基于ccd成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣污染測量方法領(lǐng)域，具體是一種基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣 邊界層污染氣體的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣污染氣體是大氣物理、天氣預(yù)報(bào)以及大氣環(huán)境研究中一個(gè)重要的氣象參數(shù)。 目前比較常用的手段有氣球探空、衛(wèi)星反演和激光雷達(dá)探測。激光雷達(dá)在探測精度、空間 分辨率和時(shí)間分辨率上的優(yōu)勢使其越來越受到科學(xué)技術(shù)人員的重視。目前，人們?yōu)榱颂綔y 大氣中污染氣體的空間分布廓線，常常采用多波長差分吸收激光雷達(dá)的方法。如中國科學(xué) 院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所的一項(xiàng)發(fā)明專利CN 1877308A(授權(quán)公告日為2006年12月13 日）中敘述的一種"基于拉曼光源的車載測污激光雷達(dá)裝置"。該裝置采用一臺Nd: YAG激 光器分時(shí)栗浦不同的拉曼管產(chǎn)生不同的受激拉曼波長用來探測污染氣體。但是所有的差分 吸收激光雷達(dá)都存在幾何因子的問題。由于差分吸收激光雷達(dá)發(fā)射的兩個(gè)光束的光學(xué)質(zhì)量 不能完全相同以及和能量分布的不均勻性，導(dǎo)致兩個(gè)光束的幾何因子不一致，進(jìn)而導(dǎo)致幾 何因子區(qū)數(shù)據(jù)反演的誤差增大或者完全失效。而大氣污染的測量近地面層的空間分布狀況 是最重要的監(jiān)測范圍。因此，激光雷達(dá)在近端數(shù)據(jù)的反演和運(yùn)用都受到巨大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝 置，以實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)近端數(shù)據(jù)的反演和運(yùn)用。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0005] 基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，其特征在于：采用激光 發(fā)射器、C⑶成像系統(tǒng)，所述C⑶成像系統(tǒng)包括成像鏡頭、濾波器、像增強(qiáng)器、C⑶成像芯片， 利用激光發(fā)射器垂直向上向大氣發(fā)射兩束差分波長的激光光束，其中一個(gè)激光光束波長對 應(yīng)所測污染氣體的強(qiáng)吸收線，另一個(gè)激光光束波長對應(yīng)所測污染氣體的弱吸收線，并由大 氣產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向散熱光，側(cè)向散熱光在在角度α范圍內(nèi)被CCD成像系統(tǒng)中成像鏡頭接 收，再依次通過CCD成像系統(tǒng)中濾光器去除大氣背景散射光、像增強(qiáng)器放大光信號強(qiáng)度后， 由CCD成像芯片采集圖像信息，將CCD成像系統(tǒng)各像素的偏角Θ、角寬度d0和CCD成像系 統(tǒng)與激光發(fā)射器發(fā)射的光束之間的垂直距離D代入CCD成像激光雷達(dá)方程之中，CCD成像 激光雷達(dá)方程為：
[0008] 由公式（1)、（2)反演計(jì)算出大氣邊界層污染氣體的垂直廓線，公式（1)、（2)中，C 為激光雷達(dá)常數(shù)，Pc是發(fā)射激光波長的功率，β是側(cè)向散射系數(shù)，T v、Tr分別為激光雷達(dá)發(fā)
[0006]
[0007] 射路徑和接收路徑的透過率。
[0009] 所述的基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，其特征在于：所 測量的污染氣體有03, S02和N02,其中測量臭氧時(shí)，差分吸收波長對為280nm和290nm，測 量S02時(shí)，差分吸收波長對為300nm和301. 5nm，測量N02時(shí)，差分吸收波長對為446. 8nm和 448. Inm0
[0010] 所述的基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，其特征在于：激 光發(fā)射器發(fā)射的兩束激光光束可米用分時(shí)交替發(fā)射；或者米用同時(shí)發(fā)射，要求發(fā)射方向?yàn)?垂直向上，相互平行，間距大于20mm。
[0011] 所述的基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，其特征在于：所 述側(cè)向散射光的測量角度α和測量裝置的放置角度滿足從激光發(fā)射端到無窮遠(yuǎn)處的激光 光束成像，即測量角度α大于90°。
[0012] 所述的基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，其特征在于：所 述濾光器的光學(xué)透射譜和像增強(qiáng)器的光譜范圍包含差分吸收需要的兩個(gè)波長。
[0013] 本發(fā)明的裝置消除了后向散射式差分吸收激光雷達(dá)的測量盲區(qū)，提高了大氣邊界 層污染氣體的測量精度和可靠性，對于研究大氣邊界層污染氣體具有十分重要的意義和實(shí) 用性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2為激光光柱的成像示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 如圖1所示，基于CCD成像激光雷達(dá)測量大氣邊界層污染氣體的裝置，采用激光 發(fā)射器1、C⑶成像系統(tǒng)，C⑶成像系統(tǒng)包括成像鏡頭5、濾波器6、像增強(qiáng)器7、CXD成像芯 片8,利用激光發(fā)射器1垂直向上向大氣發(fā)射兩束差分波長的激光光束2、3,其中一個(gè)激光 光束波長對應(yīng)所測污染氣體的強(qiáng)吸收線，另一個(gè)激光光束波長對應(yīng)所測污染氣體的弱吸收 線，并由大氣產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向散熱光，側(cè)向散熱光在在角度α范圍4內(nèi)被CCD成像系統(tǒng)中 成像鏡頭5接收，再依次通過CCD成像系統(tǒng)中濾光器6去除大氣背景散射光、像增強(qiáng)器7放 大光信號強(qiáng)度后，由CCD成像芯片8采集圖像信息，將CCD成像系統(tǒng)各像素的偏角Θ、角寬 度d Θ和CCD成像系統(tǒng)與激光發(fā)射器1發(fā)射的光束之間的垂直距離D代入CCD成像激光雷 達(dá)方程之中，C⑶成像激光雷達(dá)方程為：
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[0018]
[0019] 由公式⑴、⑵反演計(jì)算出大氣邊界層污染氣體的垂直廓線，公式⑴、⑵中，C 為激光雷達(dá)常數(shù)，Pc是發(fā)射激光波長的功率，β是側(cè)向散射系數(shù)，T v、Tr分別為激光雷達(dá)發(fā) 射路徑和接收路徑的透過率。
[0020] 所測量的污染氣體有03, S02和N02,其中測量臭氧時(shí)，差分吸收波長對為280nm 和290nm，測量S02時(shí)，差分吸收波長對為300nm和301. 5nm，測量N02時(shí)，差分吸收波長對 為 446. 8nm 和 448. lnm。
[0021] 激光發(fā)射器1發(fā)射的兩束激光光束2、3可采用分時(shí)交替發(fā)射；或者采用同時(shí)發(fā)射， 要求發(fā)射方向?yàn)榇怪毕蛏?，相互平行，間距大于20mm。
[0022] 側(cè)向散射光的測量角度α和測量裝置的放置角度滿