張青松

摘? ?要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，以及人們生活水平的不斷提高，人們在追求物質(zhì)享受的同時，忽視了對環(huán)境的保護，臭氧層破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，臭氧污染真實存在，隨著PM2.5指數(shù)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(shù)，借助激光雷達優(yōu)勢，啟動光學(xué)監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)?；诖?，本文主要從臭氧的危害出發(fā)，通過分析臭氧探測技術(shù)現(xiàn)狀，旨在探討激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計。

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

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

隨著社會生活環(huán)境的惡化，目前，大氣中臭氧濃度的變化對氣候環(huán)境帶來的危害已經(jīng)引起相關(guān)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(xué)煙霧形成的重要污染物之一，對人們的生產(chǎn)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(dāng)前解決重視臭氧污染，加強臭氧探測須得到相關(guān)部門的高度重視，本文旨在分析臭氧探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計研究。

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(dāng)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(fā)肺水腫等疾病。早在幾年前，人類社會就要面對一個現(xiàn)實：臭氧層正在被破壞，如果這個現(xiàn)狀一直持續(xù)，它就會逐漸失去阻擋紫外線和保護生靈的功能，而當(dāng)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(tǒng)。所以，看似強大的臭氧只要超過標(biāo)準(zhǔn)的上限，就會對世界萬物都造成不可規(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(huán)境污染的重點。一種污染物被重視，很重要的一個標(biāo)志就是會出現(xiàn)各種監(jiān)測技術(shù)，從而實現(xiàn)多時間、多空間尺度的監(jiān)測，在大氣臭氧監(jiān)測領(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)展起來的高大上儀器臭氧激光雷達。

2? 臭氧探測技術(shù)現(xiàn)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(yù)示著臭氧增加影響氣候和環(huán)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(guān)檢測技術(shù)也應(yīng)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(xiàn)階段，對臭氧探測無相對成熟的探測技術(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。

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，科學(xué)技術(shù)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(fā)展紅外激光差分吸收技術(shù)，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(chǔ)上，加強對臭氧含量的探測，并做好實時記錄，記錄結(jié)果與之前傳統(tǒng)探測方法探測的臭氧含量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，技術(shù)更加成熟。在實際應(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，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(shù)。

3? 臭氧探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 設(shè)計目標(biāo)

接收光學(xué)系統(tǒng)是盡可能的將反射光目標(biāo)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(jiān)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(shè)計，還需制定合適的設(shè)計目標(biāo)，盡量將結(jié)構(gòu)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(shè)計

上面所述，臭氧探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)為結(jié)構(gòu)簡單、體積最小、成本最低，基于這三個目標(biāo)的實現(xiàn)，首先需要考慮，采用單透鏡可否實現(xiàn)這些目標(biāo)，具體設(shè)計的結(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度視場角平行光，在wave length data中設(shè)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(tǒng)設(shè)計

為實現(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，非球面透鏡在價格方面略高于球面鏡片，因此，如果在進行激光雷達設(shè)計時采用非球面透鏡不符合低成本目標(biāo)，因此，在實際的透鏡組系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)靈活應(yīng)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計中，考慮到降低成本和提高透過率，還應(yīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，體積也不大，符合激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)的要求。

3.4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

任何系統(tǒng)的設(shè)計都包括對機械元件的設(shè)計，在確定光學(xué)接收系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)之后，就需要對相關(guān)元件的尺寸等內(nèi)容進行核實，制造或購進合適的機械元件。通常而言，根據(jù)光學(xué)接收系統(tǒng)的本質(zhì)特點，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計一般為套筒和壓圈，鏡片須由壓圈壓緊，以保證接卸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。整個光學(xué)接收系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(shè)計方式，可有效、精準(zhǔn)測得臭氧含量。

4? 結(jié)語

隨著近年來臭氧污染問題的日益嚴(yán)峻，國家越來越重視臭氧探測，國內(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，我國在臭氧探測放面取得了長遠發(fā)展，在對流層、平流層、中流層等方面都發(fā)展了相應(yīng)的探測技術(shù)，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(dāng)前臭氧探測技術(shù)現(xiàn)狀，最后探討了臭氧探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)的設(shè)計，以期推動我國臭氧探測技術(shù)的進步。

參考文獻

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[3] 劉洋.邊界層溫濕度廓線激光雷達探測技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.