[发明专利]基于TDLAS技术的新型沙氏大气激光雷达

说明书

本发明公开了一种基于TDLAS技术的新型沙氏大气激光雷达，能够在红外波段对大气中的气体进行探测。本发明包括第一函数发生器、激光器驱动、二极管激光器、第二函数发生器、准直系统、接收光学系统、锁相放大器、数据采集卡、PC端和机械式扫描探头装置。本发明将TDLAS技术中的波长调制光谱技术（WMS）与沙氏大气激光雷达技术相结合，并用机械式扫描探头装置取代图像探测器，从而提升系统灵敏度和分辨率，并增大探测波长范围，能够在红外波段对大气中的气体进行探测。

技术领域

本发明涉及大气遥感探测技术领域，涉及一种基于TDLAS技术的新型沙氏大气激光雷达，能够在红外波段对大气中的气体进行探测。

背景技术

随着工业生产、交通运输行业的不断发展，大气环境也面领着严峻的挑战，各种大气污染物以及大气污染状况对人们的生存环境以及身体健康造成的危害日益严重。大气遥感探测技术及相关设备因其远距离、不接触式测量以及可自动操作等特点在大气污染监测中有着广泛的应用。

沙氏大气激光雷达(Scheimpflug lidar，简称SLidar)基于沙氏成像原理：利用当成像系统的物面与透镜不平行时，只要像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线，依然可以对物面成清晰的像，可以实现用常规大口径成像系统难以实现的从近距离到远距离的大气后向散射信号的清晰成像和探测。以二氧化氮NO₂为例，在大气探测中具有含量低、吸收截面小、后向散射信号弱的特点，因此其探测难度很大。

目前对大气中NO₂的探测主要以传统脉冲式差分吸收激光雷达技术(DIAL)为主，不过这种技术由于需要两个甚至更多波长的光脉冲输出，因此需要采用纳秒量级的可调谐脉冲光源，对光源的要求很高，这对技术的实现和实际应用来说都是很大的挑战。而基于沙氏成像原理的连续波差分吸收激光雷达技术(CW-DIAL)利用高功率连续波二极管激光器作为光源，并利用高灵敏度的图像传感器作为大气激光雷达信号的探测器，在大气中二氧化氮的探测方面具有显著优势。但是，虽然CW-DIAL解决了DIAL存在的激光光源问题，但其在接收端的图像探测器方面依旧存在比较大的问题：

(1)图像探测器的分辨率高低理论上与其像素数量成正比，雷达系统就是利用像素序列获取不同距离上的大气回波信号的。但像素点越多，分辨率越高的图像探测器成本越高。例如索雷博的一款800万像素的VGA分辨率CCD摄像机，其价格高达4.5万元。

(2)由于图像探测器是利用面阵的多个像素点进行信号的探测的，因此其光照灵敏度不高，探测能力有限。

(3)目前沙氏激光雷达系统的接收单元多使用的是商业集成的CMOS图像传感器，但其噪声大，是系统噪声的主要来源之一，不利于下一步的信号处理分析。

(4)大部分图像探测器探测的大都是可见光波段的波长，在红外波段探测器的量子效率非常低甚至为0，这就对在中红外波段进行探测的激光雷达的后向散射信号的探测造成很大影响。若选择专门的红外波段图像探测器，不仅量子效率提高有限，价格更是呈几何倍数增加。

中红外波段作为很好的大气透射窗口，在分子吸收特性上也具有很大的优势。就NO₂而言，目前其除了在可见光波段有一段吸收峰外，在中红外波段也有一段较强的吸收峰，相比于可见光波段的吸收峰，受白天大气背景噪声的影响更小，昼夜均可以进行探测。因此，对在中红外波段也有吸收峰的气体而言，选择在中红外波段探测其特性也具有非常大的研究前景。

本发明提出一种新型沙氏大气激光雷达，将TDLAS技术中的波长调制光谱技术(WMS)与沙氏大气激光雷达技术相结合，并用机械式扫描探头装置取代图像探测器，从而提升系统灵敏度和分辨率，并增大探测波长范围，能够在红外波段对大气中的气体进行探测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于TDLAS技术的新型沙氏大气激光雷达技术，适用于在红外波段对大气中的气体进行探测。