[发明专利]多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置

说明书

本发明公开了一种多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置，该激光雷达装置包括激光发射单元：能同时发射1572nm、1064nm和532nm三个波长激光的双脉冲激光器和发射扩束镜；接收望远镜系统；视轴监测模块；光电探测单元；数据采集处理单元。本发明在一套激光雷达系统中利用一套同时输出三波长激光的激光器，同时采用了光学差分吸收方法和高光谱分辨探测方法，可以同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线，在高精度获取温室气体二氧化碳的浓度同时实现气溶胶的高精度监测。

技术领域

本发明属于激光雷达领域，尤其涉及多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置。

背景技术

二氧化碳气体是影响全球气候变暖的主要气体，气溶胶影响大气能见度，对地球的辐射平衡有直接和间接作用，同时也影响全球气候变化，因此同时研究并长期实时观测二氧化碳气体浓度变化及气溶胶垂直廓线对气象预测、全球辐射平衡及大气污染有重大意义。大气探测激光雷达是研究大气二氧化碳浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，然而大多数激光雷达系统只能探测一种气体且由于系统重量、体积限制等因素只能用于地基测试。能够同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线并且可以进行机载或星载探测实现全天实时大范围测量的激光雷达系统还未出现。

发明内容

本发明的目的在于克服一个气体测量雷达装置只能测量一种气体的不足，提供一种可以同时测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的多波长激光雷达系统装置。该装置适用于地基、机载和星载平台，可以实现高精度、高分辨率气体浓度测量，同时可以满足全天实时大范围测量的需求。

本发明的基本原理是基于种子注入技术结合锁频、非线性光学技术获得多个波长(532/1064/1572nm)的光源。通过测量1572nm的online和offline光的发射能量和接收能量，结合距离信息利用积分路径差分吸收的方法获得大气二氧化碳浓度，利用高光谱分辨探测的方法获得气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线，同时利用激光飞行时间测量方法获得目标的距离。

本发明技术解决方案如下：

一种多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统，包括1064nm种子激光器，1572nm种子激光器，三波长激光器(532/1064/1572nm)，发射扩束镜，接收望远镜系统，视轴监视模块，中继光学单元，光电探测单元，积分球，准直镜，第一分光镜，第二分光镜，第三分光镜，数据采集处理单元、反光镜；光电探测单元，包括第四分光镜，第五分光镜，第六分光镜，1572nm探测光学单元，1064nm探测光学单元，532nm偏振探测光学单元，532nm高光谱探测光学单元，532nm平行偏振探测光学单元，窄带滤波器，偏振分光镜，高光谱滤波器，1572nm探测器，1064nm探测器，532nm偏振接收探测器，532nm高光谱接收探测器，532nm平行偏振接收探测器。上述元部件的位置关系如下：

所述的1064nm种子激光器、1572nm种子激光器输出端口通过光纤与三波长激光器的输入端口相连，所述的三波长激光器发出的1572nm光束经所述的第一分光镜分为两路光束，一路光经第二分光镜分为两路光束后其中一路经所述的积分球、准直镜射入所述的光电探测单元而另一路光经所述的反光镜后射入所述的视轴监视模块，另一路光与三波长激光器发出的532nm、1064nm光束同时经所述的发射扩束镜入射到大气中，大气或地面散射的532/1064/1572nm三波长回波信号经所述的接收望远镜系统接收后被视场分割的第三分光镜分为两路光束，一路光射入所述的视轴监视模块，另一路光经所述的中继光学单元射入所述的光电探测单元，所述的光电探测单元的输出端与数据采集处理单元的输入端相连。