生物气溶胶荧光激光雷达系统设计及初步实验

发布时间：2020-10-23 18:45

　　 大气生物气溶胶存在于对流层,其主要由细菌、真菌、病毒和尘螨等微小有机粒子构成。与普通的气溶胶相比,它们在空气中的扩散、传播会对大气环境造成更大的危害,例如人类、动植物之间流行性疾病的传播,对生物气溶胶的探测已经刻不容缓。激光雷达作为一种新型的遥感探测手段,具有很高的测量精确度以及高时空分辨能力。结合激光诱导生物气溶胶荧光效应,荧光激光雷达为大气生物气溶胶的遥感探测提供了强有力的支撑。本论文致力于探测生物气溶胶荧光激光雷达的理论研究,设计并构建了一套用于探测生物气溶胶的荧光激光雷达系统。基于荧光激光雷达的探测原理,给出了荧光激光雷达方程的详细解释以及方程的具体解法。针对激光诱导荧光雷达系统中的波长选择进行了一系列性能仿真,分别采用紫外355nm和266nm激光作为激发光源,构建生物气溶胶荧光激光雷达监测系统模型。综合考虑不同激发波段,臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响,对系统性能进行数值仿真分析。355nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大,在进行夜间探测时可获得较好效果;而266nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响,能够实现对生物气溶胶的白天有效探测;为实现全天时探测目标,本研究采用266nm激光作为荧光激励源。基于仿真分析,本研究搭建了荧光激光雷达系统,通过对西安上空的生物气溶胶分布特征连续观测实验,测得大气生物荧光信号的有效波段;并得到米-瑞利信号的最大有效探测距离约为2.5km,荧光信号的最大有效探测距离约为0.9km,同时反演得到气溶胶消光系数廓线及生物气溶胶粒子数浓度廓线,粒子浓度最大可达5340个颗粒/m3。实验验证了系统设计的可行性,为长期实验观测做好铺垫。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN958.98
【部分图文】：

由于监测过程剔除了背景噪声，使点监测系统拥有较高的探测灵敏度。这类仪器通常??会受气泵功率的影响，造成检测通量较小，覆盖率短且成本高，故探测高度具有一定的局??限性。图１－２就是以点监测系统探测方式研制而成的两种仪器，分别是ＴＳＩ９５００粒子计数器??和布鲁克ＶｅｒｏＴｅｃｔ生物气镕胶实时探测器。??针对上述探测手段的不足，为实现低空大气生物气溶胶粒子浓度及种类的有效甄别，??提出了利用激光遥感技术探测生物气溶胶的方法，即荧光激光雷达，相对于传统探测机制，??该方法可获得更大的探测范围。??（３）荧光激光雷达探测??图１－３荧光激光雷达系统??Ｆｉｇ?１－３?Ｔｈｅ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ?ｒａｄａｒ?ｄｅｔｅｃｔｏｒ??荧光激光雷达主要是由激光器、＿远镜、分光系统、计算机和一些辅助ｊ：具组成，其??探测利用的是激光诱导荧光技术和激光雷达技术相结合来实现对生物气溶胶的探测分析，??紫外激光诱导荧．光（ＵＶ－ＬＩＦ，Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ?Ｌａｓｅｒ?Ｉｎｄｕｃｅｄ?Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）指的是无论生物粒子??Ｃ真菌、病毒）还是非生物粒子（雾霾、灰尘），其荧光光谱都有着固定的特征形式［３９］，??对所采集到的气溶胶荧光光谱和目前存在的数据进行对比分析，就能够推断出所需要的相??关大气参数和其中生物粒子的种类。生物气溶胶遥测技术目前最有可能实现的就是利用激??４??

受激分子从最初始的平衡态跃迁到更高一能级的激发态Ｓｉ或ｓ２?（由分子结构及吸收能量??的大小所决定），由于受激分乎极不稳定，会迅速释放光子返回到基态（Ｓ。）。上述过程称??之为能量弛豫，所释放的光子称为荧光，其能级跃迀过程的示意图如图２－１所示＞＞?荧光效??应的产生过程主要包括以下个步骤：??（１）

受激分子从最初始的平衡态跃迁到更高一能级的激发态Ｓｉ或ｓ２?（由分子结构及吸收能量??的大小所决定），由于受激分乎极不稳定，会迅速释放光子返回到基态（Ｓ。）。上述过程称??之为能量弛豫，所释放的光子称为荧光，其能级跃迀过程的示意图如图２－１所示＞＞?荧光效??应的产生过程主要包括以下个步骤：??（１）
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本文编号：2853405