一种同时测量大气中多种污染气体浓度的方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种同时测量大气中多种污染气体浓度的方法。

背景技术

近几十年来，随着现代工业技术和科学技术的发展，大量的工厂、车辆等排放各种废气，环境污染日益严重。监测大气中非正常浓度的化学物质的技术对于保障人类和环境的健康、安全和保障至关重要。因此，结合现代技术手段，建立快速、同步的大气污染气体遥感系统显得尤为重要。这是大气质量监测的一个重要方面，目的是帮助减少大气污染对人类的危害，同时检测泄漏和逃逸气体，以便在空气中异常释放的情况下迅速做出反应。

目前，实现远距离探测的激光雷达技术主要包括后向散射雷达技术、差分吸收激光雷达技术、拉曼光谱技术、可调谐半导体激光吸收技术、激光诱导荧光技术等。相对于其它探测方法，差分吸收激光雷达因具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点，可用于大范围大气污染体的遥测。绝大多数的大气污染气体，在5～12μm的红外波段都具有非常典型的吸收谱带。差分吸收激光雷达利用气体的特征吸收谱来对大气污染气体进行远距离探测。传统的差分吸收激光雷达采用双波长进行测量，对特定气体进行探测。差分吸收激光雷达采用多台激光器同时或在一定时间间隔内沿同一路径发出两种特定波长的光束，其中一个波长称为为共振波长(波长λ

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对上述现有技术的不足之处，提供一种精确度高、计算简单的多种大气污染气体浓度测量方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种同时测量大气中多种污染气体浓度的方法，包括如下步骤：

在雷达工作中，通过一台可调谐激光器发射j对(λ

本发明适用于多波长差分吸收激光雷达系统，不局限于差分吸收激光雷达工作方式，长程差分吸收和距离分辨率差分吸收均适用。

探测气体种类取决于发射激光波长是否具有非常典型的吸收特性，探测气体对该波长有吸收特性才能探测浓度。

建立多种类气体浓度计算矩阵，保持发射波长尽可能靠近，以最大限度地减少由于每对波长中两个波长的大气散射和衰减的差异而导致的测量误差。

发射激光波长对数量应大于等于待测气体的种类数。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的同时测量大气中多种污染气体浓度的方法，具有以下优点：

(1)同时探测多种气体。本发明通过多波长激光雷达得到待测气体对不同的波长的吸收特性，从而同时探测多种气体，计算出气体的浓度，大大提高了测量效率，减少成本。

(2)计算简单。本发明计算过程仅仅是进行了几次矩阵计算，因此，运算量小，计算简单。

(3)本发明利用激光雷达方程，通过矩阵计算的方法来计算出多种气体的浓度，同时探测多种气体，提高了探测气体的能力，解决了现有技术针对单一气体探测的问题。

(4)本发明利用基于HITRAN数据库进行仿真。仿真结果表明，该方法能够探测多种气体和计算出多种气体浓度，并且和预设的气体浓度值比较，误差较小，验证了该发明的可行性和正确性。

(5)本发明适用于任何多波长差分吸收激光雷达气探测体方法。

附图说明

图1为本发明所涉及的多波长差分吸收激光雷达探测示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明以一套通用多波长差分吸收激光雷达系统为例，设计一种测量大气中多种污染气体浓度的系统，参照图1所示，该系统主要包括激光雷达发射系统2，激光雷达接收系统3以及主控系统。其中，激光雷达发射系统包括可调谐激光器、光学系统、发射能量探测模块。雷达接收系统包括接收光学系统、光电探测器和信号采集卡。主控系统使用计算机分别与光雷达发射系统2、激光雷达接收系统3连接，控制激光雷达系统，获取激光信号强度和接收信号强度，完成大气污染气体浓度计算。

整个系统多种大气污染气体浓度探测流程为：根据待测污染气体特性选择j对发射激光波长，每队发射激光波长记为(λ

多种大气污染气体反演方法改进。

根据差分吸收激光雷达方程，单脉冲回波接收功率P(λ

其中P

由于发射每对激光波长相近，它们的目标发射率相近，可以认为后向散射、大气单向透射系数和系统对大气中气溶胶和分子的响应相似，根据每对激光(λ

其中，

其中，发射j对(λ

用本发明测量气体浓度时，需保持发射波长尽可能靠近，以最大限度地减少由于每对波长中两个波长的大气散射和衰减的差异而导致的测量误差。

本发明通过多波长激光雷达得到待测气体对不同的波长的吸收特性，从而同时探测多种气体，计算出气体的浓度，解决了传统差分吸收激光雷同时探测种类少的难题。本发明的结果HITRAN数据库进行仿真，在仿真中，利用HITRAN数据库产生多种混合气体数据，通过本发明的方法计算得到了多种气体的浓度值，并且和预设的气体浓度值对比，误差较小，证明本发明是可靠有效的。本发明可有效帮助减少大气污染对人类的危害，同时检测泄漏和逃逸气体，以便在空气中异常释放的情况下迅速做出反应，广泛用于环境保护与监测等相关领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。