專利名稱：氣象與大氣環(huán)境觀測拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣象與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于氣象與環(huán)境監(jiān)測的遙感探測工具，具體涉及一種用于氣象與環(huán)境觀測的拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在大氣環(huán)境研究領(lǐng)域中，大氣溫度、水蒸氣密度和大氣成分等是進(jìn)行大氣研究的重要參數(shù)，比如大氣溫度、水蒸氣密度或相對濕度，以及大氣氣溶膠消光系數(shù)及散射系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度及大氣能見度、非球形粒子后向散射光的退偏振比等。現(xiàn)有獲取上述參數(shù)的遙感探測工具中，最有效的是激光雷達(dá)，已廣泛用于激光大氣傳輸、全球氣候預(yù)測、氣溶膠輻射效應(yīng)及大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域。
由于觀測大氣環(huán)境的激光雷達(dá)使用的是大氣回波信號(hào)中的米散射信號(hào)，而用于氣象觀測的激光雷達(dá)利用的是瑞利散射或拉曼散射信號(hào)，所以通常的氣象觀測激光雷達(dá)與大氣環(huán)境觀測激光雷達(dá)都是使用各自獨(dú)立的系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行氣象參數(shù)和大氣環(huán)境的觀測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氣象與大氣環(huán)境觀測拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大氣溫度、水蒸氣密度(相對濕度)垂直分布等氣象參數(shù)測量，以及大氣氣溶膠消光系數(shù)及后向散射系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣能見度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等大氣環(huán)境參數(shù)的測量，而且實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行氣象參數(shù)和大氣環(huán)境的觀測。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，氣象與大氣環(huán)境觀測拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，用于向大氣發(fā)出脈沖激光；一個(gè)接收系統(tǒng)，用于接收上述激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產(chǎn)生的大氣回波信號(hào)，并將該回波信號(hào)送入一個(gè)分光與光電檢測系統(tǒng)，包括分光器，用于將該回波信號(hào)中的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，水汽分子的振動(dòng)拉曼譜線與米-瑞利散射譜線和太陽背景光進(jìn)行分離，和光電檢測器，用于將上述分離后的各種散射光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)接收下來并送入一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于接收上述轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，進(jìn)行分析處理，根據(jù)預(yù)裝入的基于求解激光雷達(dá)方程的程序，分別求得大氣的溫度數(shù)值、水蒸氣密度、大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和非球形粒子后向散射光的退偏振比。
本發(fā)明的激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了大氣溫度、水蒸氣密度(相對濕度)垂直分布等氣象參數(shù)測量，以及大氣氣溶膠消光系數(shù)及散射系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣能見度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等大氣環(huán)境參數(shù)的測量，而且實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行氣象參數(shù)和大氣環(huán)境觀測的功能。


圖1是本發(fā)明激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；
圖2是本發(fā)明的分光與光電探測系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖；圖3是本發(fā)明分光系統(tǒng)中被確定的兩個(gè)濾光片中心波長與轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜關(guān)系的曲線圖；圖4是本發(fā)明分光系統(tǒng)中邊緣反射鏡位置的確定示意圖；圖5是經(jīng)分光器濾光以及邊緣反射鏡后大氣回波信號(hào)的強(qiáng)度分布圖；圖6是本發(fā)明系統(tǒng)理論上可實(shí)現(xiàn)的白天與夜晚的測量信噪比和溫度測量誤差的高度分布圖。
圖中，1.發(fā)射系統(tǒng)，2.接收系統(tǒng)，3.分光與光電檢測系統(tǒng)，4.擴(kuò)束器，5.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，6.Nd:YAG激光器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
激光遙感的基礎(chǔ)是光輻射與大氣中的原子、分子以及氣溶膠粒子之間相互作用所產(chǎn)生的各種物理過程。各種散射機(jī)理中，米散射(Mie scattering)是一種散射譜的中心波長與入射激光波長相同，散射譜的譜寬近似于入射激光譜寬的彈性散射，它是由粒徑相當(dāng)或大于激光波長的氣溶膠粒子引起的散射；瑞利散射(Rayleigh scattering)也是一種中心波長與入射激光波長相同，譜寬依存大氣溫度變化的彈性散射，它是由散射體粒徑比激光波長小的分子或原子引起的散射現(xiàn)象，主要用于大氣溫度、大氣分子密度等參數(shù)的測量；拉曼散射(Raman scattering)可分為轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼和振動(dòng)拉曼散射，是一種由大氣分子或原子引起的非彈性散射，散射譜分布于入射激光譜線的兩側(cè)，其散射截面是各種散射機(jī)理中較小的一種，需要高效率的分光及檢測系統(tǒng)，但由于其特殊的散射機(jī)理，很適合用來探測大氣溫度、水蒸氣密度和大氣成分。
本發(fā)明的激光雷達(dá)系統(tǒng)就是采用拉曼散射機(jī)理，利用大氣分子(主要是N2，O2)的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度用于測量大氣的溫度，利用大氣中的水汽分子產(chǎn)生的振動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度探測大氣水汽的密度分布，同時(shí)結(jié)合大氣分子的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射信號(hào)，反演得到在氣象/氣候?qū)W研究中具有重要作用的相對濕度的分布。
圖1是本發(fā)明提供的一種激光雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施例，激光雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)1、接收系統(tǒng)2、分光與光電檢測系統(tǒng)3和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5構(gòu)成。發(fā)射系統(tǒng)1包括Nd:YAG激光器6和用于對脈沖激光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直的擴(kuò)束器4。Nd:YAG激光器6發(fā)出波長為355nm的脈沖激光束，經(jīng)擴(kuò)束器4擴(kuò)束后，垂直射向大氣；激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產(chǎn)生的后向散射光由望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)2接收下來，經(jīng)光纖導(dǎo)入分光與光電檢測系統(tǒng)3中的分光器，分光器將接收系統(tǒng)2接收到的大氣后向散射光分光成為該激光雷達(dá)所需的各種光信號(hào)，并由光電檢測器檢測，再送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5包括高速高精度數(shù)據(jù)采集卡、工控計(jì)算機(jī)、測試系統(tǒng)軟件以及為得到測量結(jié)果所進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，最終求得大氣的溫度數(shù)值、水蒸氣密度、大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和非球形粒子后向散射光的退偏振比。
本發(fā)明系統(tǒng)所用的激光器為Nd:YAG脈沖激光器，并具有能輸出其三次諧波分量(λ0＝355nm)并發(fā)射出去的光學(xué)部件和結(jié)構(gòu)，采用望遠(yuǎn)鏡作為接收系統(tǒng)。
為了使同一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)既能觀測氣象參數(shù)，又能觀測大氣環(huán)境，就必須有效分離大氣回波信號(hào)中的各個(gè)散射信號(hào)光譜成分，并檢測出來，還要有效利用其相互關(guān)系進(jìn)行分析求解。本發(fā)明中分光與光電檢測系統(tǒng)3中分光器的作用就是將回波信號(hào)中的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，水汽分子的振動(dòng)拉曼譜線與米-瑞利散射譜線和太陽背景光進(jìn)行分離，在溫濕度探測通道中最大程度上抑制米散射、瑞利散射信號(hào)以及太陽背景光的干擾。
圖2是本發(fā)明的分光與光電檢測系統(tǒng)的一組成實(shí)施例。分光與光電檢測系統(tǒng)3由分光器和光電檢測器組成，包括一個(gè)高光譜分辨率光柵Grating、一個(gè)邊緣反射鏡Edge_mirror、5個(gè)窄帶干涉濾光片IF_1、IF_2、IF_3、IF_4、IF_5、一個(gè)分光鏡BS、一個(gè)偏振分光鏡PBS以及光電檢測部件PMT_1、PMT_2、PMT_3、PMT_4、PMT_5和PMT_6。大氣的后向散射光由望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)由光纖、聚光鏡L_1照射到高光譜分辨率光柵Grating上，利用光柵的衍射效應(yīng)，將雷達(dá)接收到的大氣后向散射信號(hào)以及太陽光譜從空間上分離開，配合邊緣反射鏡Edge_mirror，將接收到的大氣后向散射光譜中的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜的反斯托克斯譜線與Mie-Rayleigh散射光譜以及太陽光譜從空間分開，讓Mie-Rayleigh信號(hào)透過邊緣反射鏡，而讓轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)由邊緣反射鏡反射。
反射的拉曼信號(hào)經(jīng)透鏡L_3入射到窄帶干涉濾光片IF_1上，透過窄帶干涉濾光片IF_1的信號(hào)再透過窄帶干涉濾光片IF_2(IF_1與IF_2的中心波長相同，為λ1(如λ1＝353.9nm)，入射角相同，方向不同)，經(jīng)透鏡L_4聚焦后由光電倍增管PMT_1接收，此為通道1；由窄帶干涉濾光片IF_1反射的信號(hào)，射向窄帶干涉濾光片IF_3，透過窄帶干涉濾光片IF_3的信號(hào)再透過窄帶干涉濾光片IF_4(IF_3與IF_4的中心波長相同，為λ2(如λ2＝353.1nm)，入射角相同，入射方向不同)，經(jīng)透鏡L_5聚焦后由光電倍增管PMT_2接收，此為通道2；用這2個(gè)波長的窄帶于涉濾光片，分離了中心波長為λ1和λ2的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射信號(hào)，同時(shí)對噪聲信號(hào)信號(hào)進(jìn)行2次高精度濾除，以滿足白天及高密度氣溶膠空間的溫度測量要求。通道1和通道2的信號(hào)用于測量大氣溫度。
接收的大氣回波信號(hào)在經(jīng)由光柵Grating衍射后，還可分出波長為407.5nm的振動(dòng)拉曼信號(hào)，經(jīng)反射鏡M1反射后，射向窄帶干涉濾光片IF_5(IF_5的中心波長為407.5nm)，經(jīng)透鏡L_6聚焦后由光電倍增管PMT_3接收，此為通道3，用于測量水蒸氣。
透過邊緣反射鏡Edge_mirror的Mie-Rayleigh散射信號(hào)用于測量氣溶膠特性參數(shù)，這部分光束經(jīng)透鏡L_7準(zhǔn)直后，射向分光鏡BS，透過分光鏡BS的光束經(jīng)透鏡L_8聚焦后，由光電倍增管PMT_4接收，此為通道4，用于測量氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)。由分光鏡BS反射的光束經(jīng)偏振分光鏡PBS又分為2部分由PBS反射的光束經(jīng)透鏡L_9聚焦后，由光電倍增管PMT_5接收，此為通道5；透過偏振分光鏡PBS的光束經(jīng)透鏡L_10聚焦后，由光電倍增管PMT_6接收，此為通道6。通道5和通道6用于測量氣溶膠粒子的偏振度。
窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2的中心波長相同，窄帶干涉濾光片IF_3和IF_4的中心波長相同，并且兩個(gè)波長應(yīng)同時(shí)設(shè)在激光波長的同一側(cè)，其中心波長位置要根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射光譜函數(shù)作相應(yīng)的理論計(jì)算，將窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2的中心波長設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)隨溫度變化率為最小處(λ1)，而將窄帶干涉濾光片IF_3和IF_4的中心波長設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)隨溫度變化率為最大處(λ2)，其光束入射角在0～10度之間。
圖3是本發(fā)明分光系統(tǒng)中被確定的兩個(gè)濾光片中心波長與轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜關(guān)系的曲線圖。選擇探測純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜的反斯托克斯支，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)后向散射截面公式，可以計(jì)算出N2分子在不同波長處的拉散射截面的變化以及溫度系數(shù)如圖3所示，由于低層大氣溫度范圍在200K-300K，這里分別取T＝200K和T＝300K計(jì)算。由圖可見，在353.9nm光譜處，拉曼信號(hào)隨溫度的負(fù)變化率最大，在353.1nm光譜處，拉曼信號(hào)隨溫度的正變化率為最大。為了保證探測的兩個(gè)拉曼信號(hào)都具有一定的強(qiáng)度，所選用的窄帶干涉濾光片就要保證一定的帶寬，因而兩個(gè)干涉濾光片的中心波長不能過于靠近，取兩個(gè)窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2的中心波長λ1和λ2分別為353.9nm和353.1nm。
由于大氣純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的低量子數(shù)和高量子數(shù)譜線的強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而分別減少和增強(qiáng)，選用上述2個(gè)中心波長的喇曼信號(hào)，并對2個(gè)測量信號(hào)進(jìn)行差分處理，系統(tǒng)的溫度測量敏感度成為2個(gè)通道溫度敏感度的和，從而改善了系統(tǒng)的整體測溫敏感度特性。
圖4是本發(fā)明分光系統(tǒng)中邊緣反射鏡位置的確定示意圖，利用高光譜分辨率光柵Grating對系統(tǒng)接收到的大氣散射信號(hào)進(jìn)行分光，光柵的譜分辨率為6pm，衍射光聚焦長度為300mm，取1級衍射級次。由光柵方程計(jì)算得到，經(jīng)聚光鏡后波長為λ1和λ2的衍射光與波長為λ0＝354.67nm的衍射光的空間直線距離分別為0.66mm和1.37mm。可見，利用光柵衍射，可以將Raman波長λ1和λ2的散射信號(hào)和Mie-Rayleigh散射信號(hào)從空間上和光譜上分離開來，并同時(shí)也將日光光譜分開。
散射信號(hào)光譜可簡化為高斯模型，先取光斑直徑d0＝0.30mm，溫度T＝300K，經(jīng)光柵分光后，轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)分別為6和14的轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射信號(hào)強(qiáng)度與Mie-Rayleigh散射信號(hào)強(qiáng)度沿x軸的分布如圖4所示。由圖4可見，將邊緣反射鏡Edge_mirror的遮光位置設(shè)在0.43mm處，就可以使Mie-Rayleigh散射信號(hào)以及大部分太陽背景光透過，而將拉曼散射信號(hào)反射向窄帶濾光片。
根據(jù)圖4所示的光譜位置，將邊緣反射鏡Edge_mirror的遮光位置設(shè)在0.43mm處，對各散射信號(hào)從邊緣反射鏡的遮光位置開始沿x軸進(jìn)行積分，取J＝6得到進(jìn)入通道1的拉曼散射截面強(qiáng)度為1.199×10-34，取J＝14得到進(jìn)入通道2的拉曼散射截面強(qiáng)度為0.62×10-34，進(jìn)入各通道內(nèi)的剩余米散射截面強(qiáng)度和瑞利散射截面強(qiáng)度分別為0.3×10-34和1.128×10-34。改變光斑直徑d0＝0.25mm，Mie-Rayleigh散射信號(hào)的光譜分布也示于圖中，積分后，得到進(jìn)入各通道內(nèi)剩余的瑞利散射截面強(qiáng)度為1.166×10-35，信號(hào)強(qiáng)度又降低了一個(gè)數(shù)量級。
由以上分析可見，利用光柵分光，并借助邊緣反射鏡，對Mie-Rayleigh散射信號(hào)的抑制率可以達(dá)到4個(gè)數(shù)量級，并且同時(shí)能將日光光譜分離并抑制。相對于只使用窄帶干涉濾光片分光，這種分光方法光譜分辨率要高的多，更益于濾除Mie-Rayleigh散射信號(hào)及太陽背景光，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對拉曼信號(hào)的高效率獲得。
散射信號(hào)經(jīng)光柵分光以及邊緣反射鏡后，再分別通過窄帶干涉濾光片IF_1、IF_2和IF_3、IF_4，又使Mie-Rayleigh散射信號(hào)被抑制3個(gè)數(shù)量級以上。至此，整個(gè)光路系統(tǒng)對Mie-Rayleigh散射信號(hào)的抑制率達(dá)到7個(gè)數(shù)量級以上。
圖5是經(jīng)分光器濾光后大氣回波信號(hào)的強(qiáng)度分布圖。
假設(shè)在白天波長λ0附近的太陽背景光的輻射能量密度為300W/m2/sr/μm，根據(jù)激光雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)，可以估算出在波長λ1和λ2光譜線附近，系統(tǒng)探測到的太陽背景光強(qiáng)度為3.7×10-11[W]。按照大氣米散射信號(hào)模型以及雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)，并考慮到分光系統(tǒng)對Mie-Rayleigh散射信號(hào)有7個(gè)數(shù)量級的濾除率，通過激光雷達(dá)方程可計(jì)算出進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)的各散射信號(hào)及太陽背景光的強(qiáng)度隨探測高度分布，其結(jié)果如圖5所示。
由圖5可見，經(jīng)光柵分光、邊緣反射鏡遮擋以及窄帶干涉濾光片的濾光，對Mie-Rayleigh散射信號(hào)的濾除率達(dá)到7個(gè)數(shù)量級，有效地保證了測溫所需的系統(tǒng)信噪比，并且探測的拉曼信號(hào)在2.5km高度以下要比太陽背景光強(qiáng)，因而可以實(shí)現(xiàn)白天低空大氣溫度探測。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)理論上可實(shí)現(xiàn)的白天與夜晚的測量信噪比和溫度測量誤差的高度分布圖。根據(jù)通道1和通道2中各自接收的拉曼散射信號(hào)光子數(shù)以及通道中剩余Mie-Rayleigh信號(hào)光子數(shù)和太陽背景光的光子數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)總信噪比SNR示于圖6。取測量時(shí)間10分鐘，，得到溫度誤差隨探測高度R的變化曲線也示于圖6，在圖6中同時(shí)給出了白天和夜晚觀測時(shí)的可能實(shí)現(xiàn)的探測溫度誤差隨高度變化曲線。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5包括多通道同步高速A/D采集卡，工控計(jì)算機(jī)，以及為求得大氣溫度、水蒸氣密度(相對濕度)以及大氣氣溶膠消光系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等參數(shù)所列的數(shù)據(jù)反演方法及其對應(yīng)的應(yīng)用軟件。
由各個(gè)光電倍增管(PMT_1-PMT_6)檢測出的信號(hào)經(jīng)A/D采集卡的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄與分析處理。對于由通道1和通道2獲得的測量信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過解轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程，可以求出大氣溫度的高度分布。對于由通道3獲得的測量信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過解振動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程，可以求出水蒸氣密度的高度分布。對于由通道4獲得的測量信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過解米散射激光雷達(dá)方程，可以求出氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。對于由通道5和通道6獲得的測量信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過解偏振激光雷達(dá)方程，可以求出卷云和沙塵氣溶膠等非球形粒子后向散射光的退偏振比。
具體包括1.可根據(jù)光電檢測部件PMT_1和PMT_2檢測得到的拉曼散射信號(hào)，按拉曼散射激光雷達(dá)方程求出探測得到的兩個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度以及兩個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度比，結(jié)合系統(tǒng)溫度探測的靈敏度及系統(tǒng)校正參數(shù)，求得大氣的溫度數(shù)值。通過利用氣溫探測的靈敏度及檢測得到的拉曼散射信號(hào)的信噪比，繼而求出系統(tǒng)的氣溫探測誤差。
2.可根據(jù)光電檢測部件PMT_3檢測得到的水蒸氣振動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度信號(hào)，利用水蒸氣拉曼激光雷達(dá)方程和轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)方程，消除大氣消光系數(shù)的影響，經(jīng)反演求得水蒸氣密度。
3.可根據(jù)光電檢測部件PMT_4檢測得到的米-瑞利散射信號(hào)，按米散射激光雷達(dá)方程，經(jīng)反演求得大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)。
4.根據(jù)光電檢測部件PMT_5和PMT_6檢測得到的與激光發(fā)射頻率相同的散射信號(hào)的平行與垂直偏振分量信號(hào)，按偏振激光雷達(dá)方程，經(jīng)反演求得非球形粒子后向散射光的退偏振比。
權(quán)利要求
1.一種氣象與大氣環(huán)境觀測拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)(1)，用于向大氣發(fā)出脈沖激光；一個(gè)接收系統(tǒng)(2)，用于接收上述激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產(chǎn)生的大氣回波信號(hào)，并將該回波信號(hào)送入一個(gè)分光與光電檢測系統(tǒng)(3)，包括分光器，用于將該回波信號(hào)中的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，水汽分子的振動(dòng)拉曼譜線與米-瑞利散射譜線和太陽背景光進(jìn)行分離，和光電檢測器，用于將上述分離后的各種散射光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)接收下來并送入一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，用于接收上述轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，進(jìn)行分析處理，根據(jù)預(yù)裝入的基于求解激光雷達(dá)方程的程序，分別求得大氣的溫度數(shù)值、水蒸氣密度、大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和非球形粒子后向散射光的退偏振比。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的發(fā)射系統(tǒng)(1)包括Nd:YAG激光器(6)，和接收Nd:YAG激光器(6)發(fā)出的脈沖激光束并進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直的擴(kuò)束器(4)。
3.按照權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的接收系統(tǒng)(2)為望遠(yuǎn)鏡。
4.按照權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光與光電檢測系統(tǒng)(3)包括一個(gè)高光譜分辨率光柵Grating、一個(gè)邊緣反射鏡Edge_mirror、5個(gè)窄帶干涉濾光片IF_1、IF_2、IF_3、IF_4、IF_5、一個(gè)分光鏡BS、一個(gè)偏振分光鏡PBS以及光電檢測部件PMT_1、PMT_2、PMT_3、PMT_4、PMT_5和PMT_6，高光譜分辨率光柵Grating將大氣后向散射光衍射后經(jīng)透鏡聚光，不同波長的水蒸氣振動(dòng)拉曼散射光、轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射光、米-瑞利散射光以及太陽背景光光譜信號(hào)在透鏡焦平面上按波長呈有序空間排列；所述的邊緣反射鏡Edge_mirror讓米-瑞利散射光以及大部分太陽背景光通過，而將轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射光反射，反射的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射光一部分透過窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2后，只有以第一頻率分量λ1為中心的光被有選擇性地透過，由光電檢測部件PMT_1檢測；另一部分經(jīng)窄帶干涉濾光片IF_1表面反射后透過窄帶干涉濾光片IF_3和IF_4，只有以第二頻率分量λ2為中心的光被有選擇性地透過，由光電檢測部件PMT_2檢測；由光柵Grating衍射分離出的水蒸氣振動(dòng)拉曼散射信號(hào)透過窄帶干涉濾光片IF_5，由光電檢測部件PMT_3檢測；透過邊緣反射鏡EM的米-瑞利散射信號(hào)，被分光鏡BS分為兩路透過的一路由光電檢測部件PMT_4檢測，反射的一路經(jīng)偏振分光鏡PBS又分為兩路，一路由光電檢測部件PMT_5檢測，另一路由光電檢測部件PMT_6檢測。
5.按照權(quán)利要求4所述的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2的中心波長相同，窄帶干涉濾光片IF_3和IF_4的中心波長相同，并且兩個(gè)波長同時(shí)設(shè)在激光波長的同一側(cè)，窄帶干涉濾光片IF_1和IF_2的中心波長設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)隨溫度變化率的最小處，窄帶干涉濾光片IF_3和IF_4的中心波長設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)隨溫度變化率的最大處，窄帶干涉濾光片IF_5的中心波長設(shè)在水蒸氣振動(dòng)拉曼信號(hào)的波長上，其光束入射角在0～10度之間。
6.按照權(quán)利要求1所述的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)包括多通道同步高速A/D采集卡和工控計(jì)算機(jī)，所述的工控計(jì)算機(jī)中預(yù)裝入進(jìn)行大氣的溫度數(shù)值、水蒸氣密度、大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和非球形粒子后向散射光的退偏振比的數(shù)據(jù)分析、反演的程序軟件。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種氣象與大氣環(huán)境觀測拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、分光與光電檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由發(fā)射系統(tǒng)脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，經(jīng)準(zhǔn)直后垂直射向大氣，激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產(chǎn)生的后向散射光由激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收，接收到的激光雷達(dá)大氣回波信號(hào)再送入分光系統(tǒng)進(jìn)行分光后，由光電檢測系統(tǒng)檢測后，再送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)預(yù)裝入的程序，分別求得大氣的溫度數(shù)值、水蒸氣密度、大氣氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和非球形粒子后向散射光的退偏振比。
文檔編號(hào)G01W1/02GK1987520SQ20061010519
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者華燈鑫, 劉君 申請人:西安理工大學(xué)