[发明专利]一种基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达

说明书

本发明公开了一种基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，包括：Nd‑YAG四倍频激光器、光学透镜、拉曼管、扩束器、平面镜、光学接收模块、分光光谱仪、探测模块、数据采集和同步控制单元。本发明基于单拉曼管受激拉曼产生多波长激光，通过利用不同波长对的回波信号作差分反演，可以在较大的垂直高度范围内对臭氧浓度进行高精度的测量，单拉曼管的使用，不仅简化了装置，而且减小了不同波长激光几何因子的差异，提高装置的测量精度。此外，单光子CCD的使用，不仅简化了探测部分的组成，减小由于探测器的差异所导致的测量误差，使激光雷达装置有较大的升级空间，而且得益于单光子探测的高灵敏度，增加了装置的最大测量高度。

技术领域

本发明涉及臭氧差分吸收激光雷达装置领域，尤其涉及一种基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达。

背景技术

臭氧是大气层的关键组分，约90％的臭氧存在于距地表10km至50km的同温层，这部分臭氧能吸收太阳光中的紫外线，从而使地球上的生物免受紫外线的直接照射；其余10％的臭氧则存在于距地表更近的对流层，这部分臭氧参与大气中的光化学反应，在对流层的大气污染中扮演着重要的角色，此外臭氧含量过高会刺激和损伤眼睛、呼吸系统等粘膜组织，对人体健康产生负面作用。因此，开展臭氧时空分布的测量具有非常重要的意义，目前，基于差分吸收激光雷达的遥感观测是臭氧测量的重要手段。

差分吸收雷达通过发射两束分别位于目标气体吸收较强波段和较弱波段的脉冲激光，探测回波信号反演得到目标气体的浓度。在差分吸收雷达的测量中，激光波长的选择十分重要，一方面，两个波长对应的目标气体的吸收差异要尽可能大，以增加差分信号；另一方面，两束激光的波长差又不能太大，以减小不同波长下的后向散射差别和气溶胶消光差别等因素所导致的系统偏差。

臭氧分子在260nm附近有较强的连续吸收带，可以用于臭氧的遥感测量。紫外光源的获取是臭氧激光雷达装置的难点，常见的做法是将Nd-YAG激光四倍频，得到266nm的紫外光，再将得到的紫外光通过充有H₂或D₂的拉曼管，激发受激拉曼过程得到不同波长的紫外激光。

本发明的发明人发现：目前常用的差分吸收激光雷达装置，其探测器是多个光电倍增管组合的探测系统，用于测量多波长回波信号。然而这种探测器组合，不仅进一步使装置变复杂，而且由于各个探测器响应能力的差异，会给激光雷达测量结果带来系统偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单拉曼管光源的多波长臭氧激光雷达，其具有结构简单、光束一致性好、探测范围大、结构紧凑、测量结果精度高、昼夜持续工作等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

包括：激光光源、拉曼管、光学发射模块、光学接收模块、分光光谱仪、单光子CCD、光子计数器、主控模块；

所述激光光源用于输出激光，所述激光包括第一波长激光；所述第一波长位于臭氧的一个吸收带；

所述拉曼管用于接收激光光源输入的激光，产生至少两个波长的拉曼散射光；所述拉曼散射光包括第二波长激光和第三波长激光；

所述光学发射模块用于将拉曼管出射的激光发射到探测目标；

所述光学接收模块用于收集探测目标返回的回波信号；

所述分光光谱仪用于对光学接收模块收集的不同波长的回波信号进行空间分离；

所述单光子CCD用于对分光光谱仪输出的多个不同波长的回波信号进行光电转换；

所述光子计数器用于记录单光子CCD所测量的光子数，并将记录的信息发送给主控模块；

所述主控模块用于处理光子计数器发送的信息，从而得到目标位置的目标信息；所述目标信息包括臭氧浓度。