[实用新型]一种大气二氧化碳浓度监测装置

说明书

技术领域：

本专利涉及一种大气二氧化碳浓度的探测技术，具体指一种基于可电压调谐标准具衬底折射率干涉仪的大气二氧化碳浓度探测装置。本装置可搭载于卫星上进行大范围的大气二氧化碳浓度探测，包括全球大气二氧化碳浓度分布情况，也可搭载于航空飞行器上进行局部大气二氧化碳分布情况，包括森林火灾引起的二氧化碳释放量、石化燃料消耗量大的工厂二氧化碳排放情况，还可以用于固定监测某一地区大气二氧化碳浓度变化情况。

背景技术：

二氧化碳是大气中最主要的人造温室气体，被普遍认为是引起全球变暖的主要因素。目前，人类对二氧化碳源与汇在地球上的分布情况还不清楚，随着大气中二氧化碳浓度逐年增加，为了能够准确地预测未来大气中二氧化碳浓度对全球气候变暖的影响程度，研究大气二氧化碳浓度探测技术是十分必要的。探测大气二氧化碳的方法有主动式与被动式两种。主动式探测采用的是差分吸收雷达探测技术、差分激光吸收光谱技术，例如美国和欧洲提出的科学项目ASCEND和A-SCOPE二氧化碳探测卫星采用的就是主动式探测技术。被动式探测主要通过探测物体反射的二氧化碳吸收光谱，例如美国的卫星OCO利用光栅技术探测大气二氧化碳，日本的卫星GOSAT使用带动镜的干涉仪探测大气二氧化碳。主动式探测需要仪器本身能够为雷达或者激光器提供足够强大的能量，增加了卫星或者航空飞行器的负担，同时必须保证激光器频率的稳定性。光栅技术和带动镜的干涉技术都能够获得较高的光谱分辨率和信噪比，但光栅技术的探测光谱范围容易受到限制，带动镜的干涉仪由于有运动部件，其稳定性较难控制。

发明内容：

本专利的目的是提供一种大气二氧化碳浓度监测装置，为分析大气二氧化碳浓度分布情况提供精确数据，这些数据可用于研究大气二氧化碳浓度对气候变化的影响。解决了带动镜的干涉仪在探测器大气二氧化碳浓度时，稳定性难以控制的技术问题。

本专利是通过以下技术方案实现的：

本专利采用可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪同时探测1.58微米二氧化碳吸收光谱与1.27微米氧气吸收光谱和光谱反演的方案实现大气二氧化碳浓度探测，构建装置如图1所示。整个装置包括：望远镜1、光阑2、准直光学装置3、平面反射镜4、可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5、信号处理单元6和装置控制及二氧化碳浓度反演单元7。外界光线透过望远镜1，经过光阑2和准直光学装置3，平面反射镜4平行入射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。

本装置中的各部件的技术要求以及实现的功能：

望远镜1的F数为1.8，焦距为200毫米。

光阑2固定在望远镜1的焦点位置，孔径为2毫米。

准直光学装置3将入射光平行化后照射至平面反射镜4，平行进入可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。

所述的可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5包含偏振滤波片5-1、可电压调谐衬底折射率的标准具5-2、分光器5-3、二氧化碳窄带滤波片5-4、二氧化碳光谱通道聚光装置5-5、二氧化碳吸收光谱传感器5-6、平面反射镜5-10、氧气窄带滤波片5-9、氧气光谱通道聚光装置5-8、氧气吸收光谱传感器5-7。可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的偏振滤波片5-1允许P偏振方向的光透过；可电压调谐衬底折射率的标准具5-2厚度为0.37毫米，口径为50毫米，光线在可电压调谐衬底折射率的标准具5-2中来回反射产生干涉现象，通过调节加载在标准具上的电压值，改变标准具衬底的折射率来改变光线在标准具中的光程差；分光器5-3以45°倾角放置，允许1.58微米二氧化碳吸收谱线相干光透过进入二氧化碳吸收光谱通道，反射1.27微米氧气吸收谱线相干光至氧气吸收光谱通道；二氧化碳窄带滤波片5-4的通带范围为1.568微米~1.584微米，氧气窄带滤波片5-9的光谱通带范围为1.264微米~1.28微米；二氧化碳吸收光谱传感器5-6为单元的铟镓砷探测器(InGaAs)，像元大小为100微米×100微米；氧气吸收光谱传感器5-7为单元锗探测器(Ge)，像元大小为100微米×100微米。

信号处理单元6能够量化两路输入信号，量化位数为14位，并且带有DSP数字信号处理器，对量化后的信号进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱。