[发明专利]测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线的激光雷达系统

说明书

一种同时测量大气中甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，该装置包括激光发射模块：1645nmonline种子激光器，1645nmoffline1种子激光器，1645nmoffline2种子激光器，1064nm泵浦激光器，激光器锁频模块，光参量振荡器，倍频模块和发射光学组件；回波接收模块：积分球模块，光学接收望远镜组件，分光镜，滤光器组件1，滤光器组件2，光电探测器1和光电探测器2；数据采集与处理模块。本发明利用甲烷和水汽吸收线的倍频关系，简化双波段多波长激光器的复杂结构，采用种子注入光参量振荡器技术，获得高频率稳定性的1645nm基频光，再经过倍频得到822nm的激光，分别利用差分吸收激光雷达(DIAL)和积分路径差分吸收(IPDA)技术可以测量大气中水汽的廓线浓度和甲烷的柱浓度。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是一种测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统。

背景技术

大气遥感探测设备一般包括被动遥感设备和主动遥感设备，被动遥感设备可以同时反演多种气体的信息，但依赖于太阳光的辐射，无法进行全天时探测，而且容易受云和气溶胶的影响，因此测量精度较低。而激光雷达技术在测量气体成份浓度方面具有较大的优势，大气水汽廓线的探测激光雷达，主要有拉曼散射激光雷达和差分吸收激光雷达两种，拉曼激光雷达比差分吸收激光雷达的系统复杂性方面具有优势，但因为拉曼散射的散射截面太小，导致回波信号较弱，不适宜星载的长距离应用。主动遥感的激光雷达设备具有可连续探测、精度高、时空分辨率高等优势，但由于激光雷达设备需要发射与对应气体成份的吸收、散射等特性相关波长的激光，且差分吸收激光雷达对于激光具有窄线宽、高光谱纯度的特性要求，因此传统的差分吸收激光雷达只能测量一种气体。而测量多种气体的差分吸收激光雷达往往是多个分立的激光光源组合而成，增加了系统的复杂性和造价。

发明内容

本发明为了克服主动探测激光雷达的上述问题和难点，利用甲烷和水汽吸收线的倍频关系，提出一种测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统。

本发明技术解决方案如下：

一种测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特点在于，包括激光发射模块、回波接收模块和数据采集与处理模块，

所述的激光发射模块包括：1645nm在线种子激光器、第一1645nm离线种子激光器、第二1645nm离线种子激光器、1064nm泵浦激光器、激光器锁频模块、光参量振荡器、倍频模块和发射光学组件；上述元部件的位置关系如下：所述的1645nm在线种子激光器、第一1645nm离线种子激光器、第二1645nm离线种子激光器将输出种子光注入所述的光参量振荡器作为起振种子光，所述的1064nm泵浦激光器输出的1064nm泵浦光注入所述的光参量振荡器作为光参量振荡器的泵浦源，所述的激光器锁频模块的输出端与所述的光参量振荡器第二输入端相接，通过动态调节腔长锁定所需的频率，所述的光参量振荡器产生的1645nm基频光并进入所述的倍频模块中，产生倍频的822nm倍频激光和剩余的1645nm基频光，经所述的发射光学组件进入大气，上述组件构成激光发射模块；

所述的回波接收模块包括积分球模块、光学接收望远镜组件、分光镜、第一滤光器组件、第二滤光器组件、第一光电探测器和第二光电探测器；所述的发射光学组件分出部分光进入所述的积分球模块对出射激光进行能量监测，经过大气吸收的激光回波信号进入所述的光学接收望远镜组件接收，所述的分光镜将所述的激光回波信号分为1645nm的信号和822nm的信号的两路光，其中第一路1645nm的信号光经过所述的第一滤光器组件后被所述的第一光电探测器接收，第二路822nm的信号光经过所述的第二滤光器组件后被所述的第二光电探测器接收，上述组件构成回波接收模块；

所述的数据采集与处理模块与所述的回波接收模块相连，包括采集卡、计算机等，负责激光雷达系统后续数据采集与运算。