[发明专利]测量大气二氧化碳和水汽浓度的多波长激光雷达系统

说明书

一种大气二氧化碳以及水汽浓度测量多波长激光雷达系统，该系统由多波长激光发射模块和激光雷达接收模块组成，本发明允许使用一个激光器输出1572nm波段的三个不同波长的脉冲激光，同时独立地测量大气二氧化碳和水汽浓度。本发明基于激光积分路径差分吸收的方法获得大气二氧化碳与水汽浓度。

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种测量大气二氧化碳和水汽浓度的多波长激光雷达系统。

背景技术

二氧化碳作为大气含量较高的温室气体，准确探测其在大气中的浓度、变化及其源汇分布对把握温室效应、了解生态圈中的碳循环等有重要意义。大气的CO₂浓度测量手段主要有地基单点测量、机载航迹测量、卫星全球观测。其中，卫星遥感探测技术已经实现了太阳光地面散射光谱技术的被动式探测，但被动式探测具有一定的限制与约束，只能白天测量，而且容易受云和气溶胶干扰。激光雷达主动式探测技术是以自身发射的连续激光或脉冲激光作为光源，不需要依靠太阳光，旨在实现对大气二氧化碳柱浓度的全球、全天时、高精度监测。较为成熟的主动探测技术有可调谐半导体激光吸收光谱技术、差分吸收激光雷达技术(DIAL)。其中积分路径差分吸收(IPDA)探测技术是DIAL技术的一种特殊应用。

对于大气二氧化碳浓度的测量，目前的IPDA激光雷达系统大多采用双波长的方式对其进行探测，综合权重函数以及与雷达工作波长紧密相关的误差项等因素，在同一波段内选择两个合适的波长作为on-line和off-line。虽然工作波长的选择已经尽可能地减小了水汽带来的影响，然而在实际的探测过程中，H₂O依旧会通过包括分子干扰、干空气数密度测定和由水引起的二氧化碳线展宽来影响最终的反演精度。为了提高大气CO₂柱浓度的测量精度，可通过测量大气水汽浓度减小水汽对二氧化碳的影响。根据两种气体的吸收线，在同一波段内，激光雷达同时测量大气二氧化碳以及水汽柱浓度是可行的。

发明内容

本发明提供一种测量大气二氧化碳和水汽浓度的多波长激光雷达系统，可以使用一台激光器同时发射多个波长来同时测量大气CO₂柱浓度和H₂O柱浓度。

本发明技术解决方案如下：

一种测量大气二氧化碳和水汽浓度的多波长激光雷达系统，其特点在于：包括多波长激光发射模块和IPDA激光雷达接收模块：

所述的多波长激光发射模块包括多波长种子激光器、参考种子激光器、电光相位调制器、二氧化碳气体吸收池、吸收线中心锁定单元、工作波长锁定单元、稳频系统、光开关、多波长脉冲激光器、热控单元、第一分光镜和第二分光镜；

所述的IPDA激光雷达接收模块包括第一窄带滤波器、积分球、第一准直镜、衰减片、反射镜、视轴监视单元、接收望远镜、第三分光镜、中继光学单元、合束镜、第二窄带滤波器、第二准直镜、1572nm光电探测器、数据采集与处理单元和计算机；

所述的多波长种子激光器和所述的参考种子激光器产生连续、单频和窄线宽激光，所述的参考种子激光器输出的参考波长为二氧化碳R18吸收线的中心波长，经过所述的电光相位调制器进行相位调制，调制后的激光经过所述的二氧化碳气体吸收池吸收后的输出由所述的吸收线中心锁定单元反馈给所述的参考种子激光器进行波长锁定；所述的参考种子激光器输出的参考波长激光的一部分通过所述的工作波长锁定单元用于补偿锁定所述的多波长种子激光器的工作激光波长，所述的光开关进行不同波长的切换；所述的稳频系统通过外差拍频信号控制所述的脉冲激光器的输出波长，使输出激光的频率与多波长种子激光的频率相匹配；所述的热控单元用于保持所述的多波长脉冲激光器工作在设定温度；所述的多波长脉冲激光器出射的激光由第一分光镜分成透射光和反射光，所述的透射光一路进入IPDA激光雷达接收模块中形成能量监测信号，所述的反射光由第二分光镜继续分成反射光和透射光两路：所述的反射光进入IPDA激光雷达接收模块中的视轴监视单元，所述的透射光形成探测光射入待测大气中；