[发明专利]基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪大气成分探测装置

说明书

一种基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪探测大气成分装置，包括超连续谱光源、准直模块一、光学发射望远镜、光学接收望远镜、准直模块二、光纤开关、分束器、耦合器、光电探测器一、偏置器Bias Tee、射频处理模块、锁相放大器、数据采集与分析模块、可调谐激光器、激光控制模块和光电探测器二。本发明采用超连续谱光源作为发射光源构造主动探测的激光外差光谱仪，接收云或气溶胶的散射光，克服了直接接收太阳直射光作为信号光时夜晚不能进行探测的缺点，可以实现白天和夜间的柱浓度的高精度连续监测；同时超连续光源覆盖了多种大气成分的吸收峰，可以实现多种大气成分柱浓度的同时监测；并且超连续谱光源的功率可以灵活调节，可以实现比用太阳光作为信号光时更高的信噪比，在区域的气候研究、环境监测和大气化学研究等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪大气成分探测装置。

背景技术

随着全球变暖越来越严重，区域平均气温、降水量和土壤湿度的变化越来越大，不仅出现海平面上升等现象，还会引发干旱、洪涝、山火等极端的天气现象。大气中的温室气体是地球生命的重要屏障，对气候变化、调节地球大气温度起着至关重要的作用。温室气体含量的增加也是引起全球变暖的主要原因，因此，对CO2、CH4、H2O等温室气体的长期且准确的观测并制定合适的减排方案异常重要。

目前，温室气体的观测方式按平台分类可以分为卫星观测、机载和球载观测、地基观测，星载和机载虽然可以进行大范围的观测，但是不能针对同一个地区进行长期连续的监测；地基观测不适用于大范围的观测，但是观测精度高，可以长期监测趋势变化，在局部大气温室气体变化监测中具有重要作用。大气成分探测分为主动和被动两种探测方式，主动探测直接利用激光雷达发射激光并接收经大气成分吸收的反射或散射光进行大气成分的探测，可以实现白天和夜间的连续监测，但主动探测的方式对激光器的要求都很高。而被动探测当中应用广泛的是傅里叶变换光谱仪，其光谱分辨率高、光谱覆盖宽，但系统体积庞大，探测精度与体积大小成正比，建设和维护成本很高。而激光外差光谱仪具有高光谱分辨率、体积小、重量轻、成本低、信噪比高等优点，利用了拍频相干探测的优势。但同所有的被动观测手段相同，常规的激光外差光谱仪系统依赖于太阳光，只能在白天工作。

近年来，超连续谱光源得到了飞速发展，不仅具有激光高亮度、相干性强、方向性好等特点，还拥有和太阳光类似的宽光谱性能，目前主要用于光学相干断层扫描、频谱检测、荧光寿命成像、光通信、气体探测等领域。

但是目前还未将超连续谱光谱和激光外差光谱仪系统相结合，一方面，将超连续谱光源作为发射光源，接收云或气溶胶的散射光，可以利用主动探测的优势，在夜间也能进行监测，同时由于超连续谱的光谱覆盖宽，可以实现多种气体的同时监测且信噪比高；另一方面，结合激光外差光谱仪系统的高光谱分辨率、探测精度高、体积小等优势，发展成为全天时连续监测的基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪系统进行大气多种成分的高精度探测装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的激光外差光谱仪系统不能在夜间进行探测，且在白天有云层挡住太阳接收不到太阳光导致数据缺失的问题，本发明提出一种基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪探测大气成分装置，该装置结合主动相干探测和被动宽光谱探测的优势，同时满足高精度、小型化、全天时连续观测探测大气成分的需求。

本发明的基本原理是基于相干探测的原理，利用经过大气成分吸收并经气溶胶或云散射的信号光与窄线宽的本振激光进行拍频，从而实现从光频到射频的频率下转化，通过对射频信号进行处理得到包含大气分子吸收信息的光谱信息，对采集的信号进行反演可以得到温室气体或污染气体等大气成分的浓度。

本发明的技术解决方案如下：