本發(fā)明涉及一種可同時(shí)高精度探測0-35km高度風(fēng)場、溫度和氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)及其探測方法，特別涉及一種基于f-p標(biāo)準(zhǔn)具的紫外三頻率高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)及其探測方法。

背景技術(shù)：

大氣風(fēng)速、溫度和氣溶膠光學(xué)特性垂直廓線及其時(shí)間演變特征資料對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣科學(xué)以及氣候變化、大氣熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等研究都起著至關(guān)重要的作用。對大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性的探測和研究具有重要的科學(xué)意義。特別要提到的是，伴隨臨近空間飛行器的發(fā)展，空間環(huán)境安全保障已經(jīng)成為重要問題。平流層大氣風(fēng)場復(fù)雜變化和溫度、密度、氣壓狀態(tài)及動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)將直接影響臨近空間(20～100km)飛行器安全、航空航天活動(dòng)的有效進(jìn)行和無線電系統(tǒng)的信息傳輸?shù)取Ｒ虼?，對平流層空間大氣環(huán)境要素(溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、壓強(qiáng)、密度等)的高精度探測，特別是“零風(fēng)層”(18～25km)的探測，提供平流層大氣狀態(tài)的預(yù)報(bào)和現(xiàn)報(bào)以及分析研究平流層的大氣特征分布，還具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

目前，對氣溶膠的探測主要有米散射激光雷達(dá)、偏振激光雷達(dá)和高光譜分辨率激光雷達(dá)。激光雷達(dá)探測大氣溫度的方法主要有：差分吸收法、瑞利散射積分法、瑞利散射光譜分析法和轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射法等。對大氣風(fēng)場的探測主要采用多普勒激光雷達(dá)。根據(jù)探測體制不同，所采用的鑒頻技術(shù)有相干探測技術(shù)和直接探測技術(shù)。其中基于f-p標(biāo)準(zhǔn)具邊緣技術(shù)是目前較為成熟的、國際上對中高層大氣風(fēng)場探測最為普遍采用的技術(shù)。但是，進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，上述單參數(shù)探測技術(shù)在對0～35km高度對應(yīng)的大氣參數(shù)進(jìn)行探測時(shí)，存在探測精度不高、探測范圍不能覆蓋0～35km高度等缺陷；或者由于風(fēng)速、溫度和氣溶膠等三個(gè)參數(shù)的相互影響，導(dǎo)致反演誤差較大的缺點(diǎn)。例如：若采用高光譜分辨率激光雷達(dá)高精度測量氣溶膠，需要知道大氣溫度信息；若采用基于瑞利散射光譜分析法的高光譜分辨率激光雷達(dá)高精度測量大氣溫度，需要準(zhǔn)確扣除氣溶膠信息，同時(shí)還要考慮修正布里淵散射的影響；若采用基于邊緣技術(shù)的直接探測多普勒激光雷達(dá)高精度測量大氣風(fēng)速，需要知道氣溶膠和溫度信息。因此，為克服傳統(tǒng)單參數(shù)探測技術(shù)探測精度不高、探測范圍不能覆蓋或反演誤差較大等缺點(diǎn)，有必要探索可同時(shí)高精度探測0～35km高度(對流層和低平流層區(qū)域)大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性等大氣參數(shù)的激光雷達(dá)新技術(shù)。目前國內(nèi)外能夠同時(shí)高精度探測0～35km高度的大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性的激光雷達(dá)技術(shù)還未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于f-p標(biāo)準(zhǔn)具的紫外三頻高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)及其探測方法，能用于同時(shí)探測0-35km高度大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠等大氣參數(shù)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的雷達(dá)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用種子光注入nd：yag激光器作為發(fā)射源，發(fā)出線偏振光束，通過聲光調(diào)制器使發(fā)射激光頻率在v0、v-和v+之間交替改變。由于米散射強(qiáng)度與波長λ^1.3近似成反比，瑞利散射強(qiáng)度與λ⁴成反比，故工作波長采用355nm以獲得強(qiáng)的探測信號。發(fā)射激光由第一分束鏡分成兩束，占有絕大部分能量的透射光由擴(kuò)束鏡壓縮光束發(fā)散角后，經(jīng)過依次通過第一45度反射鏡、二維掃描儀的兩個(gè)反射鏡，最終以預(yù)設(shè)的方位角和天頂角垂直透過玻璃平板進(jìn)入大氣被測區(qū)域。其大氣后向散射光由望遠(yuǎn)鏡接收，依次經(jīng)過凹透鏡、窄帶濾光片、電光調(diào)制器和半波片后，絕大部分能量透過第二分束鏡，再由第二45度反射鏡反射后，依次經(jīng)過第四凸透鏡、視場光闌、第五凸透鏡、第一偏振分束棱鏡、第一四分之一波片后入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的通道1，其透射光束由第六凸透鏡會(huì)聚進(jìn)入第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管；其反射光束依次經(jīng)過第一四分之一波片、第一偏振分束棱鏡、第二偏振分束棱鏡和第二四分之一波片后，入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的通道2。通道2的透射光束由第七凸透鏡會(huì)聚進(jìn)入第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管；反射光束再次經(jīng)過第二偏振分束棱鏡和第二四分之一波片后，由第八凸透鏡會(huì)聚進(jìn)入第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管。第一分束鏡占有很少能量的反射光進(jìn)入第一光纖跳線一端，從另一端出來的光信號進(jìn)入積分球，從積分球出來的光信號作為參考光信號，再由第二光纖跳線一端耦合，從其另一端出射的光信號先后經(jīng)過第九凸透鏡和偏振片，再由第三分束鏡分為兩束。第三分束鏡占有大部分能量的反射光束依次經(jīng)過第三45度反射鏡、第十凸透鏡、第十一凸透鏡和孔徑光闌后，由第四分束鏡分為兩束，其反射光束由第十二凸透鏡會(huì)聚進(jìn)入第一模擬探測模式光電倍增管；透射光束入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的通道l，出射光束再由第十三凸透鏡會(huì)聚進(jìn)入第二模擬探測模式光電倍增管。第三分束鏡的透射光束經(jīng)過第二分束鏡反射后，再經(jīng)過和后向散射光信號完全一樣的光路，用于系統(tǒng)校準(zhǔn)以及風(fēng)場測量時(shí)發(fā)射光頻率測量。參考光和后向散射光由電光調(diào)制器信號在時(shí)序上實(shí)現(xiàn)隔離。兩個(gè)模擬探測模式光電倍增管和三個(gè)光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管的輸出信號分別由a/d卡和光子計(jì)數(shù)采集卡進(jìn)行采集，再由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)反演以及結(jié)果顯示等。整個(gè)系統(tǒng)的激光器、fp標(biāo)準(zhǔn)具、二維掃描儀、a/d卡和光子計(jì)數(shù)采集卡等均通過rs232接口由工控機(jī)控制。測量過程中，發(fā)射激光經(jīng)由二維掃描系統(tǒng)先后指向天頂和兩個(gè)正交、天頂角為30°方向。當(dāng)指向天頂時(shí)，發(fā)射激光頻率在v0、v-和v+之間交替改變，頻率為v0的激光用于測量大氣溫度和氣溶膠光學(xué)特性，頻率為v-和v+的激光用于測量垂直風(fēng)速分量；當(dāng)指向兩個(gè)正交、天頂角為30°方向時(shí)，發(fā)射激光頻率在v-和v+之間交替改變，用于測量水平風(fēng)速分量。

本發(fā)明的風(fēng)場、溫度和氣溶膠的總體探測方法如圖2所示。f-p標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)通道(通道l)用于鎖定發(fā)射激光頻率；另外兩個(gè)通道(通道1和通道2)為探測通道，光路為級聯(lián)方式，以提高探測信噪比。三個(gè)通道標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)成一體(自由譜間距相同)，確保了各頻譜之間的相對穩(wěn)定性，三個(gè)通道標(biāo)準(zhǔn)具的自由譜間距都為8ghz，通道l的譜寬為0.2ghz，通道1和通道2的譜寬都為1ghz，通道1和通道2的峰峰間隔為4ghz，通道1和通道l的峰峰間隔為0.1ghz。發(fā)射激光頻率在v0、v-和v+之間交替改變，其中：v-＝v0-2ghz，v+＝v0+2ghz，v0被鎖定在通道l透射譜的左側(cè)半高寬處，也即通道1的峰值處。當(dāng)頻率為v-或v+時(shí)，通道1和通道2作為風(fēng)速探測的兩個(gè)邊緣通道，在已知?dú)馊苣z后向散射比條件下，利用瑞利和米散射信號共同測量大氣風(fēng)場，如圖3所示。采用雙發(fā)射激光頻率可以充分利用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具透射譜的四個(gè)邊緣。當(dāng)頻率為v0時(shí)，通道1和通道2作為氣溶膠和溫度探測通道，利用通道1的透射譜和通道2的反射譜將米和瑞利后向散射信號分離，如圖4所示；利用通道2的透反射譜探測瑞利信號譜兩翼獲取大氣溫度，圖5所示。若對氣溶膠很少的高層大氣測量，經(jīng)氣溶膠修正后，通道1又可作為一個(gè)溫度探測通道測量瑞利譜的中部，以提高溫度測量精度，如圖6所示。探測光路設(shè)計(jì)成級聯(lián)方式，使雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射信號得到充分利用，大大提高了各參數(shù)探測的信噪比。同時(shí)，通過對兩個(gè)探測通道的自由譜間距、譜寬和頻譜間隔的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其對風(fēng)速、溫度和氣溶膠后向散射比測量精度幾乎同時(shí)達(dá)到最佳。這幾方面保證了系統(tǒng)具有較高的探測性能。這里風(fēng)場探測采用雙級聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具雙頻率四邊緣技術(shù)；氣溶膠探測采用雙級聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具的前級透射譜和后級反射譜的信號分離技術(shù)；低層溫度探測采用單標(biāo)準(zhǔn)具雙級透射譜的瑞利譜兩翼探測技術(shù)；高層溫度探測采用雙級聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具的前級單透射譜和后級雙透射譜的瑞利譜中部與兩翼同時(shí)探測技術(shù)。

激光雷達(dá)接收到垂直高度z～z+δz之間的米和瑞利后向散射信號的光電子數(shù)分別為：

式中n為脈沖累積數(shù)；y(z)是激光雷達(dá)的幾何重疊因子；η0＝tttr，tt和tr分別是發(fā)射和接收光學(xué)單元的總透過率；η為探測器的量子效率(假定各支路探測器量子效率相同，實(shí)際是有差異的)；e0為發(fā)射激光脈沖能量；λ為發(fā)射激光波長；h＝6.626×10^-34j是普朗克常量；c為光速；a0為接收望遠(yuǎn)鏡的接收面積；z為垂直高度；δz為垂直距離分辯率；為發(fā)射激光仰角；βa(λ，z)和βm(λ，z)分別為氣溶膠和大氣分子后向散射系數(shù)；α＝αa+αm為總的消光系數(shù)，αa為氣溶膠消光系數(shù)，αm為大氣分子消光系數(shù)。

頻率為v的單色平行光激光入射到第i通道單f-p標(biāo)準(zhǔn)具的透過率函數(shù)為：

式中i＝1，2，l，分別對應(yīng)兩探測通道和鎖定通道；ηi＝tp，i(1-ri)/(1+ri)，tp，i為標(biāo)準(zhǔn)具的峰值透過率，若忽略平板吸收損耗，tp，i＝1，ri為平板有效反射率；vi為標(biāo)準(zhǔn)具頻譜中心頻率；vfsr為標(biāo)準(zhǔn)具自由譜間距。

假定發(fā)射激光為高斯譜線，氣溶膠后向散射譜和分子后向散射譜分別可表示為：

式中δva＝δv/(4ln2)^1/2，δv為激光發(fā)射譜寬；δvr＝(8kt/mλ²)^1/2為瑞利譜線的1/e高度處的寬度，λ為激光波長，k為玻耳茲曼常數(shù)，t為大氣溫度，m為分子質(zhì)量；vs＝v0，±±2vr/λ為后向散射譜中心頻率，v0，±為發(fā)射激光中心頻率，vr為徑向風(fēng)速。

實(shí)際發(fā)射激光在經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后，全發(fā)散角為2θ0，則實(shí)際兩個(gè)探測通道的三個(gè)接收支路與標(biāo)準(zhǔn)具有關(guān)的有效光學(xué)透過率，經(jīng)過前期嚴(yán)格推導(dǎo)得到：

式中：

其中i＝1，2；j＝a，m；則三個(gè)光子計(jì)數(shù)探測器接收到的后向散射信號光子數(shù)為：

nx(z，vs，t)＝na(z，vs)txa(vs)+nm(z，vs)txm(vs，t)

其中x＝1，2，3。利用nx可以反演得到大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠。

本發(fā)明所述的雷達(dá)系統(tǒng)由種子注入光源、第一凸透鏡、光隔離器、聲光頻移器、第二凸透鏡、第三凸透鏡、脈沖nd：yag激光器、第一分束鏡、擴(kuò)束鏡、第一45度反射鏡、二維掃描儀、玻璃平板、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、凹透鏡、窄帶濾光片、電光調(diào)制器、半波片、第二分束鏡、第二45度反射鏡、第四凸透鏡、視場光闌、第五凸透鏡、第一偏振分束棱鏡、第一四分之一波片、三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具、第六凸透鏡、第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管、第二偏振分束棱鏡、第二四分之一波片、第七凸透鏡、第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管、第八凸透鏡、第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管、第一光纖跳線、積分球、第二光纖跳線、第九凸透鏡、偏振片、第三分束鏡、第三45度反射鏡、第十凸透鏡、第十一凸透鏡、孔徑光闌、第四分束鏡、第十二凸透鏡、第一模擬探測模式光電倍增管、第十三凸透鏡、第二模擬探測模式光電倍增管、種子光驅(qū)動(dòng)電源、a/d卡和光子計(jì)數(shù)采集卡、觸發(fā)電路、fp標(biāo)準(zhǔn)具控制器、聲光頻移器驅(qū)動(dòng)、電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)、激光驅(qū)動(dòng)電源、二維掃描儀控制器和工控機(jī)組成，其特征是：種子注入光源分別和種子光驅(qū)動(dòng)電源、觸發(fā)電路相連，種子注入光源發(fā)出的種子光先后經(jīng)第一凸透鏡、光隔離器、聲光頻移器、第二凸透鏡、第三凸透鏡后，注入脈沖nd：yag激光器，發(fā)出355nm的線偏振脈沖光。聲光頻移器和聲光頻移器驅(qū)動(dòng)相連，由驅(qū)動(dòng)信號控制從聲光頻移器出來的光頻率在v0、v-＝v0-2ghz和v+＝v0+2ghz之間交替改變。三個(gè)通道標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)成一體(自由譜間距相同)，確保各頻譜之間的相對穩(wěn)定性。三個(gè)通道標(biāo)準(zhǔn)具的自由譜間距都為8ghz，通道l的譜寬為0.2ghz，通道1和通道2的譜寬都為1ghz，通道1和通道2的峰峰間隔為4ghz，為自由譜間距的一半，即通道1的某級頻譜在通道2相鄰兩級頻譜的中間。通道1和通道l的峰峰間隔為0.1ghz。該設(shè)計(jì)參數(shù)對風(fēng)速、溫度和氣溶膠后向散射比測量精度幾乎同時(shí)達(dá)到最佳。發(fā)射激光頻率在v0被鎖定在通道l透射譜的左側(cè)半高寬處，也即通道1的峰值處；發(fā)射激光頻率v-在通道1頻譜左側(cè)，并鎖定在通道1頻譜和通道2頻譜中間；發(fā)射激光頻率v+在通道1頻譜右側(cè)，并鎖定在通道1頻譜和通道2頻譜中間。大氣后向散射信號經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡收集，在經(jīng)過凹透鏡、窄帶濾光片后，進(jìn)入高速電光調(diào)制器，高速電光調(diào)制器和電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)相連，電光調(diào)制器阻斷激光器出光后0-4μs左右時(shí)間段內(nèi)的大氣后向散射光信號，不僅可避免參考光信號和大氣后向散射光信號混疊在一起，又防止近距離強(qiáng)的大氣后向散射光信號使得探測器飽和。從電光調(diào)制器出來的光束再經(jīng)過半波片調(diào)節(jié)線偏振光的偏振方向。從半波片出來的光偏振方向平行于紙面，恰好可以完全透過第一偏振分束棱鏡，其透過第二分束鏡后由第二45度反射鏡反射。反射光依次經(jīng)過第四凸透鏡、視場光闌和第五凸透鏡。第四凸透鏡和第五凸透鏡將光束擴(kuò)束至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具通道1的有效口徑大小。從第五凸透鏡出射光束透過第一偏振分束棱鏡和第一四分之一波片后，入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的通道1。從通道1出射的光束由第六凸透鏡會(huì)聚至第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管的光敏面。通道1的反射光束再次經(jīng)過第一四分之一波片后，偏振方向變?yōu)榇怪庇诩埫妫傻谝黄穹质忡R和第二偏振分束棱鏡反射，再經(jīng)過第二四分之一波片后，入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的通道2。從通道2出射的光束由第七凸透鏡會(huì)聚至第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管的光敏面。通道2的反射光束再次經(jīng)過第二四分之一波片后，偏振方向變?yōu)槠叫杏诩埫?，其直接透過第二偏振分束棱鏡，再由第八凸透鏡會(huì)聚至第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管的光敏面。該級聯(lián)接收光路的設(shè)計(jì)，使雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射信號得到充分利用，大大提高了各參數(shù)探測的信噪比。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：與現(xiàn)有的激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，1、實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)雷達(dá)同時(shí)高精度測量0-35km(對流層和低平流層)風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性；2、對風(fēng)場測量采用了基于雙頻率和兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具的四邊緣瑞利-米散射風(fēng)場探測技術(shù)。采用級聯(lián)式光路有效提高了信噪比；雙頻率探測不僅可以避免正負(fù)風(fēng)速探測精度不一致，更重要的是還消除了因兩個(gè)邊緣通道接收光路光學(xué)效率、探測器量子效率等參數(shù)校準(zhǔn)誤差引起的風(fēng)速測量誤差；將嚴(yán)格導(dǎo)出的級聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具頻譜函數(shù)的理論表達(dá)式用于系統(tǒng)校準(zhǔn)，有效提高了測量精度；3、對低層大氣溫度探測采用了兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具并利用后級fp標(biāo)準(zhǔn)具雙級譜對瑞利散射譜兩翼探測的技術(shù)；對高層大氣溫度探測采用了兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具對瑞利散射譜中部與兩翼同時(shí)探測技術(shù)。在氣溶膠濃度較大的低層大氣，前級fp標(biāo)準(zhǔn)具濾除了絕大部分米散射信號和部分背景信號，提高了入射到后級標(biāo)準(zhǔn)具的瑞利散射信號的信噪比，大大降低了米散射信號對溫度測量的影響；利用后級fp標(biāo)準(zhǔn)具的相鄰兩級透射譜對瑞利散射譜兩翼同時(shí)探測，在提高了探測信噪比的同時(shí)，使溫度探測靈敏度提高了一倍；利用后級fp標(biāo)準(zhǔn)具的反射信號對透射信號歸一化，實(shí)現(xiàn)了對大氣溫度的絕對測量。在氣溶膠可忽略的高層大氣，前級fp標(biāo)準(zhǔn)具測量瑞利譜中部的信號(溫度靈敏度為負(fù))；后級fp標(biāo)準(zhǔn)具測量瑞利散射譜兩翼信號(溫度靈敏度為正)，利用兩信號的比值實(shí)現(xiàn)了對大氣溫度的高精度絕對測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1中1.種子注入光源，2.第一凸透鏡，3.光隔離器，4.聲光頻移器，5.第二凸透鏡，6.第三凸透鏡，7.脈沖nd：yag激光器，8.第一分束鏡，9.擴(kuò)束鏡，10.第一45度反射鏡，11.二維掃描儀，12.玻璃平板，13.卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，14.凹透鏡，15.窄帶濾光片，16.電光調(diào)制器，17.半波片，18.第二分束鏡，19.第二45度反射鏡，20.第四凸透鏡，21.視場光闌，22.第五凸透鏡，23.第一偏振分束棱鏡，24.第一四分之一波片，25.三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具，26.第六凸透鏡，27.第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管，28.第二偏振分束棱鏡，29.第二四分之一波片，30.第七凸透鏡，31.第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管，32.第八凸透鏡，33.第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管，34.第一光纖跳線，35.積分球，36.第二光纖跳線，37.第九凸透鏡，38.偏振片，39.第三分束鏡，40.第三45度反射鏡，41.第十凸透鏡，42.第十一凸透鏡，43.孔徑光闌，44.第四分束鏡，45.第十二凸透鏡，46.第一模擬探測模式光電倍增管，47.第十三凸透鏡，48.第二模擬探測模式光電倍增管，49.種子光驅(qū)動(dòng)電源，50.a/d卡和光子計(jì)數(shù)采集卡，51.觸發(fā)電路，52.fp標(biāo)準(zhǔn)具控制器，53.聲光頻移器驅(qū)動(dòng)，54.電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)，55.激光驅(qū)動(dòng)電源，56.二維掃描儀控制器，57.工控機(jī)。

圖2是本發(fā)明的同時(shí)探測0-35km大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠的原理圖。

圖3是本發(fā)明的基于雙頻率和兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具的四邊緣瑞利-米散射風(fēng)場探測原理圖。

圖4是本發(fā)明的基于兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具的氣溶膠探測原理圖。

圖5是本發(fā)明的基于兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具并利用后級fp標(biāo)準(zhǔn)具雙級譜對瑞利散射譜兩翼探測的低層大氣溫度探測原理圖。

圖6是本發(fā)明的基于兩級聯(lián)fp標(biāo)準(zhǔn)具并利用前級標(biāo)準(zhǔn)具單級譜和后級標(biāo)準(zhǔn)具雙級譜對瑞利散射譜中部與兩翼同時(shí)探測的高層大氣溫度探測原理圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框如1圖所示。圖1中種子注入光源(1)分別和種子光驅(qū)動(dòng)電源(49)、觸發(fā)電路(51)相連，種子注入光源(1)發(fā)出的種子光先后經(jīng)第一凸透鏡(2)、光隔離器(3)、聲光頻移器(4)、第二凸透鏡(5)、第三凸透鏡(6)后，注入脈沖nd：yag激光器(7)，發(fā)出355nm的線偏振脈沖光。聲光頻移器(4)和聲光頻移器驅(qū)動(dòng)(53)相連，由驅(qū)動(dòng)信號控制從聲光頻移器(4)出來的光頻率在v0、v-＝v0-2ghz和v+＝v0+2ghz之間交替改變。脈沖nd：yag激光器(7)和激光驅(qū)動(dòng)電源(55)相連，從脈沖nd：yag激光器(7)發(fā)出的光脈沖由第一分束鏡(8)分為兩束。占大部分能量的透射光束由擴(kuò)束鏡(9)擴(kuò)束后，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡(13)內(nèi)的45度反射鏡(10)后，望遠(yuǎn)鏡(13)的光軸方向射向二維掃描儀(11)內(nèi)，經(jīng)過二維掃描儀(11)導(dǎo)光后，垂直透過玻璃平板(12)進(jìn)入大氣探測區(qū)域，二維掃描儀(11)的第一塊反射鏡與望遠(yuǎn)鏡(13)的光軸呈45度夾角，玻璃平板(12)和二維掃描儀(11)的第二塊反射鏡呈45度夾角，二維掃描儀(11)通過數(shù)據(jù)控制線和二維掃描儀控制器(56)相連，大氣后向散射信號經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡(13)收集，在經(jīng)過凹透鏡(14)、窄帶濾光片(15)后，進(jìn)入高速電光調(diào)制器(16)，高速電光調(diào)制器(16)和電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(54)相連，電光調(diào)制器(16)阻斷激光器出光后0-4μs左右時(shí)間段內(nèi)的大氣后向散射光信號，不僅可避免參考光信號和大氣后向散射光信號混疊在一起，又防止近距離強(qiáng)的大氣后向散射光信號使得探測器飽和。從電光調(diào)制器(16)出來的光束再經(jīng)過半波片(17)調(diào)節(jié)線偏振光的偏振方向。從半波片(17)出來的光偏振方向平行于紙面，恰好可以完全透過第一偏振分束棱鏡(23)，其透過第二分束鏡(18)后由第二45度反射鏡(19)反射。反射光依次經(jīng)過第四凸透鏡(20)、視場光闌(21)和第五凸透鏡(22)。第四凸透鏡(20)和第五凸透鏡(22)將光束擴(kuò)束至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)通道1的有效口徑大小。從第五凸透鏡(22)出射光束透過第一偏振分束棱鏡(23)和第一四分之一波片(24)后，入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道1。從通道1出射的光束由第六凸透鏡(26)會(huì)聚至第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)的光敏面。通道1的反射光束再次經(jīng)過第一四分之一波片(24)后，偏振方向變?yōu)榇怪庇诩埫?，由第一偏振分束棱鏡(23)和第二偏振分束棱鏡(28)反射，再經(jīng)過第二四分之一波片(29)后，入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道2。從通道2出射的光束由第七凸透鏡(30)會(huì)聚至第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(31)的光敏面。通道2的反射光束再次經(jīng)過第二四分之一波片(29)后，偏振方向變?yōu)槠叫杏诩埫?，其直接透過第二偏振分束棱鏡(28)，再由第八凸透鏡(32)會(huì)聚至第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(33)的光敏面。第一分束鏡(8)占很少能量的反射光束由第一光纖跳線(34)耦合進(jìn)入積分球(35)，從積分球(35)出來的光束脈寬被展寬，其再耦合進(jìn)入第二光纖跳線(36)。出射光束由第九凸透鏡(37)準(zhǔn)直后，再經(jīng)過偏振片(38)，并由第三分束鏡(39)分為兩束，偏振片(38)的起偏方向平行與紙面。占大部分能量的反射光束由第三45度反射鏡(40)反射后，經(jīng)過第十凸透鏡(41)和第十一凸透鏡(42)擴(kuò)束。擴(kuò)束后的光束經(jīng)過孔徑光闌(43)壓縮至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)通道l的有效口徑大小。透過孔徑光闌(43)的光束由第四分束鏡(44)分為兩束，反射光束由第十二凸透鏡(45)會(huì)聚至第一模擬探測模式光電倍增管(46)的光敏面；透射光束入射至三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道l。從通道l出射的光束由第十三凸透鏡(47)會(huì)聚至第二模擬探測模式光電倍增管(48)的光敏面。第三分束鏡(39)的透射光束由第二分束鏡(18)反射后，再經(jīng)過與后向散射光信號一樣的光路，但時(shí)序上和后向散射光信號錯(cuò)開。第一模擬探測模式光電倍增管(46)和第二模擬探測模式光電倍增管(48)與a/d卡(50)相連，第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)、第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(31)和第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(33)與多通道光子計(jì)數(shù)采集卡(50)相連。a/d卡和光子計(jì)數(shù)采集卡(50)和觸發(fā)電路(51)相連，fp標(biāo)準(zhǔn)具控制器(52)和三通道fp標(biāo)準(zhǔn)具(25)相連，種子光驅(qū)動(dòng)電源(49)、觸發(fā)電路(51)、fp標(biāo)準(zhǔn)具控制器(52)、聲光頻移器驅(qū)動(dòng)(53)、電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(54)、激光驅(qū)動(dòng)電源(55)、二維掃描儀控制器(56)與工控機(jī)(57)相連，由工控機(jī)(57)統(tǒng)一控制。

本發(fā)明所述的具體探測方法如下。聲光頻移器(4)和聲光頻移器驅(qū)動(dòng)(53)控制發(fā)射激光頻率，使其頻率在v0、v-和v+之間交替改變。發(fā)射激光由第一分束鏡(8)反射一小部分，經(jīng)過積分球(35)展寬脈寬后作為參考光，經(jīng)過三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道l，利用第一模擬探測模式光電倍增管(46)和第二模擬探測模式光電倍增管(48)接收信號的比值測得發(fā)射頻率為v0時(shí)的參考光頻率并將其鎖定在通道l透過率的左腰半高寬處，即通道i標(biāo)準(zhǔn)具透過率的峰值位置附近，如圖2所示。大部分發(fā)射激光透射經(jīng)過第一分束鏡(8)后，由擴(kuò)束鏡(9)擴(kuò)束進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡(13)，經(jīng)過二維掃描儀(11)導(dǎo)光后，以指定的方向進(jìn)入大氣探測區(qū)域。工作過程中，一個(gè)探測周期內(nèi)二維掃描儀(11)采用三波束掃描的工作方式，一束指向天頂，另兩束指向相互正交、天頂角都為30°方向。當(dāng)指向天頂時(shí)，首先發(fā)出激光頻率為v0的光束。后向散射信號光先經(jīng)過三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道1，透過大部分的米散射光信號和少量瑞利散射光信號，并由第一光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)接收；f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道1的反射信號再經(jīng)過三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道2，透過部分瑞利散射光信號，并由第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(31)接收；f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道2反射大部分瑞利散射光信號和極少量的米散射光信號，并由第三光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(33)接收。利用三個(gè)光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)、(31)和(33)的接收信號，采用非線性迭代方法可以反演得到大氣溫度和氣溶膠，如圖4、圖5和圖6所示。然后，再分別發(fā)射激光頻率為v-和v+的光束。利用第一和第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)、(31)接收信號的比值，可以反演得到垂直風(fēng)速分量。當(dāng)指向相互正交、天頂角都為30°方向時(shí)，首先發(fā)出激光頻率為v0的少量光脈沖，利用三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具(25)的通道l鎖定發(fā)射激光頻率。然后，再分別發(fā)射激光頻率為v-和v+的光束，利用一和第二光子計(jì)數(shù)模式光電倍增管(27)、(31)接收信號的比值，分別測量兩個(gè)方向上的徑向風(fēng)速，如圖3所示。再進(jìn)行矢量合成可以得到水平風(fēng)速的大小和方向。