[发明专利]紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法

说明书

本发明涉及臭氧浓度高度廓线探测技术领域，尤其涉及紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机，所述第一激光器和第二激光器发射相近紫外波长，所述第一反射镜和第二反射镜反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机接收两个反射镜反射到大气后的光束。该发明的优点在于：使用的连续紫外激光器和CCD探测，比现有的仪器结构简单、价格便宜、操作使用方便。且光源的能量稳定性大大提高，很适合工程化应用，为防控城市臭氧污染提供技术手段和科学依据。

技术领域

本发明涉及臭氧浓度高度廓线探测技术领域，尤其涉及紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法。

背景技术

目前探测臭氧浓度高度廓线的仪器是后向散射差分吸收激光雷达，探测原理是利用差分吸收方法，所需要的2束脉冲紫外激光一般是通过气体拉曼管产生的。具体的方法是266nm脉冲泵浦激光分别通过氘气和氢气拉曼管产生289nm和299nm两个波长的拉曼激光。不足之处是这一方法产生的拉曼激光能量稳定性较差，且拉曼管两端的窗口经常受到污染，这一不足严重影响了工程化应用，且这种系统的价格较昂贵。

目前CCD光束成像技术(又称侧向散射激光雷达技术)已成功应用于近地面的气溶胶消光系数和后向散射系数廓线的探测。但是还不能够实现高空中的臭氧浓度高度廓线。

发明内容

为了实现高空中的臭氧浓度高度廓线，为此，本发明提出紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置及方法，本发明采用以下技术方案：

紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置，包括第一激光器、第二激光器、第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机，所述第一激光器和第二激光器发射相近紫外波长，所述第一反射镜和第二反射镜反射相应激光器发出的光束，所述紫外CCD相机接收两个反射镜反射到大气后的光束。

进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜、紫外CCD相机下方设置有可三维转动的支撑部件。

进一步地，所述第一激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第一图像，第二激光器发出的光束在紫外CCD相机的屏中成的像为第二图像，所述第一图像位于屏的正中央，所述第二图像与第一图像平行且与第一图像为设定间距。

进一步地，所述紫外CCD相机相应像素接收到第一激光器对应的第一波长λ₁的散射光强度与高度的关系满足公式如下：

紫外CCD相机相应像素接收到第二激光器对应的第二波长λ₂的散射光强度与高度的关系满足公式如下：

其中，z是高度，C是仪器系统常数，D是CCD相机到光束的垂直距离，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，P_λ(z,θ)是高度z、散射角为θ的散射光被一个像素接收到的散射光强度，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，α_g(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，是臭氧的浓度。

进一步地，还包括控制器，所述控制器与第一激光器、第二激光器、紫外CCD相机连接，将公式(1)和公式(2)进行差分处理，反演出臭氧浓度的廓线

使用上述的紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度高度廓线装置的方法，控制器反演出臭氧浓度的廓线包括以下步骤：

S1、控制器获得第一激光器、第二激光器分别发出的光束在紫外CCD相机的屏中对应形成的第一图像和第二图像；

S2、控制器将背景信号扣除，提取第一图像和第二图像对应的散射光信号强度；

S3、计算两束散射光各像素对应的高度；