臭氧探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張青松

摘? ?要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及人們生活水平的不斷提高，人們?cè)谧非笪镔|(zhì)享受的同時(shí)，忽視了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，臭氧層破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，臭氧污染真實(shí)存在，隨著PM2.5指數(shù)的上升，國(guó)家在大力推動(dòng)霧霾治理的情況下，也逐漸開(kāi)始重視臭氧污染，不斷探索臭氧探測(cè)技術(shù)，借助激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)光學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)?；诖?，本文主要從臭氧的危害出發(fā)，通過(guò)分析臭氧探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，旨在探討激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：臭氧探測(cè)? 激光雷達(dá)? 光學(xué)接收系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN958.98? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0054-02

隨著社會(huì)生活環(huán)境的惡化，目前，大氣中臭氧濃度的變化對(duì)氣候環(huán)境帶來(lái)的危害已經(jīng)引起相關(guān)部門的注意，人們也開(kāi)始意識(shí)到臭氧空洞對(duì)其社會(huì)生活造成的影響，由此增加了人們對(duì)臭氧研究的興趣。臭氧作為光化學(xué)煙霧形成的重要污染物之一，對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大影響，給人們的身體健康帶來(lái)極大隱患。因此，當(dāng)前解決重視臭氧污染，加強(qiáng)臭氧探測(cè)須得到相關(guān)部門的高度重視，本文旨在分析臭氧探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

1? 臭氧的危害

臭氧是由光化學(xué)煙霧形成的污染物，其極大的影響著人們的身體健康，研究表明，當(dāng)每立平方米不流通空氣中的臭氧濃度達(dá)到0.1mg之時(shí)，人的喉嚨，鼻腔等器官都會(huì)受到輕微的刺激;而當(dāng)濃度達(dá)到0.2mg/m?之時(shí)，眼睛會(huì)有刺痛感呼吸道的疾病也會(huì)明顯加劇，從而引發(fā)肺水腫等疾病。早在幾年前，人類社會(huì)就要面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)：臭氧層正在被破壞，如果這個(gè)現(xiàn)狀一直持續(xù)，它就會(huì)逐漸失去阻擋紫外線和保護(hù)生靈的功能，而當(dāng)它在對(duì)流層過(guò)度聚集，會(huì)使得葉子氧化，危害人和動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)。所以，看似強(qiáng)大的臭氧只要超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的上限，就會(huì)對(duì)世界萬(wàn)物都造成不可規(guī)避的損害。

隨著臭氧污染的日益惡化，人們開(kāi)始注意到臭氧污染帶來(lái)的負(fù)面影響，臭氧污染治理成為國(guó)家治理環(huán)境污染的重點(diǎn)。一種污染物被重視，很重要的一個(gè)標(biāo)志就是會(huì)出現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多時(shí)間、多空間尺度的監(jiān)測(cè)，在大氣臭氧監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，目前有四種主要的方法，一種是逐漸被淘汰但仍有所應(yīng)用的長(zhǎng)光程吸收光譜儀，一種是常規(guī)空氣站安裝的紫外吸收原理的臭氧分析儀，一種是成為市場(chǎng)新寵的微型空氣站中安裝的臭氧傳感器，一種是近兩年新發(fā)展起來(lái)的高大上儀器臭氧激光雷達(dá)。

2? 臭氧探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

資料表明，從全球范圍來(lái)看，對(duì)流層中的抽樣濃度有增加的趨勢(shì)，預(yù)示著臭氧增加影響氣候和環(huán)境，從而加重大氣污染，對(duì)人們的身體健康帶來(lái)極為不利的影響，在隨著人們對(duì)臭氧污染的愈加重視，相關(guān)檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，這給探測(cè)人員帶來(lái)了一定的希望。但在對(duì)流層中，臭氧含量較高，這給探測(cè)工作帶來(lái)了不小的難度，再加上現(xiàn)階段，對(duì)臭氧探測(cè)無(wú)相對(duì)成熟的探測(cè)技術(shù)，這就需要相關(guān)研究人員成立專門的調(diào)查研究小組，開(kāi)始著手與近地面大氣中臭氧濃度的變化，并做好記錄，在這些研究中普遍采用的是紫外吸收法和化學(xué)發(fā)光法。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)致力于研究臭氧探測(cè)等問(wèn)題，不斷研究臭氧探測(cè)新方法，發(fā)展紅外激光差分吸收技術(shù)，以方便對(duì)近地面大氣中臭氧含量的探測(cè)，其主要是借助CO2的吸收作用，在研制雙波長(zhǎng)的CO2的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)臭氧含量的探測(cè)，并做好實(shí)時(shí)記錄，記錄結(jié)果與之前傳統(tǒng)探測(cè)方法探測(cè)的臭氧含量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，技術(shù)更加成熟。在實(shí)際應(yīng)用中表明，該吸收技術(shù)具有較好高的靈敏度，能隨大氣中臭氧含量的變化而變化，靈活性較強(qiáng)，對(duì)于近地面大氣中的抽樣檢測(cè)來(lái)講，是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)。

3? 臭氧探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

接收光學(xué)系統(tǒng)是盡可能的將反射光目標(biāo)進(jìn)行全部收集，最終將其整理匯聚到探測(cè)器的光敏面上，方便監(jiān)測(cè)人員觀察光信號(hào)。就臭氧探測(cè)而言，其若要進(jìn)行激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)，還需制定合適的設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡量將結(jié)構(gòu)做到簡(jiǎn)單化、體積做到最小化、成本做到最低化。

3.2 單透鏡設(shè)計(jì)

上面所述，臭氧探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積最小、成本最低，基于這三個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，首先需要考慮，采用單透鏡可否實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，具體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1。

然后在system—general菜單中設(shè)置entrance diameter為38，在field菜單中設(shè)置入射光為0度視場(chǎng)角平行光，在wave length data中設(shè)置波長(zhǎng)為905nm。就臭氧探測(cè)而言，臭氧探測(cè)工程是一項(xiàng)長(zhǎng)期的探測(cè)工程，也是一項(xiàng)大批量探測(cè)工程，因此在臭氧探測(cè)中采用這種方法較為合適。

3.3 透鏡組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低成本的目標(biāo)，在透鏡選擇上也要合理劃分，合理選擇球面透鏡還是非球面透鏡，眾所周知，非球面透鏡在價(jià)格方面略高于球面鏡片，因此，如果在進(jìn)行激光雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)采用非球面透鏡不符合低成本目標(biāo)，因此，在實(shí)際的透鏡組系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)靈活應(yīng)變，可以選采用幾個(gè)簡(jiǎn)單球面鏡片或雙膠透鏡的組合進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以有效達(dá)到大孔徑、大相對(duì)孔徑、小像差的要求。

在透鏡組系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到降低成本和提高透過(guò)率，還應(yīng)考慮是否還有更簡(jiǎn)單的方法達(dá)到我們的要求，總體來(lái)看，透鏡組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，體積也不大，符合激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)的要求。

3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

任何系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都包括對(duì)機(jī)械元件的設(shè)計(jì)，在確定光學(xué)接收系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)之后，就需要對(duì)相關(guān)元件的尺寸等內(nèi)容進(jìn)行核實(shí)，制造或購(gòu)進(jìn)合適的機(jī)械元件。通常而言，根據(jù)光學(xué)接收系統(tǒng)的本質(zhì)特點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般為套筒和壓圈，鏡片須由壓圈壓緊，以保證接卸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。整個(gè)光學(xué)接收系統(tǒng)是一個(gè)有外螺紋的圓柱型套筒，利用精密螺紋將它旋進(jìn)，固定在雷達(dá)的平板上，以保證精確調(diào)節(jié)縱向距離使得聚焦光斑位于探測(cè)器的光敏面上，就臭氧探測(cè)過(guò)程而言，通過(guò)這種設(shè)計(jì)方式，可有效、精準(zhǔn)測(cè)得臭氧含量。

4? 結(jié)語(yǔ)

隨著近年來(lái)臭氧污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，國(guó)家越來(lái)越重視臭氧探測(cè)，國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者紛紛投身于臭氧的研究工作，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在臭氧探測(cè)放面取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，在對(duì)流層、平流層、中流層等方面都發(fā)展了相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)，并落實(shí)到實(shí)踐中，取得了不錯(cuò)成效。本文主要針對(duì)臭氧污染危害，分析了當(dāng)前臭氧探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，最后探討了臭氧探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)我國(guó)臭氧探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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