[发明专利]一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统

说明书

本发明属于大气环境监测领域，公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统。探测方法包括以下步骤：步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；步骤S2：接收激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；步骤S3：对电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。本发明具有较强的普适性。

技术领域

本发明属于大气环境监测的技术领域，特别涉及一种大气成分差分吸收激光成像雷达浓度廓线探测方法及系统。

背景技术

差分吸收激光雷达自从1966年被提出后，一直是激光大气探测领域的研究热点。目前，差分吸收激光雷达技术被广泛应用于大气臭氧、二氧化硫、二氧化氮以及水汽等气体的廓线探测上。传统基于脉冲体制的差分吸收激光雷达，由于需要使用高性能纳秒量级脉冲光源进而使得雷达系统庞大、维护成本高难度大，尤其对在近红外波段具有吸收特性的甲烷和二氧化碳等气体廓线探测时雷达系统结构复杂，不易于推广应用。

有学者采用连续波激光光源，结合面阵CCD/CMOS为传感器来实现大气二氧化氮和二氧化碳的廓线探测。然而，对于在近红外波段具有吸收特性的甲烷和二氧化碳等气体而言，其较为合适的用于差分吸收廓线探测的波段通常选用1.65um和1.57um近红外波段，因制造工艺等因素的限制，相应波段的高分辨率面阵CCD/CMOS很难制造，使得现有差分吸收激光成像雷达的探测性能受到很大制约。

为了克服现有技术中的不足，现在急需变革发明新的大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法及系统。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种大气成分差分吸收激光成像雷达廓线探测方法，所述廓线探测方法包括以下步骤：

步骤S1：向待测大气交替发射两束不同中心波长的激光束；

步骤S2：接收所述激光束与待测大气相互作用后的光柱图像，通过调制信息对所述光柱图像进行调制，将调制后的光信号转换为电信号；

步骤S3：对所述电信号进行同步采集，将电信号转换为数字信号，联合数字信号和调制信号分别复原两束不同中心波长激光对应的光柱图像；

步骤S4：根据复原的光柱图像像素与测量距离之间的关系，计算出两束不同中心波长激光分别对应的距离分辨回波数据；

步骤S5：由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演出待测气体的浓度廓线。

进一步的，所述激光束的两种中心波长，分别位于待测气体的吸收峰上和位于待测气体的吸收谷上。

进一步的，所述复原不同中心波长激光的光柱图像计算方式如下：

其中，S_i(x,y)表示第i次调制时的调制信号，I_i(λ)表示中心波长为λ的激光束第i次采集时所对应的数字信号，L表示调制散斑数量。

进一步的，所述由两束不同中心波长对应距离分辨回波数据反演待测气体的浓度廓线具体包括以下步骤：

步骤S51：对已知距离的硬目标物体进行测量，获得硬目标物体成像图像，由硬目标物体离测量系统距离信息以及硬目标物体在图像中所在像素位置信息，标定出测量系统图像像素与测量距离之间的关系；

步骤S52：利用标定后的测量距离与图像像素之间的关系，分别解算出实测图像中两束不同中心波长对应的距离分辨回波数据；