收掃描系統(tǒng)、激光回波相干 探測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)控制和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)構(gòu)成，即0n光源激光器1通 過(guò)氣體池A 2與探測(cè)器A 3連接，探測(cè)器A 3與控制器A 4連接，控制器A 4 與On光源激光器1連接。On光源激光器1通過(guò)聲光頻移器10、聲光調(diào)制器21 與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)ll連接。接收光學(xué)系統(tǒng)13與光纖濾波器B 16連接。光纖濾波 器B 16與混頻探測(cè)器B 18連接?；祛l探測(cè)器B 18與濾波放大采樣電路19連接， 濾波放大采樣電路19與系統(tǒng)控制及二氧化碳數(shù)據(jù)反演裝置20連接。掃描驅(qū)動(dòng)裝 置12與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)11、接收光學(xué)系統(tǒng)13連接。
具體而言，由On光源激光器1發(fā)生激光，激光通過(guò)C02氣體池A 2后被探 測(cè)器A 3接收，控制器A 4通過(guò)檢測(cè)探測(cè)器A 3的信號(hào)反饋產(chǎn)生控制電壓對(duì)On 光源激光器1進(jìn)行高精度波長(zhǎng)控制，將On光源激光器1的輸出激光波長(zhǎng)交替控 制在C02的吸收峰內(nèi)和吸收峰外側(cè)。通過(guò)聲光頻移器10產(chǎn)生對(duì)出射激光頻率進(jìn) 行移頻，再通過(guò)聲光調(diào)制器21將其變換成脈沖激光，通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)11出射。 由掃描驅(qū)動(dòng)裝置12驅(qū)動(dòng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)11和接收光學(xué)系統(tǒng)13對(duì)給定區(qū)域范圍內(nèi) 的二氧化碳濃度時(shí)空分布進(jìn)行探測(cè)。On激光在大氣中傳播，其大氣回波通過(guò)接 收光學(xué)系統(tǒng)13接收?；夭ü庑盘?hào)通過(guò)光纖濾波器B 18濾除背景光后，與0n光 源激光器l引出的種子光同時(shí)進(jìn)入混頻探測(cè)器B 18進(jìn)行相干混頻探測(cè)，相干探 測(cè)信號(hào)進(jìn)入濾波放大采樣電路19進(jìn)行信號(hào)的濾波、放大和采樣，按照輸出激光 波長(zhǎng)的調(diào)制時(shí)序關(guān)系分別得到沿探測(cè)路徑的二氧化碳On光回波數(shù)據(jù)。采樣得到 的二氧化碳0n回波數(shù)據(jù)被送入系統(tǒng)控制和二氧化碳數(shù)據(jù)反演處理系統(tǒng)20進(jìn)行處 理。利用差分吸收原理，對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)各掃描段、各探測(cè)時(shí)刻以及探測(cè)路徑上的 各點(diǎn)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終得到二氧化碳濃度的時(shí)空分布數(shù)據(jù)。 實(shí)施例3
激光器采用Off光源激光器5，其余同實(shí)施例2。
權(quán)利要求
1、一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，其特征在于On光源激光器的輸出端通過(guò)氣體池A與探測(cè)器A的輸入端連接，探測(cè)器A輸出端與控制器A輸入端連接，控制器A輸出端與On光源激光器輸入端連接；On光源激光器輸出端與頻移器輸入端連接、頻移器輸出端與調(diào)制器輸入端連接，調(diào)制器輸出端與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)輸入端連接；接收光學(xué)系統(tǒng)輸出端與濾波器A輸入端連接，濾波器A輸出端與混頻探測(cè)器A輸入端連接，On光源激光器輸出端與混頻探測(cè)器A輸入端連接；混頻探測(cè)器A輸出端與濾波放大采樣電路輸入端連接，濾波放大采樣電路輸出端與用以發(fā)射系統(tǒng)控制指令，完成空間掃描和相關(guān)數(shù)據(jù)收集，并對(duì)差分吸收回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到二氧化碳空間濃度分布信息的系統(tǒng)控制及二氧化碳數(shù)據(jù)反演處理裝置的輸入端連接；掃描驅(qū)動(dòng)裝置的輸出端分別與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)輸入端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝 置，其特征在于所述裝置中設(shè)有Off光源激光器，Off光源激光器的輸出端通過(guò) 氣體池B與探測(cè)器B的輸入端連接，探測(cè)器B輸出端與控制器B輸入端連接，控 制器B輸出端與Off光源激光器輸入端連接；所述On光源激光器和Off光源激 光器的輸出端通過(guò)波分復(fù)用器與所述頻移器輸入端連接；所述接收光學(xué)系統(tǒng)與濾 波器之間設(shè)有分波器；分波器的輸出,端與濾波器B的輸入端連接；濾波器B的輸 出端與混頻探測(cè)器B輸入端連接；混頻探測(cè)器B輸出端與所述濾波放大采樣電路 輸入端連接；Off光源激光器輸出端與混頻探測(cè)器B輸入端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探 測(cè)裝置，其特征在于所述頻移器為聲光頻移器或電光頻移器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探 測(cè)裝置，其特征在于所述調(diào)制器為聲光調(diào)制器或機(jī)械調(diào)制器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探 測(cè)裝置，其特征在于所述濾波器為光纖濾波器或?yàn)V波片。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝 置，其特征在于所述頻移器為聲光頻移器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，其特征在于所述調(diào)制器為聲光調(diào)制器。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝 置，其特征在于所述濾波器A和濾波器B為光纖濾波器A和光纖濾波器B;光纖 濾波器A和光纖濾波器B的輸出端分別與混頻探測(cè)器A和混頻探測(cè)器B的輸入端 相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，On、Off光源激光器的輸出端通過(guò)氣體池與探測(cè)器、控制器、光源激光器、頻移器、調(diào)制器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、濾波器、混頻探測(cè)器、濾波放大采樣電路、系統(tǒng)控制及二氧化碳數(shù)據(jù)反演處理裝置相連接，本發(fā)明的目的是提供一種基于差分吸收的遠(yuǎn)距離二氧化碳相干激光探測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離二氧化碳?xì)怏w濃度的高精度快速檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK101493406SQ20081019501
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者胡以華, 蔡曉春, 趙楠翔, 郝士琦, 雷武虎, 顧有林 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍電子工程學(xué)院