專利名稱：實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光測量大氣風場的裝置，更具體地說是一種測量大氣風場的實
時定標高光譜分辨率激光雷達裝置。
背景技術：
大氣風場是氣象觀測中的重要參數(shù)，在天氣、氣候、海洋、環(huán)境以及交通、航空、航 天等領域都有重要的應用價值。高光譜分辨率激光雷達可以獲取高精度高時空分辨率的大 氣風場數(shù)據(jù)，為數(shù)值天氣預報提供初始數(shù)據(jù)，提高中小尺度災害性天氣的觀測和預報能力； 為風力發(fā)電廠提供風場監(jiān)測，提高發(fā)電機功率；亦可快速、準確探測飛行全程中湍流、風切 變等嚴重影響飛機安全的大氣結構，為飛行導航提供安全保障。 當前用于大氣風場測量的測風激光雷達，主要分為相干測風激光雷達和非相干測 風激光雷達。相干測風激光雷達只能作用于氣溶膠含量較高的低空區(qū)域。非相干探測技術 (又稱為高光譜分辨率技術、直接探測技術)通過高分辨率的光譜分析器件來直接探測頻 率變化引起的探測信號強度變化，進而求取風速，可以測量大氣分子和氣溶膠散射信號，探 測高度0. 5km 20km的大氣風場?；诘夥肿訛V波器的高光譜分辨率激光雷達，是非相干 技術的典型代表。它利用碘分子濾波器的某一吸收譜線(如532nm激光選用1109吸收線) 作為鑒別多普勒頻移的濾波器，將發(fā)射激光頻率鎖定于吸收線的邊緣中心處，大氣后向散 射的回波信號通過碘池，則多普勒頻移將體現(xiàn)到后向散射光通過碘分子濾波器時的透過率 (即碘分子光譜吸收線與散射光譜的巻積)的變化上，利用光電探測器件測得散射光信號 透過碘池的能量，進而反演透過率，獲取頻移量得到大氣風速。 但由于高光譜分辨率激光雷達探測的大氣彈性散射信號中包含光譜特性截然不 同的氣溶膠散射(Mie散射，帶寬窄)和大氣分子散射(Rayleigh散射，帶寬寬)，兩種散射 信號通過鑒頻濾波器的透過率各不相同，因此，為了準確測風，探測時必須知道當時大氣中 氣溶膠和分子的相對濃度，用以實時標定測量靈敏度(即lm/s單位風速引起的探測器響應 變化)。高光譜分辨率激光雷達可以探測氣溶膠相對濃度，但是這種探測必須在風速測量以 外的時間獨立進行。這不僅需要分配額外的測量時間(也就是發(fā)射功率)，更重要的是，氣 溶膠的時空變化劇烈，非同步的氣溶膠測量不能準確反映測風當時的大氣狀態(tài)(以上現(xiàn)象 在海面風場、邊界層風場探測等小尺度天氣過程中更加明顯)。 此外，為準確測量大氣分子散射信號的多普勒頻移，高光譜分辨率激光雷達還需 要獲得當時大氣的溫度信息，以校正大氣分子散射光譜的譜線寬度。已有測風激光雷達系 統(tǒng)中，大氣溫度信息來自其他獨立的觀測資料(如探空氣球等)，或者來自于大氣模型(某 區(qū)域大氣統(tǒng)計數(shù)據(jù))。因此采用的溫度信息都不是在測風同時獲得的，難免會引入誤差。
雖然高光譜分辨率激光雷達技術已經進入業(yè)務化實驗階段，但仍無法實時獲得準 確的氣溶膠相對濃度和大氣溫度狀態(tài)信息，即無法實時定標測量靈敏度而進入真正實用 化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，以彌補已有技術 的不足。 本發(fā)明是在已有的高光譜分辨率激光雷達基礎上，由于其測量通道和參考通道只 包含了氣溶膠散射和大氣分子散射的總和信息，故僅能檢測出因多普勒頻移而產生的能量 總差?？紤]到實時獲取氣溶膠相對濃度和大氣溫度信息以準確測風并獲取更多大氣參數(shù) 的重要性，在已有的高光譜分辨率激光雷達接收系統(tǒng)中增加兩個轉動拉曼的接收通道，以 提取高光譜分辨率激光雷達探測信號中被忽略的光譜成分——非彈性散射光譜，即大氣分 子轉動拉曼譜，它包含大氣分子散射的信息，可提取氣溶膠的相對濃度。利用分光鏡從已 有探測光譜中分離出非彈性散射光譜，再利用一片分光鏡將分離出的光譜分成兩個接收通 道一轉動拉曼通道一和轉動拉曼通道二，通道一中選用相應的窄帶光學濾波器提取隨溫 度升高而增強的轉動拉曼譜，通道二中選用相應的窄帶光學濾波器提取隨溫度升高而減弱 的轉動拉曼譜，兩個通道分別用一個光電探測器接收。兩通道的結合使用既可降低溫度對 測量的影響，獲得準確的實時氣溶膠相對濃度，又能反演實時的大氣溫度信息。如此，就能 實時定標測量靈敏度，準確測量大氣風場，解決高光譜分辨率激光雷達實用化的技術難點。
本發(fā)明包括由脈沖激光器、擴束鏡和反射鏡組成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠鏡、光學濾波 器a、碘分子濾波器、分光鏡a和兩個光電探測器組成的接收系統(tǒng)；與兩個光電探測器相連 接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理計算機，其特征在于它還包括了由分光鏡b、光學濾波器b及 一個光電探測器組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c、光學濾波器c及一個光電探測器組成 的轉動拉曼通道二，且這兩個轉動拉曼通道經由通道一的分光鏡b，從已有接收系統(tǒng)分光鏡 a透射而來的光譜中分離透射出非彈性散射光譜，且這兩個通道之間通過通道二的分光鏡 b相連，又與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，并經數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算 機。 本發(fā)明的主要優(yōu)點在于能在一次光探測中，同時獲取諸多大氣參量(大氣分子 后向散射系數(shù)，氣溶膠后向散射系數(shù)，氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度)及風速，測量效率高。實 時獲取的氣溶膠相對濃度信息能顯著減少因氣溶膠時空變化而引入的測量誤差；實時獲取 的同步大氣溫度信息可以減少利用統(tǒng)計大氣模型引入的反演誤差，平均誤差量降低到原來 的30%以內，風速測量精度達到lm/s，實時定標，測量準確度高。


下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
圖l，本發(fā)明的總體結構方框示意圖。 其中，l.脈沖激光器2.擴束鏡3.反射鏡4.望遠鏡5.光學濾波器a 6.分光鏡 a7.分光鏡b 8.分光鏡c 9.碘分子濾波器IO.光學濾波器b 11.光學濾波器c 12.光 電探測器13.光電探測器14.光電探測器15.光電探測器16.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17.數(shù)據(jù)處理 計算機。
具體實施例方式如圖l，本發(fā)明包括由脈沖激光器1、擴束鏡2和反射鏡3組成的發(fā)射系統(tǒng)；由望
4遠鏡4、光學濾波器a5、分光鏡a6、碘分子濾波器9、光電探測器12和光電探測器13組成的 接收系統(tǒng)；與光電探測器12、光電探測器13相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16和數(shù)據(jù)處理計算機 17，其特征是它還包括由分光鏡a6的透射光所到達的分光鏡b7，且由分光鏡b7、光學濾波 器blO、光電探測器14組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c8、光學濾波器cll、光電探測器 15組成的轉動拉曼通道二，且兩個轉動拉曼通道相互間通過分光鏡c8相連，光電探測器14 和光電探測器15又都與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16相連接，并經數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16將采集的信息傳入 到數(shù)據(jù)處理計算機17而同時測量大氣散射參數(shù)，實時定標靈敏度準確測量風速。
上述脈沖激光器1可以采用已有脈沖激光器，如各種固體激光器、光纖激光器，單 縱模穩(wěn)頻(波長為532. 25nm)。例如，選用photonics公司的倍頻Nd: YAG脈沖激光器，單脈 沖能量600mJ，重復頻率50KHz，采用種子注入技術。 上述望遠鏡4可采用反射式、折反式等通用望遠鏡，例如美國Celestron公司生產 的820mm卡塞格倫望遠鏡。擴束鏡2可選用10倍擴束的即可。 上述光學濾波器a 5為帶通光學濾波器(波長范圍528. 2nm 532. 8)，光學濾波 器b 10和光學濾波器c 11為窄帶光學濾波器(中心波長為別為531. lnm和528. 5nm)，可 選用干涉濾光片、Fabry-Perot標準具或者法拉第反常色散濾波器。 上述分光鏡a 6、分光鏡b 7和分光鏡c 8為透過率隨入射角變化而變化的帶通濾
色片，可選用干涉濾光片、光柵分光系統(tǒng)或者Fabry-Perot標準具。 碘分子濾波器9，可采用15cm長的碘池，通光口徑應略大于光束。 上述光電探測器12U3、14和15，為同一型號種類的光電探測器件，可以選用高靈
敏度和高速響應的光電二極管、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD)，可選用濱淞光子公司
的光電倍增管Electron tubes 9893/350。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16，可選用德國Licel公司的TR16-160數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明的脈沖激光器1發(fā)射的光束經過擴束鏡2擴束壓縮發(fā)散角后，經過反射鏡3 發(fā)射到大氣當中，被大氣分子或氣溶膠散射。而大氣的運動-風，會使散射光的中心頻率產 生多普勒頻移。上述大氣的散射光由望遠鏡4收集后，通過光學濾波器a 5壓縮天空背景 輻射，接著由分光鏡a 6、分光鏡b 7和分光鏡c 8選通分光，分別進入帶碘分子濾波器9的 測量通道，直接測光通量的參考通道，帶光學濾波器b 10的轉動拉曼通道一和帶光學濾波 器c ll的轉動拉曼通道二。四個通道分別利用光電探測器12、13、14和15這四個光電探 測器進行光電轉換，得到的電信號輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16將電信號數(shù)字 化，匯總到數(shù)據(jù)處理計算機17進行反演運算，得到實時的氣溶膠相對濃度和大氣溫度，準 確計算出大氣分子后向散射系數(shù)，氣溶膠后向散射系數(shù)，氣溶膠消光系數(shù)及多普勒頻移量， 獲得大氣風場。
權利要求
一種實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，包括由脈沖激光器(1)、擴束鏡(2)和反射鏡(3)組成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠鏡(4)、光學濾波器a(5)、分光鏡a(6)、碘分子濾波器(9)、光電探測器(12)和光電探測器(13)組成的接收系統(tǒng)；與光電探測器(12)、光電探測器(13)相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16)和數(shù)據(jù)處理計算機(17)，其特征是它還包括由分光鏡a(6)的透射光所到達的分光鏡b(7)，且由分光鏡b(7)、光學濾波器b(10)、光電探測器(14)組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c(8)、光學濾波器c(11)、光電探測器(15)組成的轉動拉曼通道二，而且兩個轉動拉曼通道相互間通過分光鏡c(8)相連，光電探測器(14)和光電探測器(15)又都與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16)相連接，并經數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16)將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算機(17)而同時測量大氣散射參數(shù)。
2. 如權利要求1所述的實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，其特征是上述同時測量的大氣散射參數(shù)是大氣分子彈性散射、拉曼散射和氣溶膠散射參數(shù)。
3 如權利要求1所述的實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，其特征是上述的光學濾波器a(5)為帶通光學濾波器，波長范圍528. 2nm 532. 8nm。
4. 如權利要求1所述的實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，其特征是上述的光學濾波器b(10)為窄帶光學濾波器，中心波長為531. lnm。
5. 如權利要求1所述的實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置，其特征是上述的光學濾波器c(ll)為窄帶光學濾波器，中心波長為528. 5nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量大氣風場的實時定標高光譜分辨率激光雷達裝置。包括由脈沖激光器、擴束鏡和反射鏡組成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠鏡、光學濾波器、碘分子濾波器、分光鏡和光電探測器組成的接收系統(tǒng)；與光電探測器相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理計算機，其特征在于它還包括了兩個轉動拉曼的接收通道，且這兩個轉動拉曼通道經由分光鏡并行相連，從原探測信號中提取大氣分子轉動拉曼譜，又與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相串接，且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理計算機相連而將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算機。本發(fā)明特點是在一次光探測中獲取氣溶膠相對濃度及大氣參量，同時反演風速，提高測量效率和測量準確度，風速測量精度達到1m/s。
文檔編號G01S7/481GK101710178SQ20091023137
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日2009年12月4日
發(fā)明者劉智深, 吳松華, 陳陽 申請人:中國海洋大學