[发明专利]利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气监测系统，尤其是指利用激光诱导击穿光谱所产生的白光作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要用于监测大气中一些具有特征吸收的气体分子，如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、臭氧和一些芳香族有机物等。

背景技术

差分吸收光谱（DOAS）技术最早出现在上世纪70年代末，它主要以大气中的痕量污染气体对光波的窄带特征吸收光谱为基础，通过特征吸收光谱监测大气中污染气体的类型及含量。差分吸收光谱系统具有许多优点，如无需对监测的气体进行采样，简化了监测步骤；可以测量痕量气体的浓度而不改变其化学性质，避免了测量对象化学性质变化带来的测量误差；可以同时判断及测量多种气体的存在和含量，具有高分辨率、高探测灵敏度等特点，同时它还可以对大气进行大范围、连续的实时监测，能准确地反应大气污染状况，因此差分吸收光谱系统在大气监测中的应用十分广泛。

如图1所示，为已有差分吸收光谱大气监测系统的示意图，其公开在Appl. Opt.期刊2003年42卷21期第4362-4368页上，论文题目为“利用障碍闪光灯和电荷耦合器件光谱仪进行大气NO₂长程测量”（Long-path measurement of atmospheric NO₂ with an obstruction flashlight and a charge-coupled-device spectrometer），作者Yotsumi Yoshii等。该系统采用安装在焚化炉烟囱上高度为130 m的4盏氙灯作为光源，在离光源水平距离5500 m处的实验室安置高度为31 m的望远镜和光谱仪装置，接收氙灯经过大气传输后的光信号，对其进行处理分析。

图2为另一差分吸收光谱大气监测系统的示意图，其公开在《分析仪器》2008年第1期第7-11页上，论文题目为“差分吸收光谱法大气环境质量在线连续监测系统的设计”，作者崔厚欣等。该系统采用高压短弧氙灯作为光源，其发出的光经望远镜准直后射向远处的角反射镜，被角反射镜返回的光信号再由望远镜接收器接收，由光纤导入光谱仪分光，分光后的信号进入PDA转变成电信号，经ADC转换并最终送入计算机进行处理。该系统采用角反射器反射回的光谱与已知的氙灯光谱作差分。

图3的差分吸收光谱大气监测系统的示意图，公开在《物理学报》2006年55卷6期第3165-3169页上，论文题目为“差分吸收光谱技术监测大气气溶胶粒谱分布”，作者司福祺等。该系统同样以氙灯作为光源，其发出的光经望远镜主镜M准直为平行光后射向远处的角反射镜，被角反射镜返回的光信号再由望远镜接收，经主镜的会聚作用后被次镜M1反射并在光纤的入射端面聚集，由光纤导入光谱仪分光，分光后的信号进行光电转换后进入计算机进行处理。为了实现双光路测量，该系统在离仪器4m及340m处分别安装角反射器，测量时通过望远镜的转动获得不同光程的光强进行差分。

为实现差分，以上三个系统均采用高压氙灯作为光源，此类系统的限制在于：

安装在高空的氙灯或者角反射器都具有固定的位置，一般是安装在监测点附近较高的建筑物上，安置后不能轻易改变，这就对差分吸收系统的使用地点进行了限制，同时也限定了此类系统所监测的大气层高度的上限，使其无法对更高高度的大气状况进行监测；无论是采用氙灯光谱还是低空光谱与较高空光谱作差分，此类系统只可以获得某一固定高度以下大气层的整体状况，而无法对整个大气层作分层监测与比较；整套系统的元件异地安置，亦增加了日常维护的成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，该系统可以自由调节击穿光谱光源的位置，选择不同高度的大气进行差分，亦可对某一高度层间的大气进行测量与分析。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明利用激光诱导击穿光谱作为光源的差分吸收光谱大气监测系统，其主要可分为三大部分：

1. DOAS光路发射单元，其包括，

激光器，经倍频和三倍频后分别输出波长为532nm和355nm的激光束；

扩束器，用其将所述激光器输出的倍频和三倍频光信号进行扩束；

具有波面整形作用的自适应光学单元；

作为激光发射器的望远镜，用以将经自适应光学单元调整的激光发射并于空中目标高度聚焦，使之产生激光诱导击穿光谱点光源；

2. DOAS光路接收单元，其包括，

作为光学信号接收器的望远镜，用以接收点光源光谱经过大气后的光信号；