本實用新型涉及激光雷達技術領域，具體涉及一種大氣臭氧探測激光雷達。

背景技術：

臭氧在大氣中的含量極小，卻發(fā)揮著極為重要的作用，一方面，臭氧層阻擋了強紫外輻射到達地面，保護了地球上的生命，另一方面，臭氧是一種強氧化劑，通過其氧化作用可以去除大氣中許多痕量污染氣體，同時也在許多大氣污染物的轉(zhuǎn)化中扮演著重要角色。除此之外，臭氧在紅外波段的9.6μm附近有一個很強的吸收帶，因此它又是使低層大氣增溫的重要溫室氣體。因此，進行大氣臭氧的空間垂直分布特征和時間規(guī)律的探測與研究對于全球環(huán)境變化，大氣光化學，大氣輻射平衡和氣候變異等領域有著重要的意義。

目前探測臭氧主要包括總量探測及精細探測兩種，而總量探測又分為局部探測和全球探測，局部探測所使用的儀器大多為臭氧分光光度計，它是基于臭氧對太陽紫外輻射的吸收作用，觀測時，采用不同的分光器件(棱鏡，光柵或濾光片等)將有臭氧吸收的某一給定的紫外波段分離出來，然后根據(jù)這一波段通過臭氧層后的變化程度來確定大氣中臭氧總含量的多少；全球探測主要采用離散通道對法、大氣成分差分吸收光譜算法進行反演。在精細探測上，主要采用飛機、系留氣球等手段對對流層自由大氣中的臭氧變化進行探測，臭氧激光雷達作為一種新的探測臭氧的工具，發(fā)展速度很快，但現(xiàn)有的臭氧探測激光雷達還存在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)噪音大，系統(tǒng)測量動態(tài)范圍小等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)有效臭氧探測的基礎上噪音干擾更小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，成本更低的臭氧探測雷達。

本實用新型提供的一種臭氧探測激光雷達，包括：

前光路系統(tǒng)，包括依次相接的激光器、拉曼管、擴束器和反射鏡；

后光路系統(tǒng)，包括依次相接的望遠鏡、大芯徑光纖和高分辨率分光光譜儀；經(jīng)過所述反射鏡反射的拉曼光波進入大氣后，后向散射部分被所述望遠鏡接收；

光電倍增管，與所述高分辨率分光光譜儀連接，將經(jīng)過高分光譜儀分光得到的不同波長的光進入到光電倍增管進行光信號放大并轉(zhuǎn)換為電信號；

多通道模擬和/或光子計數(shù)模塊，與所述光電倍增管連接，光電倍增管采集到的電信號發(fā)送到所述多通道模擬和/或光子計數(shù)模塊中；

同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊，所述同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊分別與所述激光器和所述多通道模擬和/或光子計數(shù)模塊連接；

計算機，與所述同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊連接。

可選地，所述望遠鏡與大芯徑光纖之間設有光闌。

可選地，所述拉曼管為一金屬管，所述拉曼管的前、后端設有紫外光學窗口，在所述拉曼管內(nèi)部充有一定氣壓的易產(chǎn)生拉曼效應的氣體。

可選地，所述望遠鏡的口徑為200mm～1000mm。

可選地，所述大芯徑光纖的NA為0.06～0.22；其芯徑為1mm～1.5mm。

可選地，所述高分辨率分光光譜儀的設計探測波長與從拉曼管出射的激光波長一致，探測波長數(shù)目在2～5個之間。

可選地，所述高分辨率分光光譜儀采用全息光柵，全息光柵的刻線數(shù)2400～4500lines/mm。

本實用新型技術方案，具有如下優(yōu)點：

1.本實用新型實施例提供的一種臭氧探測激光雷達，激光器出射的激光到達拉曼管，拉曼管內(nèi)充滿了具有壓力且易產(chǎn)生拉曼效應的氣體，激光經(jīng)過拉曼管中的氣體(以D₂為例)產(chǎn)生266nm、289nm及316nm波長的拉曼受激散射光，這些不同波長的光經(jīng)擴束器的擴束發(fā)射到大氣中，發(fā)射到大氣中的拉曼散射光的后向散射部分被望遠鏡接收，又進入到大芯徑光纖中，并由光纖導入至高光譜儀中，經(jīng)過光譜儀分光后將上述不同波長的光進入到各自的光電倍增管進行光信號的放大并轉(zhuǎn)換為電信號，由光電倍增管采集到的電信號被發(fā)送到多通道模擬&光子計數(shù)模塊中，該模塊能夠同時采集模擬信號和光子信號，進而擴大了信號的采集范圍，同步控制&數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制激光器和多通道模擬&光子計數(shù)模塊的采集時間并進行初步的數(shù)據(jù)處理，之后由計算機進一步處理和輸出顯示。上述激光雷達系統(tǒng)在實現(xiàn)有效臭氧探測的基礎上成本更低，噪音干擾更小，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.本實施例光闌的設置可以將望遠鏡接收到的雜光(如太陽光、燈光)通過能量加以限制，進而使有效光信號在總信號的能量占比提高，后續(xù)將光座號通過大芯徑光纖發(fā)送到光譜儀中，通過光纖端面鍍膜并采用石英光纖，可以使光纖對紫外波段的光波有較高的透過率，同時大芯徑光纖選擇芯徑1mm～1.5mm，數(shù)值孔徑值選擇0.12～0.22，通過上述大芯徑光纖將信號導入到高分辨率分光光譜儀中，能夠較大程度的提高系統(tǒng)設計的靈活性，在大芯徑光纖內(nèi)部光信號進行全反射傳輸，并在光纖外部包覆有黑色套管，可有效防止在信號傳輸過程中引入新的雜散光。

3.望遠鏡用來接收從大氣中返回的回波，但因為信號較弱，在考慮到產(chǎn)品成本及攜帶臭氧信息量的基礎上，望遠鏡口徑可在200mm～1000mm范圍內(nèi)選擇

4.本實施例中的進入光電倍增管的光波通過光電倍增管的信號初步放大，將光電倍增管采集到的電信號送至多通道模擬&光子計數(shù)模塊中，激光雷達的后向散射信號是以距離平方呈反比快速減小的，其動態(tài)范圍比較大，如果只采用模擬方式或者光子計數(shù)方式采集信號，系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍相對比較小，一定程度上不能滿足系統(tǒng)較遠距離的探測要求，而采用模擬與光子計數(shù)融合的方式，對PMT輸出的信號同時采用模擬和光子計數(shù)的方式進行采集，近場信號采用模擬信號，遠場信號采用光子計數(shù)信號，將兩種信號拼接成完整的測量結(jié)果。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型多通道模擬和光子計數(shù)模塊結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

此外，下面所描述的本實用新型不同實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實施例1

本實施例提供一種臭氧探測激光雷達，參見圖1所示，整個雷達系統(tǒng)包括產(chǎn)生所需光源的激光器1，波長266nm，重頻10Hz，脈沖能量120mJ，激光器1出射的發(fā)散角小，出射能量高且抖動性小，激光器發(fā)出射的激光進入拉曼管2，拉曼管2內(nèi)充滿了具有8個大氣壓的易產(chǎn)生拉曼效應的D2)氣體，激光經(jīng)過拉曼管后產(chǎn)生266nm，289nm及316nm波長的拉曼散射光，上述不同波長的拉曼散射光再通過擴束器3和反射鏡4反射到大氣中，出射后的拉曼散射光波與大氣中的臭氧和氣溶膠作用，有些被氣溶膠顆粒吸收，有些被散射，其中后向散射部分被望遠鏡5所接收，望遠鏡5的口徑相對越大越好，此處，考慮到產(chǎn)品成本的問題，在本實施例中望遠鏡5選擇的口徑大小為300mm，該口徑的望遠鏡5能夠有效得到發(fā)射到大氣中的較強后向散射信號，從望遠鏡5出射的光先后進入大芯徑光纖7和高分辨率分光光譜儀8，作為優(yōu)選，可以在望遠鏡5與大芯徑光纖7加設光闌6(采用大恒光電GCM-5703M型)，以進一步減小太陽光等背景光的干擾，高分辨率分光光譜儀8選擇全息光柵，光柵刻線數(shù)為3600lines/mm(考慮貨架產(chǎn)品，采用thorlabs公司的GH25-36U型)，高分辨率分光光譜儀8與光電倍增管9連接，光電倍增管9共設有3個通道，分別對應接收266nm，289nm及316nm波長的光波，在光電倍增管9內(nèi)對探測波長放大，光電倍增管將采集到的光信號放大并轉(zhuǎn)換為電信號，為了提高臭氧激光雷達采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍，可以采用多通道模擬和光子計數(shù)模塊10，近場信號采用模擬信號，遠場信號采用光子計數(shù)信號，將兩種信號拼接成完整的測量結(jié)果，以擴大了信號的采集范圍。同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊11控制激光器和多通道模擬和光子計數(shù)模塊10，計算機12與同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊11連接，用于輸出顯示。

需要說明的是，多通道模擬和光子計數(shù)模塊包括模擬信號采集通道和光子脈沖采集通道兩個采集通道，參見圖2所示，具體地，模擬信號采集通道包括：模擬輸入信號經(jīng)第一電壓跟隨電路，該第一電壓跟隨電路為一級電壓跟隨電路101，后經(jīng)過三級前置放大電路102輸出單端信號，單端信號經(jīng)差分放大器103耦合輸出差分信號，并由ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器104轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出，其中，三級前置放大器102和一級電壓跟隨電路101采用50MHz的低噪聲電壓反饋放大器AD827AQ，差分放大器103采用低噪聲大帶寬的高速放大器ADA4930，ADC芯片采用四通道采樣率為125MSPS，14位的AD9253。

光子脈沖采集通道包括：輸入信號先后經(jīng)過一級電壓跟隨電路105、兩級放大電路，進入電壓比較器108，電壓比較器內(nèi)設有D/A芯片和電壓比較芯片，D/A芯片設置基準電壓，輸入電壓與該基準電壓比對后，將結(jié)果輸出至主芯片比較結(jié)果，以實現(xiàn)光子計數(shù)，其中，一級電壓跟隨放大器105和第一級脈沖信號放大器106采用大帶寬高速運算放大器LMH6702MF，第二級放大器107采用雙通道大帶寬的THS3202DGN，第一級由LMH6702實現(xiàn)兩倍反相放大，第二級由THS3202實現(xiàn)10倍以上同相放大，電壓比較器108采用ADCMP600BRJZ，其基準電壓由D/A芯片AD5317RBRUZ提供。

其中，同步控制與數(shù)據(jù)采集模塊11能夠同時控制激光器1的出光和多通道模擬和光子計數(shù)模塊10的采集時序，進而使兩者的時間相配合，另外還可以對數(shù)據(jù)采集方式進行控制，包括但不限于采集點的間隔、采集時間、總的采集數(shù)據(jù)量的大小等，該系統(tǒng)與多通道模擬和光子計數(shù)模塊10、計算機12、激光器1等都可以相互通信，如RS232

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型創(chuàng)造的保護范圍之中。