[发明专利]一种基于光丝激光的大气组分探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及天基大气环境监测领域，特别涉及一种基于光丝激光的大范围、高精度、多组分的大气污染物的探测方法。

背景技术

传统的星载大气污染监测装置依赖光谱成像和激光雷达技术。装置主要分为两类。一类通过激光雷达技术测量特定波长吸收率，监测以CO₂为主的温室气体。激光雷达可以远程测量吸收谱，从而实现大气污染成分检测。由于每种气体只吸收特定波长激光，如果测量多组分气体时，需要搭载多个激光雷达载荷，当目标大气污染物较多时，该技术方案实施具有不可克服的局限性。而且，在监测突发安全事件所释放大气污染物时，由于污染物不一定是载荷预设目标监测对象，基于吸收谱测量的激光雷达技术就无能为力了。

另一类技术则是通过光谱分辨或偏振分辨的光谱成像结果反演气溶胶为主的细颗粒物(雾霾)的地理分布、浓度和平均颗粒直径等大气污染信息。此类技术只能监测雾霾的物理特性，而不能检测污染物化学组分信息。

传统的探测装置无法实现对大气多组分污染物的实时监测，无法识别不明污染物和检测各种具有复杂形态的污染物的化学成分，难以实现对于雾霾等空气污染成分的准确监测以及在第一时间发现火山爆发、地质灾害、战争或火灾等突发事件直接或间接产生的多种复杂形态污染物和大分子有毒有害气态物质。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

克服现有技术的缺点，提出一种基于光丝激光的大气组分探测系统，利用超快激光产生的光丝激光对大气组分进行大范围、垂直连续、实时快速的监测。

本发明的技术解决方案是：

一种基于光丝激光的大气组分探测系统，包括：飞秒激光器、光丝调控装置、光谱分辨装置和污染物分析装置；

飞秒激光器，用于生成超快激光，并将所述超快激光导入光丝调控装置；

光丝调控装置，用于基于所述超快激光，产生光丝激光，并向大气发射所述光丝激光，使得光丝激光与大气内物质相互作用，产生荧光信号；

光谱分辨装置，用于收集所述荧光信号，并对所述荧光信号进行光谱分析；

污染物分析装置，用于根据光谱分析结果，识别气体种类和浓度。

根据本发明的一个实施例，所述飞秒激光器包括飞秒激光振荡器、飞秒激光展宽器、飞秒激光放大器和飞秒激光压缩器；

飞秒激光振荡器，用于通过绿光激光泵浦，产生种子激光，并将所述种子激光导入飞秒激光展宽器；

飞秒激光展宽器，对所述种子激光进行相位展宽，并将展宽的种子激光导入飞秒激光放大器；

飞秒激光放大器，在不超过光学元件损伤阈值的情况下，放大所述展宽的种子激光的功率；

飞秒激光压缩器，对放大功率后的展宽的种子激光进行压缩，生成超快激光。

根据本发明的一个实施例，所述光丝调控装置包括脉冲时间啁啾调控装置、激光空间相位调控装置和辅助激光脉冲装置；

脉冲时间啁啾调控装置，通过光栅对对超快激光的大气传输色散进行预补偿，并增大脉冲宽度，提高超快激光的峰值功率；

激光空间相位调控装置，用于调节超快激光的空间光强分布，产生光丝激光的阵列，并延长光丝激光的长度，提高光丝激光产生的荧光信号的强度和鲁棒性；

辅助激光脉冲装置，用于通过辅助脉冲，提高光丝激光产生的荧光信号强度。

根据本发明的一个实施例，所述激光空间相位调控装置包括反射式空间光调制器和二元光学相位板；

反射式空间光调制器，用于调节超快激光的波前相位和曲率半径，以获得均匀的汇聚光斑；

二元光学相位板，基于所述均匀的汇聚光斑产生光丝激光的阵列，并通过对光丝激光阵列的几何特征进行调控，来延长光丝激光的长度，提高光丝激光产生的荧光信号的强度和鲁棒性。

根据本发明的一个实施例，所述几何特征包括光丝激光阵列的光丝激光数目、分布形状和光丝激光之间的间距。

根据本发明的一个实施例，所述辅助脉冲是纳秒脉冲。

根据本发明的一个实施例，所述光谱分辨装置包括背向荧光收集器、光谱仪和探测器；

背向荧光收集器，用于收集所述荧光信号；

探测器，用于捕获所述荧光信号；

光谱仪，用于对所述荧光信号进行光谱分析。

根据本发明的一个实施例，所述背向荧光收集器是反射镜。

根据本发明的一个实施例，所述工业相机是电子倍增电荷耦合装置或增强电荷耦合装置。

根据本发明的一个实施例，污染物分析装置根据光谱分析结果，使用人工神经网络方法来识别气体种类和浓度。