目前测量大气臭氧的主要方法有比色定量法、库伦原电池法、光学吸收光谱法、太阳光谱法和差分激光雷达。差分激光雷达是一种主动遥感技术，该技术在20世纪60年代中期激光雷达测量水汽时引进，并在70年代中期得到进一步发展。差分激光雷达通过选取两束不同波长的激光，这两个波长分别选在待测气体的强吸收截面和弱吸收截面上，利用待测吸收气体对两个激光波长的吸收差别确定两个脉冲激光共同路径上待测气体的浓度。差分激光雷达测量的结果与其它测量手段获得的结果相比，具有高时空分辨率、测量精度高、实时在线等特点，成为测量大气臭氧时空分布的重要手段。在863计划课题（项目编号2009AA06A311）的支撑下，车载臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统为我国开展光化学烟雾和细粒子生成机理研究提供了数据基础，为我国城市群大气复合污染中的颗粒物和光化学烟雾污染防治提供了技术保障。

臭氧激光雷达系统为车载式激光雷达系统，方便野外实验，并且做到了电子元器件的三防(防尘、防湿、防电磁)。激光器电源所需的强电与信号探测采集单元所需的弱点两相分开，消除了两者之间的相互干扰。系统设计总体上分为三大部分：第一部分为光学发射与接收光机系统；第二部分为光电探测组件中的电子学系统，包括激光器电源、信号放大、采集和控制单元；第三部分主要为信号存储与数据处理系统。激光器采用高功率Nd:YAG四倍频激光（266nm），输出功率1.5w，激发D2和H2获得一级Stokes频移波长，使用一套激光器系统，可以同时获得266nm、289nm、299nm、316nm四种波长输出。利用四波长发射光学系统、多波长激光扩束镜和导光镜组，实现光源稳定、高效输出。信号检测系统可实现高速度（40MHz采样率）、超大动态范围（100dB）的信号采集。利用低噪声（<2mv）高压电源模块，高速前置放大器，实现模拟采集和光子计数的同步采集。利用高分辨率的光栅光谱仪代替滤光片作为分光器件，大大提高了后继光学系统的灵敏度和长期稳定性；在完成大气臭氧时空分布探测系统低层大气臭氧廓线反演算法的基础上，优化出最有效的数据处理方法，并对测量结果的误差进行了系统的分析。

图7-9臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统控制软件及样机结构示意图

技术特点

（1）拉曼频移激光器

利用Nd:YAG的四倍频266.0nm泵浦甲烷产生的一级Stokes波长288.38nm，以及泵浦氢气产生的一级Stokes波长299.05nm构成差分吸收测量系统，O3在两波长的的吸收截面之差为1.267×10-18cm2。

（2）收、发光学系统

为了最大限度的减小盲区，采用离轴发射方式，在光学发射与光学接收系统之间，尽可能的减小发射光轴与接收光轴之间的距离；为了得到相同的几何因子，D2拉曼管、H2拉曼管两路光设计为对称分布在接收光学光轴的两侧，并具有相同的重叠修正系数。

（3）数据采集和控制技术

288nm和299nm波长两路探测器工作在光子计数模式，由多道光子计数器完成数据采集；2个高灵敏光电倍增管工作在门控方式，并由激光器发射光路中的光触发二激光管PD所同步，以避免激光发射瞬间的强干扰信号；PD同时也为多道光子计数器提供了时基信号，作为零距离信号启动一次激光脉冲的数据采集。

性能验证

在广州亚运会期间及长春绿园区气象站臭氧激光雷达与臭氧探空仪对比实验中，对所研制的臭氧激光雷达进行了长期观测试验。