臭氧探測激光雷達光學接收系統設計研究

張青松

摘? ?要：隨著社會經濟發展，以及人們生活水平的不斷提高，人們在追求物質享受的同時，忽視了對環境的保護，臭氧層破壞現象嚴重，臭氧污染真實存在，隨著PM2.5指數的上升，國家在大力推動霧霾治理的情況下，也逐漸開始重視臭氧污染，不斷探索臭氧探測技術，借助激光雷達優勢，啟動光學監測網的建設。基于此，本文主要從臭氧的危害出發，通過分析臭氧探測技術現狀，旨在探討激光雷達光學接收系統的設計。

關鍵詞：臭氧探測? 激光雷達? 光學接收系統

中圖分類號：TN958.98? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0054-02

隨著社會生活環境的惡化，目前，大氣中臭氧濃度的變化對氣候環境帶來的危害已經引起相關部門的注意，人們也開始意識到臭氧空洞對其社會生活造成的影響，由此增加了人們對臭氧研究的興趣。臭氧作為光化學煙霧形成的重要污染物之一，對人們的生產生活帶來極大影響，給人們的身體健康帶來極大隱患。因此，當前解決重視臭氧污染，加強臭氧探測須得到相關部門的高度重視，本文旨在分析臭氧探測激光雷達光學接收系統的設計研究。

1? 臭氧的危害

臭氧是由光化學煙霧形成的污染物，其極大的影響著人們的身體健康，研究表明，當每立平方米不流通空氣中的臭氧濃度達到0.1mg之時，人的喉嚨，鼻腔等器官都會受到輕微的刺激;而當濃度達到0.2mg/m?之時，眼睛會有刺痛感呼吸道的疾病也會明顯加劇，從而引發肺水腫等疾病。早在幾年前，人類社會就要面對一個現實：臭氧層正在被破壞，如果這個現狀一直持續，它就會逐漸失去阻擋紫外線和保護生靈的功能，而當它在對流層過度聚集，會使得葉子氧化，危害人和動物的呼吸系統。所以，看似強大的臭氧只要超過標準的上限，就會對世界萬物都造成不可規避的損害。

隨著臭氧污染的日益惡化，人們開始注意到臭氧污染帶來的負面影響，臭氧污染治理成為國家治理環境污染的重點。一種污染物被重視，很重要的一個標志就是會出現各種監測技術，從而實現多時間、多空間尺度的監測，在大氣臭氧監測領域，目前有四種主要的方法，一種是逐漸被淘汰但仍有所應用的長光程吸收光譜儀，一種是常規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，一種是近兩年新發展起來的高大上儀器臭氧激光雷達。

2? 臭氧探測技術現狀

資料表明，從全球范圍來看，對流層中的抽樣濃度有增加的趨勢，預示著臭氧增加影響氣候和環境，從而加重大氣污染，對人們的身體健康帶來極為不利的影響，在隨著人們對臭氧污染的愈加重視，相關檢測技術也應運而生，這給探測人員帶來了一定的希望。但在對流層中，臭氧含量較高，這給探測工作帶來了不小的難度，再加上現階段，對臭氧探測無相對成熟的探測技術，這就需要相關研究人員成立專門的調查研究小組，開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發光法。

隨著社會經濟發展，科學技術的進步，我國致力于研究臭氧探測等問題，不斷研究臭氧探測新方法，發展紅外激光差分吸收技術，以方便對近地面大氣中臭氧含量的探測，其主要是借助CO2的吸收作用，在研制雙波長的CO2的基礎上，加強對臭氧含量的探測，并做好實時記錄，記錄結果與之前傳統探測方法探測的臭氧含量數據更加準確，技術更加成熟。在實際應用中表明，該吸收技術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，對于近地面大氣中的抽樣檢測來講，是一項非常有前景的技術。

3? 臭氧探測激光雷達光學接收系統的設計

3.1 設計目標

接收光學系統是盡可能的將反射光目標進行全部收集，最終將其整理匯聚到探測器的光敏面上，方便監測人員觀察光信號。就臭氧探測而言，其若要進行激光雷達的設計，還需制定合適的設計目標，盡量將結構做到簡單化、體積做到最小化、成本做到最低化。

3.2 單透鏡設計

上面所述，臭氧探測激光雷達光學接收系統設計的目標為結構簡單、體積最小、成本最低，基于這三個目標的實現，首先需要考慮，采用單透鏡可否實現這些目標，具體設計的結構參數如圖1。

然后在system—general菜單中設置entrance diameter為38，在field菜單中設置入射光為0度視場角平行光，在wave length data中設置波長為905nm。就臭氧探測而言，臭氧探測工程是一項長期的探測工程，也是一項大批量探測工程，因此在臭氧探測中采用這種方法較為合適。

3.3 透鏡組系統設計

為實現低成本的目標，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，非球面透鏡在價格方面略高于球面鏡片，因此，如果在進行激光雷達設計時采用非球面透鏡不符合低成本目標，因此，在實際的透鏡組系統設計時，應靈活應變，可以選采用幾個簡單球面鏡片或雙膠透鏡的組合進行系統設計，以有效達到大孔徑、大相對孔徑、小像差的要求。

在透鏡組系統設計中，考慮到降低成本和提高透過率，還應考慮是否還有更簡單的方法達到我們的要求，總體來看，透鏡組系統結構簡單，成本相對較低，體積也不大，符合激光雷達光學接收系統的要求。

3.4 機械結構設計

任何系統的設計都包括對機械元件的設計，在確定光學接收系統基本結構之后，就需要對相關元件的尺寸等內容進行核實，制造或購進合適的機械元件。通常而言，根據光學接收系統的本質特點，機械結構設計一般為套筒和壓圈，鏡片須由壓圈壓緊，以保證接卸結構的穩定性。整個光學接收系統是一個有外螺紋的圓柱型套筒，利用精密螺紋將它旋進，固定在雷達的平板上，以保證精確調節縱向距離使得聚焦光斑位于探測器的光敏面上，就臭氧探測過程而言，通過這種設計方式，可有效、精準測得臭氧含量。

4? 結語

隨著近年來臭氧污染問題的日益嚴峻，國家越來越重視臭氧探測，國內外大量研究學者紛紛投身于臭氧的研究工作，隨著科學技術的發展，我國在臭氧探測放面取得了長遠發展，在對流層、平流層、中流層等方面都發展了相應的探測技術，并落實到實踐中，取得了不錯成效。本文主要針對臭氧污染危害，分析了當前臭氧探測技術現狀，最后探討了臭氧探測激光雷達光學接收系統的設計，以期推動我國臭氧探測技術的進步。

參考文獻

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