振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)及其工作方法，該系統(tǒng)包括：第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)，其中，第一系統(tǒng)工作在紫外波段，第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段；第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)均包括：激光發(fā)射單元，用于向空中發(fā)射激光；光學(xué)接收單元，用于接收大氣對激光發(fā)射單元所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對所述后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光；信號探測及數(shù)據(jù)采集單元，用于從分光后的所述后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息；控制單元，用于控制激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元運行。本發(fā)明可以實現(xiàn)全天候大氣綜合連續(xù)自動觀測。
【專利說明】振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣探測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光設(shè)備與光電探測設(shè)備的快速發(fā)展，使得使用遙感手段對大氣溫濕廓線進行連續(xù)觀測成為可能。由于所用探測束波長較短和定向性較強，使激光雷達具有很高的空間、時間分辨能力(空間分辨可達數(shù)米，時間分辨可達數(shù)秒)和很高的探測靈敏度(可探測近百公里高度處立方厘米僅幾個原子的稀疏大氣成分)等優(yōu)點。應(yīng)用大氣探測激光雷達可以方便高效的對大氣中的各種氣體成分及氣溶膠進行探測，同時應(yīng)用激光雷達還可以獲得高時空分辨率的大氣溫度廓線等參數(shù)。相對而言，激光雷達最適合用于對大氣的探測與研究，因此激光雷達在大氣探測領(lǐng)域據(jù)有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]大氣溫度和水汽廓線是氣象預(yù)報、大氣科學(xué)研究、甚至氣候研究中最為重要的觀測數(shù)據(jù)一部分。傳統(tǒng)的觀測方法是使用探空氣球手段，然而其高昂成本、水平方向的漂移和操作的復(fù)雜性以及對天氣條件的依賴性使得無法實現(xiàn)連續(xù)高時間精度的觀測。許多氣象站通常一天僅進行I次或2次探空氣球觀測。隨著人類社會對于大氣污染和氣候變化的關(guān)注，對于氣溶膠(人類污染)和云(氣候變化預(yù)測最大不確定性因子)的觀測需要急劇增加。目前對于云和氣溶膠的觀測，通常使用獨立的遙感觀測儀器，例如激光雷達。
[0004]大氣溫度廓線通常是基于微波輻射計(有時配合雷達)遙感觀測，大氣濕度廓線通常是基于拉曼激光雷達(有時配合微波輻射計)的觀測。盡管基于微波輻射計開發(fā)的一些方法也可以同時測量溫度和濕度廓線，但其精度和準(zhǔn)確度都不是很好。而基于拉曼雷達探測大氣濕度廓線的方法已經(jīng)相對比較成熟，精確度也很好。并且拉曼散射激光雷達在測溫方面能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的實時探測，具有高的時空分辨率，在連續(xù)監(jiān)測和測量精度等方面所具有的獨到優(yōu)勢，是其它探測手段無法比擬的新穎大氣遙感技術(shù)。
[0005]目前，國內(nèi)雖然有很多方法能夠用來觀測溫度和濕度的廓線，但是能夠同時進行溫度和濕度全天自動觀測的雷達系統(tǒng)還很少或不完善；另外，隨著對于大氣污染和全球變化的廣泛關(guān)注，社會和科研越來越需要氣溶膠和云的長期連續(xù)性觀測，而對云和氣溶膠分別探測的儀器也伴隨需求而出現(xiàn)了很多。然而，能夠同時對大氣溫度、水汽、氣溶膠和云進行同步、連續(xù)、自動、全天觀測的儀器幾乎沒有。
[0006]就該【技術(shù)領(lǐng)域】而言，國內(nèi)的研究主要是基于中科院安徽光機所大氣光學(xué)中心于1995年建造的L625多功能激光雷達，此雷達于1999年增加了測量水汽的Raman通道，但鑒于雷達本身的限制只能進行I?5km水汽的測量，并且僅僅限于夜晚觀測，且不含有1064nm的發(fā)射波長，不能進行對云的觀測。不管是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是探測范圍、探測精度都有待進一步改善。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明實施例提供一種振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，用以實現(xiàn)全天候大氣綜合連續(xù)自動觀測，該振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)包括:
[0008]第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng),其中,第一系統(tǒng)工作在紫外波段,第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段；第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)均包括:
[0009]激光發(fā)射單元,用于向空中發(fā)射激光；
[0010]光學(xué)接收單元，用于接收大氣對激光發(fā)射單元所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對所述后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光；
[0011]信號探測及數(shù)據(jù)采集單元，用于從分光后的所述后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息；
[0012]控制單元，用于控制激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元運行。
[0013]一個實施例中,所述激光發(fā)射單元包括:
[0014]激光器、與激光器連接的二色分束片、以及與二色分束片連接的擴束器。
[0015]一個實施例中，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脈沖激光光源。
[0016]一個實施例中，所述擴束器針對355nm激光束采用3倍擴束，針對532nm和1064nm激光束采用5倍擴束。
[0017]一個實施例中，所述第一系統(tǒng)的光學(xué)接收單元包括:紫外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組；
[0018]所述第二系統(tǒng)的光學(xué)接收單元包括:可見紅外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組。
[0019]一個實施例中，所述紫外望遠鏡采用卡塞格林型，望遠鏡口徑為450mm，焦距為4000mm ;所述可見紅外望遠鏡米用卡塞格林型,望遠鏡口徑為300mm,焦距為4000mm。
[0020]—個實施例中，所述紫外望遠鏡具體用于接收355nm出射激光激發(fā)的354nm和353nm大氣轉(zhuǎn)動拉曼散射信號,355nm大氣米散射信號，以及386nm大氣氮氣拉曼散射信號和407nm大氣水汽拉曼散射信號；
[0021]所述可見紅外望遠鏡具體用于接收532nm和1064nm出射激光激發(fā)的532nm和1064nm大氣米散射信號。
[0022]一個實施例中，所述紫外望遠鏡和可見紅外望遠鏡的分光濾光和聚光鏡片組均包括:光纖、與光纖連接的準(zhǔn)直鏡、與準(zhǔn)直鏡連接的二色分束片、和與二色分束片連接的多片窄帶濾波片。
[0023]一個實施例中，所述信號探測及數(shù)據(jù)采集單元包括:
[0024]光電倍增管，用于將對應(yīng)探測波長的光信號進行光電轉(zhuǎn)換；
[0025]數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡，用于對光電轉(zhuǎn)換后的信號進行數(shù)據(jù)采集。
[0026]一個實施例中，所述光電倍增管采用的參數(shù)為Φ 8mm/80mA/W。
[0027]—個實施例中，所述數(shù)據(jù)采集器的頻率為20MHz，采用12bit模數(shù)AD轉(zhuǎn)換；所述光子計數(shù)卡的頻率為250MHz。
[0028]一個實施例中，所述控制單元包括:
[0029]脈沖延時器，用于在感應(yīng)到激光發(fā)射單元發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，觸發(fā)光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元啟動運行；
[0030]工控機，用于控制激光發(fā)射單元發(fā)射激光的時序和光學(xué)接收單元接收激光的時序。
[0031]本發(fā)明實施例還提供一種上述振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的工作方法，用以實現(xiàn)全天候大氣綜合連續(xù)自動觀測，該方法包括:
[0032]在第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)中，通過激光發(fā)射單元向空中發(fā)射激光；
[0033]通過光學(xué)接收單元接收大氣對激光發(fā)射單元所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對所述后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光；
[0034]通過信號探測及數(shù)據(jù)采集單元從分光后的所述后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息；
[0035]通過控制單元控制激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元運行；
[0036]其中，第一系統(tǒng)工作在紫外波段，第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段。
[0037]一個實施例中，在第一系統(tǒng)中:
[0038]在激光發(fā)射單元中，由激光器發(fā)射三個波長的激光脈沖，通過二色分束片分為紫外與可見紅外兩部分，經(jīng)擴束器對355nm激光進行擴展和準(zhǔn)直后，進入大氣，發(fā)射的355nm、532nm、1064nm激光束通過反射鏡使得激光脈沖光束垂直射入空中，并穿過大氣，云以及氣溶膠；同時，在控制單元中，位于激光器附近的脈沖延時器感應(yīng)到發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，使得在激光發(fā)出后回波信號到達前信號探測及數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡準(zhǔn)備接收后向散射回波信號；
[0039]在光學(xué)接收單元中，通過紫外望遠鏡接收紫外回波，由光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直鏡；通過二色分束片與多片窄帶濾波片的結(jié)構(gòu)組合進行分光，分別輸出到353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm五個波長通道中；
[0040]在信號探測及數(shù)據(jù)采集單元中，由光電倍增管對輸出信號進行探測，通過數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡進行數(shù)據(jù)采集，以轉(zhuǎn)換成溫度、濕度和355nm消光系數(shù)廓線數(shù)據(jù)。
[0041]一個實施例中，在第二系統(tǒng)中:
[0042]在激光發(fā)射單元中，由激光器發(fā)射三個波長的激光脈沖，通過二色分束片分為紫外與可見紅外兩部分，經(jīng)擴束器對可見紅外激光進行擴展和準(zhǔn)直后，進入大氣；發(fā)射的355nm、532nm、1064nm激光束通過反射鏡使得激光脈沖光束垂直射入空中，并穿過大氣，云以及氣溶膠；同時，在控制單元中，位于激光器附近的脈沖延時器感應(yīng)到發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，使得在激光發(fā)出后的回波信號到達前信號探測及數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡準(zhǔn)備接收后向散射回波信號；
[0043]在光學(xué)接收單元中，通過可見紅外望遠鏡接收可見紅外回波，由光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直鏡；通過二色分束片與多片窄帶濾波片的結(jié)構(gòu)組合進行分光，分別輸出到532nm、1064nm兩個波長通道中；
[0044]在信號探測及數(shù)據(jù)采集單元中，由光電倍增管對輸出信號進行探測，通過數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡進行數(shù)據(jù)采集，以轉(zhuǎn)換成532nm和1064nm消光系數(shù)廓線數(shù)據(jù)。
[0045]本發(fā)明實施例的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)使用新型的雙系統(tǒng)設(shè)計方案，第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)均包括激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號探測及數(shù)據(jù)采集單元、控制單元，其中第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)分別工作于紫外波段和可見紅外波段，第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)的光學(xué)接收單元分別接收和處理紫外回波和可見紅外回波，由信號探測及數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)混合層信號無畸變采集，由控制單元保證系統(tǒng)有序運行，與現(xiàn)有激光雷達系統(tǒng)相比，能夠同時對大氣溫度和濕度廓線、氣溶膠和云物理特征進行連續(xù)自動的全天候觀測；不僅探測范圍大、探測精度高、連續(xù)性好，對于天氣(如人工影響天氣，天氣預(yù)報等)和氣候(如全球氣候變化等)研究具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:
[0047]圖1為本發(fā)明實施例中振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖2為本發(fā)明實施例中振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的一具體應(yīng)用實例的不意圖；
[0049]圖3為本發(fā)明實施例中第一系統(tǒng)的一具體實例的示意圖；
[0050]圖4為本發(fā)明實施例中第二系統(tǒng)的一具體實例的示意圖；
[0051]圖5為本發(fā)明實施例中振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的工作方法示意圖。
【具體實施方式】
[0052]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0053]本發(fā)明實施例提供一種振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候大氣綜合連續(xù)自動觀測，具體的，能夠?qū)崿F(xiàn)大氣溫度、垂直水汽、氣溶膠和云的全天候同時連續(xù)觀測。
[0054]圖1為本發(fā)明實施例中振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例中振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)10可以包括:
[0055]第一系統(tǒng)101和第二系統(tǒng)102,其中，第一系統(tǒng)101工作在紫外波段，第二系統(tǒng)102工作在可見紅外波段；第一系統(tǒng)101和第二系統(tǒng)102均包括:
[0056]激光發(fā)射單元201，用于向空中發(fā)射激光；
[0057]光學(xué)接收單元202，用于接收大氣對激光發(fā)射單元201所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光；
[0058]信號探測及數(shù)據(jù)采集單元203，用于從分光后的后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息；
[0059]控制單元204，用于控制激光發(fā)射單元201、光學(xué)接收單元202、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元203運行。
[0060]由圖1所示結(jié)構(gòu)可以得知，本發(fā)明實施例的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)使用新型的雙系統(tǒng)設(shè)計方案，第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)均包括激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號探測及數(shù)據(jù)采集單元、控制單元，其中第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)分別工作于紫外波段和可見紅外波段，第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)的光學(xué)接收單元分別接收和處理紫外回波和可見紅外回波，由信號探測及數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)混合層信號無畸變采集，由控制單元保證系統(tǒng)有序運行，能夠同時對大氣溫度和濕度廓線、氣溶膠和云物理特征進行連續(xù)自動的全天候觀測；不僅探測范圍大、探測精度高，對于天氣(如人工影響天氣，天氣預(yù)報等)和氣候(如全球氣候變化等)研究具有重要意義。
[0061]具體實施時，本發(fā)明實施例的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)中，大部分元器件都盡可能的采用輕小型全固化或模式化結(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、自動化程度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。
[0062]具體實施時，激光發(fā)射單元可以包括:激光器(LASER)、與激光器連接的二色分束片(DBS)、以及與二色分束片連接的擴束器(BE)。其中擴束器可以采用擴束鏡?？梢岳斫?，實施時激光發(fā)射單元還可以包括發(fā)射鏡片組，用于使得激光脈沖光束垂直射入空中。
[0063]具體實施時,激光發(fā)射單元為多波長發(fā)射單元,可以提供355nm、532nm和1064nm脈沖激光光源。具體的，可以由激光器向空中發(fā)射激光脈沖，提供355nm、532nm和1064nm的脈沖激光光源。實施時激光器可以采用美國continuum公司的POWERLITE DLS8020調(diào)Q NdiYAG激光器，發(fā)射355nm、532nm、1064nm三個脈沖激光發(fā)射波長，單模脈沖穩(wěn)定度達到5%，頻率20HZ，單脈沖發(fā)射能量分別大于300mJ，150mJ,400mJ,同時輸出，脈寬小于10ns，線寬小于1.5cm_1,24小時連續(xù)工作。
[0064]具體實施時，擴束器對出射脈沖激光進行準(zhǔn)直擴束，針對355nm激光束可以采用3倍擴束，針對532nm和1064nm激光束可以采用5倍擴束。擴束鏡的基本參數(shù)可以為10mm/3X(355nm)/5X(532nm, 1064nm);入射孔徑:10mm;光學(xué)材質(zhì):紫外波段融石英；光學(xué)透過率:>95% ;抗損傷閾值:0.8J/cm2。
[0065]具體實施時，光學(xué)接收單元可以采用多通道接收光學(xué)單元設(shè)計，可以包括望遠鏡(TEL)及其分光濾光和聚光鏡片組。第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)同時運行，工作在不同波段，第一系統(tǒng)工作在紫外波段，第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段(532nm和1064nm波段)。第一系統(tǒng)的光學(xué)接收單元可以包括:紫外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組；第二系統(tǒng)的光學(xué)接收單元可以包括:可見紅外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組。具體的，紫外望遠鏡可以采用卡塞格林型，望遠鏡口徑可以是450mm，焦距可以是4000mm;可見紅外望遠鏡可以采用卡塞格林型，望遠鏡口徑可以是300mm，焦距可以是4000mm。具體的，紫外望遠鏡可以接收355nm出射激光激發(fā)的354nm和353nm大氣轉(zhuǎn)動拉曼散射信號，355nm大氣米散射信號，以及386nm大氣氮氣拉曼散射信號和407nm大氣水汽拉曼散射信號；可見紅外望遠鏡可以接收532nm和1064nm出射激光激發(fā)的532nm和1064nm大氣米散射信號。
[0066]具體實施時，紫外望遠鏡和可見紅外望遠鏡的分光濾光和聚光鏡片組均可以包括:光纖(0F)、與光纖連接的準(zhǔn)直鏡(L)、與準(zhǔn)直鏡連接的二色分束片、和與二色分束片連接的多片窄帶濾波片(F)。實施時可以使用先進的窄帶濾波片構(gòu)成體積較小的全濾波片分光光路，占用體積小，結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙。[0067]具體的，在紫外望遠鏡的分光濾光和聚光鏡片組中，由二色分束片和多片窄帶濾波片組成第一多色儀；在可見紅外望遠鏡的分光濾光和聚光鏡片組中，由二色分束片和多片窄帶濾波片組成第二多色儀。通過二色分束片與多片高性能窄帶濾波片的結(jié)構(gòu)組合分別組成的第一多色儀和第二多色儀，對望遠鏡收集的回波進行分光，如分開回波中的振動、轉(zhuǎn)動拉曼信號及米、瑞利散射信號，以獲取水汽、溫度及云、氣溶膠等的散射信息。第一多色儀和第二多色儀可以采用下表的參數(shù):
[0068]
【權(quán)利要求】
1.一種振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，包括: 第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)，其中，第一系統(tǒng)工作在紫外波段，第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段；第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)均包括: 激光發(fā)射單元，用于向空中發(fā)射激光； 光學(xué)接收單元，用于接收大氣對激光發(fā)射單元所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對所述后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光； 信號探測及數(shù)據(jù)采集單元，用于從分光后的所述后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息； 控制單元，用于控制激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元運行。
2.如權(quán)利要求1所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射單元包括: 激光器、與激光器連接的二色分束片、以及與二色分束片連接的擴束器。
3.如權(quán)利要求2所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脈沖激光光源。
4.如權(quán)利要求3所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束器針對355nm激光束采用3倍擴束，針對532nm和1064nm激光束采用5倍擴束。
5.如權(quán)利要求1所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述第一系統(tǒng)的光學(xué)接收單元包括:紫外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組； 所述第二系統(tǒng)的光學(xué)接收單元包括:可見紅外望遠鏡及其分光濾光和聚光鏡片組。
6.如權(quán)利要求5所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述紫外望遠鏡采用卡塞格林型，望遠鏡口徑為450mm，焦距為4000mm ;所述可見紅外望遠鏡采用卡塞格林型，望遠鏡口徑為300mm，焦距為4000mm。
7.如權(quán)利要求5所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述紫外望遠鏡具體用于接收355nm出射激光激發(fā)的354nm和353nm大氣轉(zhuǎn)動拉曼散射信號，355nm大氣米散射信號，以及386nm大氣氮氣拉曼散射信號和407nm大氣水汽拉曼散射信號; 所述可見紅外望遠鏡具體用于接收532nm和1064nm出射激光激發(fā)的532nm和1064nm大氣米散射信號。
8.如權(quán)利要求5所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述紫外望遠鏡和可見紅外望遠鏡的分光濾光和聚光鏡片組均包括:光纖、與光纖連接的準(zhǔn)直鏡、與準(zhǔn)直鏡連接的二色分束片、和與二色分束片連接的多片窄帶濾波片。
9.如權(quán)利要求1所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述信號探測及數(shù)據(jù)采集單元包括: 光電倍增管，用于將對應(yīng)探測波長的光信號進行光電轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡，用于對光電轉(zhuǎn)換后的信號進行數(shù)據(jù)采集。
10.如權(quán)利要求9所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述光電倍增管采用的參數(shù)為Φ 8mm/80mA/W。
11.如權(quán)利要求9所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集器的頻率為20MHz，采用12bit模數(shù)AD轉(zhuǎn)換；所述光子計數(shù)卡的頻率為250MHz ο
12.如權(quán)利要求1所述的振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元包括: 脈沖延時器，用于在感應(yīng)到激光發(fā)射單元發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，觸發(fā)光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元啟動運行； 工控機，用于控制激光發(fā)射單元發(fā)射激光的時序和光學(xué)接收單元接收激光的時序。
13.—種權(quán)利要求1至12任一項所述振動-轉(zhuǎn)動拉曼-米散射多波長激光雷達系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括: 在第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)中，通過激光發(fā)射單元向空中發(fā)射激光； 通過光學(xué)接收單元接收大氣對激光發(fā)射單元所發(fā)射激光的后向散射回波信號，對所述后向散射回波信號進行轉(zhuǎn)動拉曼、振動拉曼以及彈性散射分光； 通過信號探測及數(shù)據(jù)采集單元從分光后的所述后向散射回波信號中獲取大氣溫度、水汽、氣溶膠以云的參數(shù)信息； 通過控制單元控制激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、和信號探測及數(shù)據(jù)采集單元運行； 其中，第一系統(tǒng)工作在紫外波段，第二系統(tǒng)工作在可見紅外波段。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在第一系統(tǒng)中: 在激光發(fā)射單元中，由激光器發(fā)射三個波長的激光脈沖，通過二色分束片分為紫外與可見紅外兩部分，經(jīng)擴束器對355nm激光進行擴展和準(zhǔn)直后，進入大氣，發(fā)射的355nm、532nm、1064nm激光束通過反射鏡使得激光脈沖光束垂直射入空中，并穿過大氣，云以及氣溶膠；同時，在控制單元中，位于激光器附近的脈沖延時器感應(yīng)到發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，使得在激光發(fā)出后回波信號到達前信號探測及數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡準(zhǔn)備接收后向散射回波信號； 在光學(xué)接收單元中，通過紫外望遠鏡接收紫外回波，由光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直鏡；通過二色分束片與多片窄帶濾波片的結(jié)構(gòu)組合進行分光，分別輸出到353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm五個波長通道中； 在信號探測及數(shù)據(jù)采集單元中，由光電倍增管對輸出信號進行探測，通過數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡進行數(shù)據(jù)采集，以轉(zhuǎn)換成溫度、濕度和355nm消光系數(shù)廓線數(shù)據(jù)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在第二系統(tǒng)中: 在激光發(fā)射單元中，由激光器發(fā)射三個波長的激光脈沖，通過二色分束片分為紫外與可見紅外兩部分，經(jīng)擴束器對可見紅外激光進行擴展和準(zhǔn)直后，進入大氣；發(fā)射的355nm、532nm、1064nm激光束通過反射鏡使得激光脈沖光束垂直射入空中，并穿過大氣，云以及氣溶膠；同時，在控制單元中，位于激光器附近的脈沖延時器感應(yīng)到發(fā)出的激光后，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號，使得在激光發(fā)出后的回波信號到達前信號探測及數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡準(zhǔn)備接收后向散射回波信號； 在光學(xué)接收單元中，通過可見紅外望遠鏡接收可見紅外回波，由光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直鏡；通過二色分束片與多片窄帶濾波片的結(jié)構(gòu)組合進行分光，分別輸出到532nm、1064nm兩個波長通道中； 在信號探測及數(shù)據(jù)采集單元中，由光電倍增管對輸出信號進行探測，通過數(shù)據(jù)采集器和光子計數(shù)卡進行數(shù)據(jù)采集，以轉(zhuǎn)換成532nm和1064nm消光系數(shù)廓線數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01N21/47GK103792544SQ201410053652
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】趙傳峰, 王玉詔, 王倩倩, 呂敏 申請人:北京師范大學(xué)