一种中红外差分吸收激光雷达的标定方法和标定系统 |
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| 申请号 | CN201710810558.X | 申请日 | 2017-09-11 | 公开(公告)号 | CN107356915A | 公开(公告)日 | 2017-11-17 |
| 申请人 | 南京信息工程大学; | 发明人 | 卜令兵; 徐玲; 郜海阳; 蔡镐泽; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 中红外 差分吸收 激光雷达 的标定方法，该方法通过同时采用中红外差分吸收激光雷达和现有的大气污染物探测仪器对不同浓度的标准污染气体进行浓度测定，得到中红外差分吸收激光雷达和大气污染物探测仪器的测量结果之间的线性相关系数。本发明通过现有大气污染物探测仪器对中红外差分吸收激光雷达进行标定，能够提高中红外差分吸收激光雷达的测量 精度 ，同时能够获得更高的灵敏度、更远的探测距离。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种中红外差分吸收激光雷达的标定方法，其特征在于：该方法通过同时采用中红外差分吸收激光雷达和现有的大气污染物探测仪器对不同浓度的标准污染气体进行浓度测定，得到中红外差分吸收激光雷达和大气污染物探测仪器的测量结果之间的线性相关系数。 |
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| 说明书全文 | 一种中红外差分吸收激光雷达的标定方法和标定系统技术领域[0001] 本发明具体涉及一种大气污染物浓度测定用的中红外差分吸收激光雷达的标定方法。 背景技术[0002] 激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备，结合了传统雷达技术和现代激光技术，是传统的无线电或微波雷达向光学频段延伸的产物。激光雷达时空分辨率高，探测盲区小，可以探测大气中污染气体微粒光学特性垂直分布特征，较好地弥补常规探测仪器的不足。激光雷达的这些独特优点，使它成为探测研究大气污染物的有效手段。近几十年来，大气污染物研究发展很快，已成为环境监测的一个重要分支。随着现代激光雷达系统和技术的发展，激光雷达探测大气污染物技术，在大气环境、大气化学、大气辐射监测与分析以及气候预报等领域正发挥着举足轻重的作用。 [0003] 常规大气污染物监测方式主要有电化学式、催化燃烧式、半导体式和红外线式，基于这些方式的仪器探测气体种类单一，距离近，寿命短。激光气体监测技术是近些年发展起来的新型气体探测技术，特点是非接触无需采样、灵敏度高、响应时间快、可远程遥测。目前，国内外激光雷达系统中最常用的光谱技术有紫外/可见波段的差分光学吸收光谱(DOAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)、红外波段的傅里叶变换光谱(FTIR)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)等。现有技术多采用紫外、近红外固定波长激光，气体吸收在此波段较弱，激光在大气中传输距离受限。许多有毒有害气体在中红外波段具有强烈的吸收峰(比可见光和近红外波段吸收高几个数量级)，利用中红外波段可以获得更高的灵敏度、更远的探测距离。 [0004] 为此，在现有仪器基础上，对中红外差分吸收激光雷达所测数据准确性进行标定对后续实际应用至关重要。 发明内容[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种中红外差分吸收激光雷达的标定方法，该方法通过同时采用中红外差分吸收激光雷达和现有的大气污染物探测仪器对不同浓度的标准污染气体进行浓度测定，得到中红外差分吸收激光雷达和大气污染物探测仪器的测量结果之间的线性相关系数。 [0007] 进一步的，标定方法包括吸收池标定，具体步骤为： [0008] (1)向吸收池和气球中充入不同浓度的标准污染气体，并保证每次测量时，吸收池和气球内气体浓度一致； [0009] (2)采用大气污染物探测仪器测定气球内气体浓度值，作为参照浓度； [0010] (3)中红外差分吸收激光雷达发出光路分为两路，一路通过吸收池进入第二功率计，另一路直接进入第一功率计，通过第一功率计值和第二功率计值计算吸收池内相应的气体浓度，作为测量浓度； [0011] (4)对参照浓度和测量浓度进行拟合，得出两者之间的线性相关系数。 [0012] 进一步的，上述标定方法还包括开阔地带标定，具体步骤为： [0013] (1)选择开阔地带作为标定地点，放置中红外差分吸收激光雷达以及现有的大气污染物探测仪器； [0014] (2)调节中红外差分吸收激光雷达，使其水平发射激光；在不同测量条件下采用大气污染物探测仪器和中红外差分吸收激光雷达同时进行标准污染气体的浓度测量；测量条件为：未释放污染气体、不同浓度标准污染气体由低浓度至高浓度依次释放；不同浓度标准污染气体的释放位置均为大气污染物探测仪器位置处；根据测量结果分别绘制大气污染物探测仪器和中红外差分吸收激光雷达的测量浓度廓线； [0015] (3)根据步骤(2)得到的大气污染物探测仪器和中红外差分吸收激光雷达的测量浓度廓线，得出两测量结果之间的线性相关系数。 [0017] 本发明还提供了采用上述标定方法的标定系统，包括中红外差分吸收激光雷达、分束镜、吸收池、第一功率计、第二功率计、电脑、气球、气体袋、大气污染物探测仪器；充气时，所述气体袋的出气端分别连接吸收池和气球；所述中红外差分吸收激光雷达发射激光通过分束镜分为两路，一路经过吸收池后进入第一功率计，另一路直接进入第二功率计，第一功率计和第二功率计分别连接电脑；所述大气污染物探测仪器与气球相连。 [0018] 其中，大气污染物探测仪器采用高灵敏度热电仪或便携式氮氧化物。 [0019] 高灵敏度热电仪测量分辨率为0.01ppm、准确度为满量程±2％。 [0020] 吸收池为短光程气体吸收池，光程长度为500毫米、容积157毫升，窗片直径12.7毫米。 [0021] 本发明相比现有技术具有以下优点： [0023] 图1为本发明吸收池标定的系统结构示意图； [0024] 图2为本发明开阔地带标定的系统结构示意图。 [0025] 图中，1-中红外差分吸收激光雷达，2-吸收池，3-第一功率计，4-第二功率计，5-电脑，6-大气污染物探测仪器，6A-高灵敏度热电仪，6B-便携式氮氧化物检测仪，7-气球，8-气体袋，9-硬靶，10-分束镜。 具体实施方式[0026] 本发明提供一种能够对中红外差分吸收激光雷达系统测量灵敏度、准确性进行定标的方法，该方法是以测量分辨力为0.01ppm、准确度为满量程±2％的热电仪与便携式氮氧化物检测仪的测量结果作为参考，定标精度高、相对误差小。 [0027] 为了更好的说明本发明涉及到的标定方法，下面分两部分结合附图对本发明进行详细说明。第一部分为吸收池内标准浓度标定，在已知气体浓度情况下测量中红外差分吸收激光雷达与现有的大气污染物探测仪器(热电仪、便携式氮氧化物检测仪)测量结果相关系数，为后续测量能力标定奠定基础；第二部分为开阔地带标定，分为释放二氧化氮气体与不释放二氧化氮气体，确认中红外差分吸收激光雷达测量准确性和灵敏度，对中红外差分吸收激光雷达测量精度进行标定。 [0029] (一)吸收池内标准浓度标定： [0030] 步骤： [0031] (1)拟做实验前，分别按照仪器使用需求提前进行仪器各部件测试前准备工作，在本定标方法中各仪器(高灵敏度热电仪6A，便携式氮氧化物检测仪6B和中红外差分吸收激光雷达1)按如图1所示安置。使用真空泵将吸收池2内空气排空，将吸收池2安置于图中位置。各仪器处于可工作状态，系统状态稳定后，使用波长计测量激光波长，确保激光波长稳定；其中中红外差分吸收激光雷达1发射激光通过分束镜10为两路，一路经过吸收池2后进入第一功率计3，另一路直接进入第二功率计4，第一功率计3和第二功率计4分别连接电脑5，进入数据采集系统； [0032] (2).在均衡气压、温度状态下，测吸收池、气球7未充入污染气体时仪器显示值，多次测量取平均值作为后续测量过程中的零点误差x01与y01； [0033] (3).通过装有二氧化氮气体的气体袋8向吸收池2、气球7内充入分别充入不同浓度的标准污染气体，浓度值由低到高改变，最初充入浓度值接近定标仪器高灵敏度热电仪6A、便携式氮氧化物检测仪6B中测量分辨率值较小值，且充入气体浓度采用二分法改变直到中红外差分吸收激光雷达1所测浓度值与高灵敏度热电仪6A、便携式氮氧化物检测仪6B接近，由此，多次测量取最小值作为确认中红外差分吸收激光雷达测量灵敏度S1； [0034] (4).记录相同时刻下高灵敏度热电仪6A、便携式氮氧化物检测仪6B浓度值及吸收池前后第一功率计3和第二功率计4值，计算吸收池5分钟内透过率平均值计算相应气体浓度值及激光波长，整个过程要确保压强、温度接近于吸收池内未充入污染气体时的压强、温度； [0035] (5).对测量浓度和实际浓度进行拟合，分别得出中红外差分吸收激光雷达1与高灵敏度热电仪6A、便携式氮氧化物检测仪6B两两线性相关系数，分析系统测量结果准确性。 [0036] 算法： [0037] (1).如上述测量步骤所述，通过测得雷达发射光路分光后两光路各自功率P1，P2,计算标准气体吸收池在on,off波长上的透过率 [0038] [0039] [0040] 其中σon，off为气体分子吸收截面，NL为Loschimite常数2.687×1019为单位体积内气体分子数浓度，ε为污染气体所占总气体体积百分比，L为吸收池光程长。P(R)为环境压强，T(R)为环境温度。 [0041] (2)计算测量光路分光比 [0042] [0043] (3)计算实测空气体吸收池透过率 [0044] [0045] (4)计算实测充气气体吸收池透过率 [0046] [0047] (5)计算实测气体池浓度x [0048] 根据(1)式中公式，令τ0＝τ2，计算出Nm，即气体的数浓度，根据分子量及阿伏伽德罗常数将气体的数浓度转化为单位mg/m3的浓度值x。 [0049] (6)利用线性回归公式，计算中红外差分吸收激光雷达与热电仪、便携式氮氧化物检测仪测量浓度线性相关系数r。 [0050] xi＝x-x01yi＝y-y01 [0051] [0052] 其中，x、y为中红外差分吸收激光雷达和热电仪(或便携式检测仪)测量二氧化氮浓度显示值； [0053] xi、yi为两仪器本底修正后测量值； [0054] x0为充入吸收池内污染气体浓度； [0055] x01和y01分别为中红外差分吸收激光雷达与热电仪(或便携式检测仪)本底测量值； [0056] n为测量次数。 [0057] (二)开阔地带标定： [0058] 步骤： [0059] (1)、选择较为开阔地带作为定标地点，可便于放置系统，按图2所示安置定标仪器。设置目标硬靶9间距离为30米，如校园篮球场，且可在夜间开展定标，可避免闲杂人员对实验造成的干扰； [0060] (2).根据各仪器使用要求，提前将中红外差分吸收激光雷达系统及测量仪器安置测量环境中，在中红外差分吸收激光雷达1打向硬靶9目标方向上等距离设置其他两种测量仪器6(高灵敏度热电仪或便携式氮氧化物检测仪)安置点，均连接妥善后才可开启三台仪器，并分别标定使用仪器进行校准，且通过硬靶9保证中红外差分吸收激光雷达水平发射激光； [0061] (3).确保三台仪器在可测量状态下，以30米间隔移动硬靶目标，在热电仪、便携式检测仪放置处释放二氧化氮气体，测量条件由未释放污染气体、气体低浓度到气体高浓度依次释放，且在每一硬靶移动位置后释放不同浓度气体，三种仪器均测量10分钟气体浓度值，为使得浓度阔线趋势变化趋于实测值，将最终测量平均值作为测量值； [0062] (4).在考虑到零点误差和仪器间相关系数后，利用单点测量浓度值绘制具有距离分辨率的浓度廓线，对比三种测量仪器的结果，分析系统测量准确性、灵敏度及污染气体在大气中的时间空间分布规律，得出仪器间测量结果线性相关系数。 [0063] 算法： [0064] (1).当差分吸收激光雷达在测量路径浓度时，雷达方程可以表示为： [0065] [0066] 其中，Pt是峰值功率，c为光速，τ为激光雷达系统透过率，A望远镜面积，η接收系统效率，β(R)大气后向散射系数，α(R)大气消光系数，C为待测气体浓度，L为气体吸收光程，γon，off为气体分子吸收系数，R是探测距离。通常将CL看成一个变量，成为浓度光程积，也可称C为该光程下气体平均浓度。 [0068] ①选择远距离处信号(2～3km)作为背景信号进行逐点扣除； [0069] ②采用滑动平滑、小波去噪等算法对信号进行去噪平滑； [0070] (3).对经过预处理的信号采用比值法反演气体的平均浓度或浓度光程积，公式如下： [0071] [0072] 其中，C代表气体路径平均浓度，CL为浓度光程积，Δγ为气体分子的差分吸收系数，Pon和Poff为两波长回波功率。T项为大气消光误差项。 [0073] (4).将气体路径平均浓度C作为测量浓度值x，利用线性回归公式，计算中红外差分吸收激光雷达与热电仪(便携式检测仪)测量浓度线性相关系数r。 [0074] xi＝x-x01yi＝y-y01 [0075] [0076] 其中，x、y为中红外差分吸收激光雷达和热电仪(便携式检测仪)测量二氧化氮浓度显示值；xi、yi为两仪器本底修正后测量值； [0077] x0为充入吸收池内污染气体浓度； [0078] x01和y01分别为中红外差分吸收激光雷达与热电仪(便携式检测仪)本底测量值； [0079] n为测量次数。 |
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