臭氧探测激光雷达光学接收系统设计研究
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摘 要：随着社会经济发展，以及人们生活水平的不断提高，人们在追求物质享受的同时，忽视了对环境的保护，臭氧层破坏现象严重，臭氧污染真实存在，随着PM2.5指数的上升，国家在大力推动雾霾治理的情况下，也逐渐开始重视臭氧污染，不断探索臭氧探测技术，借助激光雷达优势，启动光学监测网的建设。基于此，本文主要从臭氧的危害出发，通过分析臭氧探测技术现状，旨在探讨激光雷达光学接收系统的设计。
关键词：臭氧探测 激光雷达 光学接收系统
中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0054-02
随着社会生活环境的恶化，目前，大气中臭氧浓度的变化对气候环境带来的危害已经引起相关部门的注意，人们也开始意识到臭氧空洞对其社会生活造成的影响，由此增加了人们对臭氧研究的兴趣。臭氧作为光化学烟雾形成的重要污染物之一，对人们的生产生活带来极大影响，给人们的身体健康带来极大隐患。因此，当前解决重视臭氧污染，加强臭氧探测须得到相关部门的高度重视，本文旨在分析臭氧探测激光雷达光学接收系统的设计研究。
1 臭氧的危害
臭氧是由光化学烟雾形成的污染物，其极大的影响着人们的身体健康，研究表明，当每立平方米不流通空气中的臭氧浓度达到0.1mg之时，人的喉咙，鼻腔等器官都会受到轻微的刺激;而当浓度达到0.2mg/m?之时，眼睛会有刺痛感呼吸道的疾病也会明显加剧，从而引发肺水肿等疾病。早在几年前，人类社会就要面对一个现实：臭氧层正在被破坏，如果这个现状一直持续，它就会逐渐失去阻挡紫外线和保护生灵的功能，而当它在对流层过度聚集，会使得叶子氧化，危害人和动物的呼吸系统。所以，看似强大的臭氧只要超过标准的上限，就会对世界万物都造成不可规避的损害。
随着臭氧污染的日益恶化，人们开始注意到臭氧污染带来的负面影响，臭氧污染治理成为国家治理环境污染的重点。一种污染物被重视，很重要的一个标志就是会出现各种监测技术，从而实现多时间、多空间尺度的监测，在大气臭氧监测领域，目前有四种主要的方法，一种是逐渐被淘汰但仍有所应用的长光程吸收光谱仪，一种是常规空气站安装的紫外吸收原理的臭氧分析仪，一种是成为市场新宠的微型空气站中安装的臭氧传感器，一种是近两年新发展起来的高大上仪器臭氧激光雷达。
2 臭氧探测技术现状
资料表明，从全球范围来看，对流层中的抽样浓度有增加的趋势，预示着臭氧增加影响气候和环境，从而加重大气污染，对人们的身体健康带来极为不利的影响，在随着人们对臭氧污染的愈加重视，相关检测技术也应运而生，这给探测人员带来了一定的希望。但在对流层中，臭氧含量较高，这给探测工作带来了不小的难度，再加上现阶段，对臭氧探测无相对成熟的探测技术，这就需要相关研究人员成立专门的调查研究小组，开始着手与近地面大气中臭氧浓度的变化，并做好记录，在这些研究中普遍采用的是紫外吸收法和化学发光法。
随着社会经济发展，科学技术的进步，我国致力于研究臭氧探测等问题，不断研究臭氧探测新方法，发展红外激光差分吸收技术，以方便对近地面大气中臭氧含量的探测，其主要是借助CO2的吸收作用，在研制双波长的CO2的基础上，加强对臭氧含量的探测，并做好实时记录，记录结果与之前传统探测方法探测的臭氧含量数据更加准确，技术更加成熟。在实际应用中表明，该吸收技术具有较好高的灵敏度，能随大气中臭氧含量的变化而变化，灵活性较强，对于近地面大气中的抽样检测来讲，是一项非常有前景的技术。
3 臭氧探测激光雷达光学接收系统的设计
3.1 设计目标
接收光学系统是尽可能的将反射光目标进行全部收集，最终将其整理汇聚到探测器的光敏面上，方便监测人员观察光信号。就臭氧探测而言，其若要进行激光雷达的设计，还需制定合适的设计目标，尽量将结构做到简单化、体积做到最小化、成本做到最低化。
3.2 單透镜设计
上面所述，臭氧探测激光雷达光学接收系统设计的目标为结构简单、体积最小、成本最低，基于这三个目标的实现，首先需要考虑，采用单透镜可否实现这些目标，具体设计的结构参数如图1。
然后在system—general菜单中设置entrance diameter为38，在field菜单中设置入射光为0度视场角平行光，在wave length data中设置波长为905nm。就臭氧探测而言，臭氧探测工程是一项长期的探测工程，也是一项大批量探测工程，因此在臭氧探测中采用这种方法较为合适。
3.3 透镜组系统设计
为实现低成本的目标，在透镜选择上也要合理划分，合理选择球面透镜还是非球面透镜，众所周知，非球面透镜在价格方面略高于球面镜片，因此，如果在进行激光雷达设计时采用非球面透镜不符合低成本目标，因此，在实际的透镜组系统设计时，应灵活应变，可以选采用几个简单球面镜片或双胶透镜的组合进行系统设计，以有效达到大孔径、大相对孔径、小像差的要求。
在透镜组系统设计中，考虑到降低成本和提高透过率，还应考虑是否还有更简单的方法达到我们的要求，总体来看，透镜组系统结构简单，成本相对较低，体积也不大，符合激光雷达光学接收系统的要求。
3.4 机械结构设计
任何系统的设计都包括对机械元件的设计，在确定光学接收系统基本结构之后，就需要对相关元件的尺寸等内容进行核实，制造或购进合适的机械元件。通常而言，根据光学接收系统的本质特点，机械结构设计一般为套筒和压圈，镜片须由压圈压紧，以保证接卸结构的稳定性。整个光学接收系统是一个有外螺纹的圆柱型套筒，利用精密螺纹将它旋进，固定在雷达的平板上，以保证精确调节纵向距离使得聚焦光斑位于探测器的光敏面上，就臭氧探测过程而言，通过这种设计方式，可有效、精准测得臭氧含量。
4 结语
随着近年来臭氧污染问题的日益严峻，国家越来越重视臭氧探测，国内外大量研究学者纷纷投身于臭氧的研究工作，随着科学技术的发展，我国在臭氧探测放面取得了长远发展，在对流层、平流层、中流层等方面都发展了相应的探测技术，并落实到实践中，取得了不错成效。本文主要针对臭氧污染危害，分析了当前臭氧探测技术现状，最后探讨了臭氧探测激光雷达光学接收系统的设计，以期推动我国臭氧探测技术的进步。
参考文献
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[2] 符强.拉曼激光雷达对流层顶大气结构特性的初步分析[D].西安理工大学，2018.
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