拉曼雷射雷達標定裝置及其標定方法

2023-05-08 01:14:56

專利名稱：拉曼雷射雷達標定裝置及其標定方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射雷達標定裝置及標定方法，尤其是一種拉曼(Raman)雷射雷 達標定裝置及其標定方法。
背景技術：
拉曼雷射雷達是光機電一體化的高技術產品，多用於大氣參數的定量測量。由於 拉曼雷射雷達的系統較複雜，牽涉的功能部件較多，故而極易因系統中參數的變化而引發 拉曼雷射常數的改變，進而引起雷射雷達常數的變化。為此，在拉曼雷射雷達的實際應用 中，常需對拉曼雷射雷達常數進行定標。如在2000年11月出版的《大氣科學》第24卷第 6期雜誌中「大氣中水汽混合比的Raman雷射雷達探測」 一文曾公開了一種通過氣象探空 法來確定系統標定常數Cw的方法。它是在Raman雷射雷達探測水汽混合比的過程中放一 載有氣象探空儀的探空氣球，在某一段距離內將氣象探空儀測量的水汽混合比與Raman激 光雷達測得的Raman後向散射信號比和大氣透光率修正函數的乘積進行歸一化處理，來確 定標定常數Cw的。但是，這種確定系統標定常數Cw的方法存在著不足之處，首先，需使用載 有氣象探空儀的探空氣球，既增大了測量的成本，又不方便，還不易對大氣中水汽混合比進 行實時的定量測量，雖也有使用與水汽廓線儀探測結果的比較來確定Raman雷射雷達常數 的，卻仍有著因水汽廓線儀的價格很高，較難實際應用的缺陷，這也是Raman雷射雷達走向 實用化的難以逾越的一大障礙；其次，僅適用於對大氣中水汽混合比進行定量測量時的定 標，而不能用於對大氣中的其它氣體進行定量測量時的定標，如不能對二氧化碳氣體、氣溶 膠進行定量測量時的定標。

發明內容
本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種結構簡單，使 用方便的拉曼雷射雷達標定裝置。本發明要解決的另一個技術問題為提供一種規範、簡便的拉曼雷射雷達標定裝置 的標定方法。為解決本發明的技術問題，所採用的技術方案為拉曼雷射雷達標定裝置包括拉 曼雷射雷達的接收光纖，特別是，所述接收光纖的輸出端套裝有暗箱，所述暗箱中接收光纖的輸出埠的側面置有 發光二極體；所述發光二極體發光的光譜範圍為涵蓋氮氣體和待標定氣體的光譜段，其輸入端 與脈衝電源的輸出端電連接；所述接收光纖與發光二極體的光路上置有準直透鏡，所述準直透鏡後的光路上置 有分束片，所述分束片的反射光路上依次置有第一濾光片和第一探測器、透射光路上依次 置有第二濾光片和第二探測器，所述第一濾光片和第二濾光片分別互為氮氣體光譜段的濾 光片和待標定氣體光譜段的濾光片。
作為拉曼雷射雷達標定裝置的進一步改進，所述的發光二極體發光的光譜範圍為 涵蓋氮氣體和二氧化碳氣體的光譜段，其光譜範圍為370 390nm ；所述的發光二極體發光 的光譜範圍為涵蓋氮氣體和氣溶膠的光譜段，其光譜範圍為350 390nm或530 620nm ； 所述的發光二極體發光的光譜範圍為涵蓋氮氣體和水汽的光譜段，其光譜範圍為380 420nm ；所述的脈衝電源輸出的電壓波形為矩形，其脈衝寬度為250 400us，頻率為10 30Hz ；所述的暗箱的內壁為粗糙面，且塗覆有黑色物質；所述的第一探測器和第二探測器 分別位於暗箱的內壁上；所述的第一濾光片和第一探測器間的反射光路上置有第一衰減 片；所述的第二濾光片和第二探測器間的透射光路上置有第二衰減片。為解決本發明的另一個技術問題，所採用的另一個技術方案為拉曼雷射雷達標 定裝置的標定方法包括拉曼雷射雷達回波光強的測量，特別是標定步驟如下步驟1，分別由第一探測器和第二探測器獲得待標定氣體光譜段的光強Pl和氮氣 體光譜段的光強P2，所述待標定氣體光譜段的光強Pl的強度表達式為Pl = Iaj^C1，式中 的Ιλχ為發光二極體在待標定氣體光譜處的強度、Ci為雷射雷達常數，所述氮氣體光譜段的 光強P2的強度表達式為P2 = Ιλχ·(:2，式中的ΙλΝ為發光二極體在氮氣體光譜處的強度、C2 為雷射雷達常數；步驟2，分別將光強Ρ2、Pl及其表達式中的Ιλχ代入拉曼雷射雷達方程式， 乂⑶ ρλχ(ζ) Ρ2 Ιλι βλΝ⑵- ⑴恤
得竊.Wfexp，方程式中的ηχ(ζ)為待標定氣體
的濃度分布，ηΝ(ζ)為氮氣體的濃度分布，ρλχ(ζ)為待標定氣體的回波強度分布，ΡλΝ(ζ)為 氮氣體的回波強度分布，βλχ和β λΝ分別為待標定氣體和氮氣體的拉曼散射截面，其均為
常數，(ζ)_α 為大氣修正項，包括大氣分子和氣溶膠消光的影響，由該拉曼
雷射雷達方程式得到待標定氣體的濃度分布。作為拉曼雷射雷達標定裝置的標定方法的進一步改進，所述的氮氣體光譜處的譜 線為 386nm 或 607nm。相對於現有技術的有益效果是，其一，標定裝置採用於接收光纖的輸出端套裝有 暗箱，暗箱中接收光纖輸出埠的側面置有發光光譜範圍涵蓋氮氣體和待標定氣體的光譜 段、輸入端與脈衝電源的輸出端電連接的發光二極體，以及光纖與發光二極體的光路上置 有準直透鏡和分束片，分束片的反射光路上置有第一濾光片和第一探測器、透射光路上置 有第二濾光片和第二探測器，其中的第一濾光片和第二濾光片分別互為氮氣體光譜段的濾 光片和待標定氣體光譜段的濾光片的結構，既簡單、實用，僅需對發光二極體一次定標，就 可用於拉曼雷射雷達的長期標定，又可於大氣參數定量測量的過程中隨時對拉曼雷射雷達 的標定常數進行定標，使用極為方便，還大大地降低了測量的成本，易於對大氣中的待測氣 體進行實時的定量測量，更是具有普適性，可用於對大氣中的各種氣體進行定量測量時的 定標，為拉曼雷射雷達的實用化奠定了基礎。標定裝置中的暗箱屏蔽了外界雜散光的影響， 兩隻濾光片保證了分別僅讓氮氣體和待標定氣體所對應的兩個波長的光透過，而濾去了不 需要波長的光和背景光，脈衝電源確保了發光二極體發光強度的穩定，使輸出的氮氣體和 待標定氣體所對應的兩個波長的光的發光強度比值的穩定度大於99%以上，並使對應的定標精度高達百萬分之二 ；其二，標定裝置的實現機理為，發光二極體發出包含拉曼雷射雷達 待探測兩種氣體所對應的兩個波長的光，即發出包含氮氣體和待標定氣體所對應的兩個波 長的光，經準直透鏡後成為平行光，該平行光經分束片分束成兩束光，一束光經第一濾光片 後被第一探測器探測，獲得一種待測氣體所對應的一個波長光的發光強度，另一束光經第 二濾光片後被第二探測器探測，獲得另一種待測氣體所對應的另一個波長光的發光強度。 只要這兩個波長光的發光強度的比值穩定，再加上兩種待探測氣體中的一個的發光波長是 已知的，即已知是氮氣體的發光波長，則就可確定出另一個待探測氣體的標定常數。其三， 標定方法科學、規範、簡便和有效。現以二氧化碳拉曼雷射雷達為例，說明其理論依據如下 拉曼雷射雷達方程式
其中，λ『λ χ和λ Ν分別為雷射發射波長、二氧化碳氣體和氮氣體拉曼散射波 長，P4 (Ο和P7w O)分別為二氧化碳氣體和氮氣體拉曼散射回波強度隨距離ζ的分布，
Ptl為雷射發射功率，/\和廣^分別為二氧化碳氣體和氮氣體分子的拉曼後向散射截面， 通常認為是常數，Hx(Z)和％(2)分別為二氧化碳氣體和氮氣體的濃度隨距離Z的分布，
-如，+ ⑴拉和……""丨^「⑴+ ⑴!^代表大氣衰減引起的作用。
exp
由方程(1)和⑵可以得到方程(3)，
一般大氣中的氮氣體濃度在幹空氣中的混合比分布很穩定，因此，可認為 就是拉曼雷射雷達要定量測量的二氧化碳氣體相對於氮氣體的體積比廓線。
exp

(z)^ 為大氣透過率修正項，它的不確定性引起的誤差很小。 如果我們明確地知道C2Zt1，就可以定量地測量二氧化碳氣體的濃度，本發明的方 法就是以此用來確定C2ZiC1的。作為有益效果的進一步體現，一是發光二極體發光的光譜範圍優選為涵蓋氮氣體 和二氧化碳氣體的光譜段，其光譜範圍為370 390nm，或者，發光二極體發光的光譜範圍 優選為涵蓋氮氣體和氣溶膠的光譜段，其光譜範圍為350 390nm或530 620nm，或者，發 光二極體發光的光譜範圍優選為涵蓋氮氣體和水汽的光譜段，其光譜範圍為380 420nm， 使標定裝置有著明確的針對性，即可對二氧化碳氣體、氣溶膠和水汽進行精確的定標；二是波形優選為矩形，其脈衝寬度優選為250 400us，頻率優選為10 30Hz，不僅使發光二極體產生的熱量與發散的熱量相平衡，確保了發光二極體溫度的穩定 和發光強度的穩定，同時也減少了發光二極體的單位時間內發光的時間，延長了其使用壽 命；三是暗箱的內壁優選為粗糙面，且塗覆有黑色物質，除屏蔽了外界的雜散光之外，還吸 收了分束片和濾光片產生的反射和折射光；四是第一探測器和第二探測器分別優選位於 暗箱的內壁上，使暗箱的體積最小化了 ；五是第一濾光片和第一探測器間的反射光路上優 選置有第一衰減片，第二濾光片和第二探測器間的透射光路上優選置有第二衰減片，消除 了當探測接收到的光的強度太大時，對探測器的損傷；六是氮氣體光譜處的譜線優選為 386nm或607nm，使定標更為精確。


下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。圖1是本發明的標定裝置的一種基本結構示意圖；圖2是將本發明的標定裝置用於二氧化碳拉曼雷射雷達時所選用的發光二極體 發光的光譜曲線圖，圖中的橫坐標為光譜波長(nm)，縱坐標為發光強度。由該光譜曲線圖可 知，發光二極體發光的光譜包含有測量二氧化碳時所需的兩個波長371. 7nm和386. 7nm ；圖3是使用本發明的標定裝置對圖2所示的兩個波長的光強進行測量後得到的 發光強度值比和穩定度的結果圖，圖中的橫坐標均為測量次數，縱坐標圖3a為發光強度比 值、圖3b為發光強度比值誤差(％ )。其中，圖3a為兩個波長371nm與386nm的強度比值， 圖3b為每次測量相對於平均值的誤差，由其可知，穩定度達到了 99. 5%，說明了標定裝置 完全可用於拉曼二氧化碳雷射雷達的定標，對應的定標精度更是達到了百萬分之二；圖4是將本發明的標定裝置用於二氧化碳拉曼雷射雷達中，並結合本發明的標定 方法定標後，由該二氧化碳拉曼雷射雷達對某地區的大氣參數進行定量測量後獲得的水平 二氧化碳的分布圖。
具體實施例方式參見圖1，接收光纖13的輸出端套裝有其內壁為粗糙面、且塗覆有黑色物質的暗 箱11，暗箱11中接收光纖13的輸出埠的側面置有發光二極體1。發光二極體1發光的 光譜範圍為涵蓋氮氣體和待標定氣體的光譜段，待標定氣體可為二氧化碳氣體或氣溶膠或 水汽，現選擇二氧化碳氣體，即發光二極體1發光的光譜範圍為涵蓋氮氣體和二氧化碳氣 體的光譜段，其光譜範圍為370 390nm。發光二極體1的輸入端與脈衝電源12的輸出端 電連接，脈衝電源12輸出的電壓波形為矩形，其脈衝寬度可為250 400u s，頻率為10 30Hz，現選擇脈衝寬度為300us，頻率為20Hz。接收光纖13與發光二極體1的光路上置有 準直透鏡10，準直透鏡10後的光路9上置有分束片5。分束片5的反射光路上依次置有第 一濾光片3、第一衰減片4和第一探測器2、透射光路上依次置有第二濾光片7、第二衰減片 8和第二探測器6 ；其中，第一濾光片3和第二濾光片7分別互為氮氣體光譜段的濾光片和 二氧化碳氣體光譜段的濾光片，即，若第一濾光片3為氮氣體光譜段的濾光片，則第二濾光 片7為二氧化碳氣體光譜段的濾光片，若第一濾光片3為二氧化碳氣體光譜段的濾光片，則 第二濾光片7為氮氣體光譜段的濾光片，第一探測器2和第二探測器6分別位於暗箱11的
7內壁上。參見圖1、圖2、圖3和圖4，拉曼雷射雷達標定裝置的標定方法的工作流程如 下對標定裝置通電後，先分別由第一探測器2和第二探測器6獲得二氧化碳氣體光譜 段的光強Pl和氮氣體光譜段的光強P2 ；其中，二氧化碳氣體光譜段處的譜線為371. 7nm 或386. 7nm,現選擇為371. 7nm, 二氧化碳氣體光譜段的光強Pl的強度表達式為Pl = Ιλχ· C1,式中的Ιλχ為發光二極體在二氧化碳氣體光譜處的強度、C1為雷射雷達常數，氮 氣體光譜段處的譜線為386nm或607nm，現選擇為386nm，氮氣體光譜段的光強P2的強 度表達式為P2 = Ian · C2,式中的Ian為發光二極體在氮氣體光譜處的強度、C2為雷射雷 達常數。再分別將光強P2、Pl及其表達式中的IλΝ和Iλχ代入拉曼雷射雷達方程式，得
』方程式中白勺nx⑵為二氧化碳氣體
的濃度分布，nN(z)為氮氣體的濃度分布，ρλχ(ζ)為二氧化碳氣體的回波強度分布，ρλΝ(ζ) 為氮氣體的回波強度分布，βλχ和β λΝ分別為二氧化碳氣體和氮氣體的拉曼散射截面，其
均為常數，
為大氣修正項，包括大氣分子和氣溶膠消光的影響，由該
拉曼雷射雷達方程式得到二氧化碳氣體的濃度分布，由此二氧化碳氣體的濃度分布獲得了 如圖4所示的水平二氧化碳的分布。顯然，本領域的技術人員可以對本發明的拉曼雷射雷達標定裝置及其標定方法進 行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型 屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在 內。
權利要求
一種拉曼雷射雷達標定裝置，包括拉曼雷射雷達的接收光纖(13)，其特徵在於所述接收光纖(13)的輸出端套裝有暗箱(11)，所述暗箱(11)中接收光纖(13)的輸出埠的側面置有發光二極體(1)；所述發光二極體(1)發光的光譜範圍為涵蓋氮氣體和待標定氣體的光譜段，其輸入端與脈衝電源(12)的輸出端電連接；所述接收光纖(13)與發光二極體(1)的光路上置有準直透鏡(10)，所述準直透鏡(10)後的光路(9)上置有分束片(5)，所述分束片(5)的反射光路上依次置有第一濾光片(3)和第一探測器(2)、透射光路上依次置有第二濾光片(7)和第二探測器(6)，所述第一濾光片(3)和第二濾光片(7)分別互為氮氣體光譜段的濾光片和待標定氣體光譜段的濾光片。
2.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是發光二極體(1)發光的光 譜範圍為涵蓋氮氣體和二氧化碳氣體的光譜段，其光譜範圍為370 390nm。
3.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是發光二極體(1)發光的光 譜範圍為涵蓋氮氣體和氣溶膠的光譜段，其光譜範圍為350 390nm或530 620nm。
4.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是發光二極體(1)發光的光 譜範圍為涵蓋氮氣體和水汽的光譜段，其光譜範圍為380 420nm。
5.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是脈衝電源(12)輸出的電壓 波形為矩形，其脈衝寬度為250 400u s，頻率為10 30Hz。
6.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是第一探測器(2)和第二探 測器(6)分別位於暗箱(11)的內壁上。
7.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是第一濾光片(3)和第一探 測器(2)間的反射光路上置有第一衰減片(4)。
8.根據權利要求1所述的拉曼雷射雷達標定裝置，其特徵是第二濾光片(7)和第二探 測器(6)間的透射光路上置有第二衰減片(8)。
9.一種權利要求1所述拉曼雷射雷達標定裝置的標定方法，包括拉曼雷射雷達回波光 強的測量，其特徵在於標定步驟如下步驟1，分別由第一探測器(2)和第二探測器(6)獲得待標定氣體光譜段的光強Pl和 氮氣體光譜段的光強P2，所述待標定氣體光譜段的光強Pl的強度表達式為Pl = Iax-C1, 式中的Ιλχ為發光二極體在待標定氣體光譜處的強度、q為雷射雷達常數，所述氮氣體光譜 段的光強P2的強度表達式為P2 = IAN*C2，式中的I λΝ為發光二極體在氮氣體光譜處的強 度、C2為雷射雷達常數；步驟2，分別將光強Ρ2、Pl及其表達式中的IλΝ和Iλχ代入拉曼雷射雷達方程式，得 』方程式中的πχ⑵為待標定氣體的濃度分布，ηΝ(ζ)為氮氣體的濃度分布，Ρλχ(ζ)為待標定氣體的回波強度分布，ρλΝ(ζ)為氮 氣體的回波強度分布，βλχ和β λΝ分別為待標定氣體和氮氣體的拉曼散射截面，其均為常 為大氣修正項，包括大氣分子和氣溶膠消光的影響，由該拉曼雷射雷達方程式得到待標定氣體的濃度分布。
10.根據權利要求9所述的拉曼雷射雷達標定裝置的標定方法，其特徵是氮氣體光譜 處的譜線為386nm或607nm。
全文摘要
本發明公開了一種拉曼雷射雷達標定裝置及其標定方法。裝置為接收光纖(13)的輸出端套裝有暗箱(11)，光纖(13)輸出埠的側面置有發光光譜範圍涵蓋氮氣體和待標定氣體光譜段的發光二極體(1)，光纖(13)與發光二極體(1)光路上置有準直透鏡(10)和分束片(5)，分束片(5)的反射光路上置有第一濾光片(3)和第一探測器(2)、透射光路上置有第二濾光片(7)和第二探測器(6)；方法為將由第一探測器(2)和第二探測器(6)獲得的待標定氣體光譜段的光強P1和氮氣體光譜段的光強P2及其強度表達式中的IλN和IλX代入拉曼雷射雷達方程式，得由該方程式得到待標定氣體的濃度分布。它的結構簡單，使用方便，可用於大氣參數的定量測量。
文檔編號G01N21/65GK101923162SQ20091011697
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月9日 優先權日2009年6月9日
發明者徐之海, 曹開法, 汪少林, 王英儉, 胡歡陵, 胡順星, 範廣強, 譚錕, 趙博, 邵石生, 黃見 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所