[发明专利]一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法

权利要求书

1.一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：配置激光器，使激光波长扫过目标气体谱线；具体过程为：通过信号发生装置产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器，对激光器进行调谐和调制，激光控制器接受信号发生装置的信号后，直接控制激光器的输出波长；

步骤二：将激光器发射光分束为信号光和本振光，信号光经激光准直发射装置向目标气体发送发射信号光，本振光导入光纤耦合器；

步骤三：发射信号光被目标气体吸收并被障碍物或地形表面反射后形成回波返回信号光，返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；

步骤四：光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；

步骤五：使用信号采集卡采集谐波信号，并导入到计算机中，计算出气体浓度数据；具体计算过程为：计算机根据目标气体谱线的中心波长，读取对应位置的一次谐波信号与二次谐波信号数值，并计算出此位置上二次谐波与一次谐波的比值，该比值与气体浓度存在以下换算关系：

其中，i为激光器的线性强度调制系数，由实际使用的激光器特性决定；R₂₁为目标气体谱线中心波长处二次谐波与一次谐波的比值；a为调制深度cm^-1；θ为相位角，等于2πft，其中f为调制频率；X为气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述发射信号光与返回信号光的光强关系符合Lambert-Beer定律：

其中ρ为反射面的反射率，I₁为发射信号光强；I₂为返回信号光强；P为压强atm；S(T)为谱线吸收强度cm^-2·atm^-1；为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度cm；X为气体浓度。

3.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述步骤二中将激光器发射的光束分为信号光和本振光对的具体方法为：当采用单激光器时，激光器通过光纤耦合器分光，其中一部分作为信号光，另一部分作为本振光；当采用双激光器时，包括激光器A和激光器B，其中激光器A发出的激光作为信号光，激光器B发出的激光作为本振光。

4.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述差拍信号的表示公式为：

其中G为光电增益系数，ω₀、ω₂为本振光与返回信号光的角频率，t为时间变量，ρ为反射面的反射率，P为压强atm；S(T)为谱线吸收强度cm^-2·atm^-1；为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度cm；X为气体浓度。