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原文传递一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达

专利名称：	一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达
摘要：	本发明公开了一种环境气体的扫描探测方法及激光雷达，包括：在电压‑频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压；根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对第i控制电压进行微调以对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定；将扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；采集待测环境的气体回波信号，以获取第一频率点至第N频率点相应的气体吸收数据；根据气体吸收数据确定待测类型的气体的浓度分布信息。通过波长可调谐连续激光器实现环境气体的扫描探测，降低激光雷达对光源的要求；在扫描探测过程中对扫描连续光的频率进行锁定，提高扫描探测精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中国科学技术大学
发明人：	夏海云;余赛芬;岳斌;上官明佳;章振;窦贤康
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910440252.9
公开号：	CN110031427A
代理机构：	北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：	王宝筠
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	230026 安徽省合肥市包河区金寨路96号
主权项：	1.一种环境气体的扫描探测方法，其特征在于，包括：在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境；采集所述待测环境的气体回波信号，以获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据；根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。 2.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。 3.根据权利要求2所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号包括：按照所述逼近算法对第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，待连续锁定次数达到90-110后，采集所述第i频率点相应的所述待测环境的气体回波信号。 4.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，采集所述待测环境的气体回波信号包括：通过脉冲累积方式采集所述待测环境的气体回波信号。 5.根据权利要求4所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，定义每一所述频率点的锁定过程为一扫描台阶；其中，自相应所述吸收谱线的中心的扫描台阶至相应所述吸收谱线的两翼处的扫描台阶方向，扫描台阶相应的脉冲累积时间呈减小趋势。 6.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息，包括：根据所述气体吸收数据获得不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线；对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合；通过查找数据库方式自拟合后的气体吸收线中获得不同距离处所述待测类型的气体的浓度信息。 7.根据权利要求6所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合为：通过galatry函数对不同距离处所述待测类型的气体的气体吸收线进行拟合。 8.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，所述第一频率点至所述第N频率点中任意相邻两个频率点的间隔相等。 9.根据权利要求1所述的环境气体的扫描探测方法，其特征在于，所述预设波长扫描范围为根据所述待测类型的气体标定后的波长扫描范围。 10.一种环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，包括：波长可调谐连续激光器、控制处理模块和探测模块；所述控制处理模块用于在电压-频率扫描曲线上选择第一频率点至第N频率点，及与各个频率点相应第一控制电压至第N控制电压，其中，所述电压-频率扫描曲线为所述波长可调谐连续激光器的预设波长扫描范围内其接入的控制电压及输出相应频率的关系曲线，且所述预设波长扫描范围覆盖待测类型的气体的吸收谱线，N为不小于2的整数；并根据第i控制电压控制波长可调谐连续激光器输出扫描连续光，同时对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，i为不大于N的正整数；以及，所述探测模块用于将所述扫描连续光斩波后得到的扫描脉冲光进行放大后出射至待测环境，并接收所述待测环境的气体回波信号；且所述控制处理模块采集所述待测环境的气体回波信号，且根据所述待测环境的气体回波信号获取所述第一频率点至所述第N频率点相应的气体吸收数据，根据所述气体吸收数据确定所述待测类型的气体的浓度分布信息。 11.根据权利要求10所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，控制处理模块对所述第i控制电压进行微调以对所述第i频率点相应扫描连续光的频率进行锁定，包括：监测所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的检测连续光和飞秒激光器输出的飞秒激光的实际拍频频率，其中，所述检测连续光和所述扫描连续光为所述波长可调谐连续激光器在所述第i控制电压下输出的连续光的分束光；采用逼近算法，在所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异大于允许相对偏差值时，对所述第i控制电压进行增大调节，且在将所述第i控制电压增大调节的过程中，所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异连续预设次数大于所述允许相对偏差值时，对调节后的所述第i控制电压进行减小调节，直至所述实际拍频频率与锁定拍频频率的差异在所述允许相对偏差值范围内。 12.根据权利要求11所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述控制处理模块包括：计算机、第一分束器、第一合束器、平衡探测器、计数器、探测器和采集卡；及，所述探测模块包括：斩波器、第一激光放大器、第二激光放大器、激光发射系统和望远镜；其中，所述计算机与所述波长可调谐连续激光器的控制端相连，所述波长可调谐连续激光器的输出端与所述第一分束器的输入端相连，所述第一分束器的第一输出端与所述第一合束器的第一输入端相连，所述飞秒激光器的输出端与所述第一合束器的第二输入端相连，所述第一合束器的输出端与所述平衡探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述计数器的输入端相连，所述计数器的输出端与所述计算机相连；以及，所述第一分束器的第二输出端与所述斩波器的输入端相连，所述斩波器的输出端与所述第一激光放大器的输入端相连，所述第一激光放大器的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述第二激光放大器的输出端与所述激光发射系统的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述探测器的输入端相连，所述探测器的输出端与所述采集卡的输入端相连，所述采集卡的输出端与所述计算机相连。 13.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：光调制单元、第二分束器、保偏光纤、衰减器、第二合束器、滤波片和低通滤波器；所述第一激光放大器的输出端与所述光调制单元的输入端相连，所述光调制单元的输出端与所述第二分束器的输入端相连，所述第二分束器的第一输出端与所述保偏光纤的输入端相连，所述第二分束器的第二输出端与所述衰减器的输入端相连，所述衰减器的输出端与所述第二合束器的第一输入端相连，所述保偏光纤的输出端与所述第二激光放大器的输入端相连，所述望远镜的输出端与所述滤波片的输入端相连，所述滤波片的输出端与所述第二合束器的第二输入端相连，所述第二合束器的输出端与所述探测器的输入端相连，所述平衡探测器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述计数器的输入端相连。 14.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述环境气体的扫描探测激光雷达还包括：第三分束器、ASE光源、气体腔、第三合束器和光谱仪；所述第一分束器的第二输出端与所述第三分束器的输入端相连，所述第三分束器的输入端与所述第一分束器的第一输出端相连，所述第三分束器的第一输出端与所述斩波器的输入端相连，所述第三分束器的第二输出端与所述第三合束器的第一输入端相连，所述ASE光源的输出端与所述气体腔的输入端相连，所述气体腔存储有所述待测类型的气体，所述气体腔的输出端与所述第三合束器的第二输入端相连，所述第三合束器的输出端与所述光谱仪的输入端相连。 15.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述斩波器为脉冲发生器、声光调制器或点光调制器。 16.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述探测器为超导探测器。 17.根据权利要求12所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，所述激光发射系统与所述望远镜为收发分置结构；或者，所述激光发射系统与所述望远镜为收发同轴结构。 18.根据权利要求13所述的环境气体的扫描探测激光雷达，其特征在于，光调制单元为强度调制器、声光调制器或光开关。
所属类别：	发明专利