[发明专利]大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达及反演方法

说明书

本发明公开了一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达系统，包括综合控制处理系统且电连接有谱上中红外稳频激光器和谱外中红外稳频激光器，沿谱上中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱上准直扩束器、第一反射镜、合束器，沿谱外中红外稳频激光器的光路出射方向依次设有谱外准直扩束器、合束器，沿合束后的激光出射方向依次设置有第二反射镜、第三反射镜、反射硬目标或后向散射软目标、接收望远镜、小孔光阑和中红外光谱分光系统第一中红外光电探测器和第二中红外光电探测器。本发明能实现开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测。本发明还公开了利用上述中红外差分吸收激光雷达系统探测大气中苯浓度的反演方法。

技术领域

本发明属于激光主动遥感探测技术领域，涉及一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达系统，还涉及利用上述差分吸收激光雷达系统反演大气中苯浓度的方法。

背景技术

苯是一种易挥发芳香味的工业化学物质，主要来自胶黏剂、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂等，也是大气环境领域中挥发性有机化合物之一，可作为臭氧和PM2.5的重要前体物，且具有较大毒性，主要导致血液系统的损失，属于一类致癌物，对大气环境及人体健康有严重的影响。目前已成为控制大气污染的关键因素之一。目前大气中苯浓度探测多采用气相色谱-质谱法、电离-质谱法等采样后离线分析的苯浓度的技术，尚未报道开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测技术。

差分吸收激光雷达技术是一种大气微量和痕量成分探测的激光遥感技术，其探测原理是利用双波长(吸收谱上波长λ_on和吸收谱外波长λ_off)激励光源的透射或后向散射光信号，通过光谱差分吸收技术反演获得被测微量或痕量成分的浓度信息，主要有路径积分式和路径廓线式两种类型，前者主要利用连续光源或者高频脉冲光源，多采用硬目标(漫反射体)或软目标(如薄云等高后向散射体)的反射后的前向透射信号或者后向散射信号，可实现探测路径上的大气中痕量成分的积分浓度(即柱浓度)探测；后者多采用脉冲体制光源，利用具有距离分辨率且携有浓度信息的后向散射信号，因此可获得探测路径上的大气中微量成分的浓度廓线。目前，差分吸收激光雷达在大气主要成分(如氧气)、微量成分(如水汽、二氧化碳等)和痕量成分(如臭氧、氮化物、硫化物等)已获得了较好应用，但对于大气中苯浓度的研究尚未见报道。

差分吸收激光雷达探测大气痕量成分浓度技术需要激励光源波长与大气被测痕量气体吸收谱线精细匹配，主要受限于合适波长激光源的实现以及高性能光电探测技术。目前该领域主要利用的激励光源有，光学参量振荡激光器和液体染料激光器，但是，前者通常成本很高且长期稳定性较差，而后者需要经常更换液体染料且系统庞大，通常用于科学研究，很难进行工业化和商品化。而随着基于量子级联以及带间级联等半导体激光技术的出现和发展，该类型激光器的激射波长不受限于增益物质，而是可依据量子阱厚度进行选择定制，且其体积小适合于集成，而且其激励波长恰好位于物质分子的官能团区和指纹区的中红外区域，非常适用于差分吸收激光雷达探测大气痕量成分的技术，可实现开放光程条件下大气苯的实时路径积分浓度探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气中苯浓度探测的中红外差分吸收激光雷达系统，能实现开放大气环境下大气中苯浓度的实时探测。

本发明的另一目的是提供利用上述中红外差分吸收激光雷达系统探测大气中苯浓度的反演方法。