CN101819275A - 测量多气象参数的多普勒激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

一种测量多气象参数的多普勒激光雷达装置。包括由脉冲激光器、扩束镜和反射镜构成的发射系统；由望远镜、碘分子滤波器、两个光电探测器和分光装置构成的接收系统；与光电探测器相连接的数据采集系统和数据处理计算机，其特征是上述分光装置包括六个滤光片，其光路位置关系：大气散射光入射到滤光片a，滤光片a的反射光垂直入射滤光片b；滤光片a的透射光入射滤光片c至碘分子滤波器上；滤光片c的反射光入射滤光片d；滤光片d的反射光入射滤光片e；滤光片e的反射光垂直入射滤光片f，各个透射光谱均由相应的光电探测器接收。本发明在一次光探测中就可同步获取大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量，显著降低了多雷达探测的高成本和高消耗。

Description

测量多气象参数的多普勒激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种激光测量多项气象参数的装置，更具体地说是一种测量大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量的多普勒激光雷达装置。
背景技术
大气湿度、温度、风场以及气溶胶等气象参数是描述大气动力和热力结构、天气分析与预报及气候环境研究中的基本要素，对海洋、大气、环境的研究起到重要的作用。多普勒激光雷达具有较高的时空分辨率和较大的探测范围，且能够进行长期连续的三维立体测量，提供高精度的风、温、湿及气溶胶数据，解决当前大气探测中气象参数剖面和水平分布资料不足的问题。
当前用于大气探测的激光雷达，或是测风或是测温抑或是测湿度，功能单一。因此它们在探测中，各自提取了回波中所需的、仅完成某一气象参数的测定光谱成分，如，用于测风的多普勒激光雷达提取回波中的气溶胶Mie散射和大气分子Cabannes散射这两个弹性散射光谱，以碘分子滤波器作为多普勒频移的鉴频器，将信号光分成两路，一路过碘池作测量通道，另外一路(不经过碘池)作参考通道，以两路信号的比值变化反演引起多普勒频移的风速大小。又如，用于测温的激光雷达提取大气分子转动拉曼谱或是大气分子瑞利谱；测湿度的激光雷达一般提取水汽的振动拉曼谱和氮气分子的振动拉曼谱。这样不光在设备的构建上造成资源的浪费，在使用时出现大量的功率消耗。而且，由于多项气象参数在反演计算时需要用到其他参数的实时值，其中，相对湿度的测定需要知道当时大气温度的高低；利用多普勒频移反演大气风场需要当时的气溶胶信息，大气分子热运动的多普勒展宽亦由大气温度值所确定。目前的激光雷达，对于这些必需参量值的确定，需要依赖其他探空观测的最新资料或者大气模型，尚不具备独立工作的能力。显然功能的拓展和成本的压缩是激光雷达能否在气象观测领域大有作为的关键因素。
大气探测的激光雷达在气象观测上的应用越来越受到重视，实时地进行大气风、温、湿、气溶胶垂直剖面遥感探测成为本领域研究的前沿和热点。然而其昂贵的设备成本和维护，单一的功能，以及需要借助其余手段补足等劣势，一直阻碍其进一步发展应用。除了地面发射探测，航空和星载激光雷达体制更是对激光雷达的工作效率，和综合独立工作能力提出了要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量多气象参数的多普勒激光雷达装置，以其多功能性和独立工作能力弥补已有技术的不足。
本发明是在已有的测风多普勒激光雷达基础上，考虑到充分利用大气散射的回波信号中所包含的各光谱成分包含的信息价值，故在已有的测风多普勒激光雷达的接收系统(即已有风速测量通道和参考通道)中增加三条新的光谱接收通道：水汽分子的振动拉曼通道，大气分子的转动拉曼高量子通道(高量子谱强随温度升高而增强)，和大气分子的转动拉曼低量子通道(低量子谱强随温度升高而减弱)。并且使用相应波段的滤光片，在光路上有序排列，将原测风多普勒激光雷达中接收的气溶胶、大气分子的弹性散射谱，和原探测光谱中忽略的水汽分子振动拉曼谱、大气分子转动拉曼高、低量子谱分别提取出来。其中，大气分子转动拉曼高、低量子谱测定大气温度，并提供大气分子的密度信息；水汽振动拉曼提供水汽分子的密度信息，测定大气湿度；原气溶胶、大气分子的弹性散射谱提供气溶胶、大气分子的混合密度，测定气溶胶含量；结合已有的大气风场探测，实现多普勒激光雷达对多项气象参数的获取。如此，就能大幅压缩研制多个激光雷达分别探测各项参数带来的高成本，在功能的全面提升中为多普勒激光雷达走向实用奠定坚实的基础。
本发明包括由脉冲激光器、扩束镜和反射镜构成的发射系统；由望远镜、碘分子滤波器、两个光电探测器和在望远镜后面的分光装置构成的接收系统；与上述两个光电探测器相连接的数据采集系统和数据处理计算机，其特征在于上述进行光谱分离的分光装置包括滤光片a、滤光片b、滤光片c、滤光片d、滤光片e、滤光片f，上述各个滤光片的光路位置关系如下：望远镜接收的散射光入射到滤光片a，滤光片a的反射光垂直入射滤光片b至光电探测器上提取水汽分子振动拉曼谱，滤光片a的透射光又入射到滤光片c，滤光片c的透射光谱为气溶胶、大气分子的弹性散射谱(属于风速测量通道)穿过碘分子滤波器入射至光电探测器上接收，滤光片c的反射光入射到滤光片d，滤光片d的透射光谱仍为气溶胶、大气分子的弹性散射谱(属于风速参考通道)入射至光电探测器上接收，滤光片d的反射光入射滤光片e至光电探测器上提取转动拉曼低量子谱，滤光片e的反射光垂直入射滤光片f至光电探测器上提取转动拉曼高量子谱，且这五个光电探测器均与已有数据采集系统相连接，并经数据采集系统将采集的信息传入到数据处理计算机。上述本发明包括由脉冲激光器、扩束镜和反射镜构成的发射系统；由望远镜、碘分子滤波器、两个光电探测器和接在望远镜后面的分光装置构成的接收系统；与上述两个光电探测器相连接的数据采集系统和数据处理计算机，其特征在于上述进行光谱分离的分光装置包括滤光片a、滤光片b、滤光片c、滤光片d、滤光片e、滤光片f，上述各个滤光片的光路位置关系如下：望远镜接收的散射光入射到滤光片a，滤光片a的反射光垂直入射滤光片b至光电探测器上提取水汽分子振动拉曼谱，滤光片a的透射光又入射到滤光片c，滤光片c的透射光谱为气溶胶、大气分子的弹性散射谱(属于风速测量通道)穿过碘分子滤波器入射至光电探测器上接收，滤光片c的反射光入射到滤光片d，滤光片d的透射光谱仍为气溶胶、大气分子的弹性散射谱(属于风速参考通道)入射至光电探测器上接收，滤光片d的反射光入射滤光片e至光电探测器上提取转动拉曼低量子谱，滤光片e的反射光垂直入射滤光片f至光电探测器上提取转动拉曼高量子谱，且这五个光电探测器均与已有数据采集系统相连接，并经数据采集系统将采集的信息传入到数据处理计算机。各个滤光片的透射光谱均由相应的光电探测器接收
本发明利用在多普勒激光雷达上专门设计的分光装置进行光谱分离，提取气溶胶、大气分子的弹性散射谱、水汽分子振动拉曼谱、以及大气分子转动拉曼高、低量子谱。使一部激光雷达集成于多部的功能，在一次光探测中就可同步获取大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量，因此显著降低了多雷达探测的高成本和高消耗，既促进了多普勒激光雷达功能的全面升级，又为多普勒激光雷达实现独立工作创造了条件。成本降低而性能大幅提升，有利于多普勒激光雷达在气象观测方面的推广应用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明的总体结构示意图。
其中，1.脉冲激光器 2.扩束镜 3.反射镜 4.望远镜 5.滤光片a 6.滤光片b7.滤光片c 8.滤光片d 9.滤光片e 10.滤光片f 11.碘分子滤波器 12.光电探测器13.光电探测器 14.光电探测器 15.光电探测器 16.光电探测器 17.数据采集系统18.数据处理计算机。
具体实施方式
如图1，本发明包括由脉冲激光器1、扩束镜2和反射镜3组成的发射系统；由望远镜4、碘分子滤波器11、光电探测器12、光电探测器15和接在望远镜4后面的分光装置组成的接收系统；与光电探测器12、光电探测器15相连接的数据采集系统17和数据处理计算机18，其特征在于进行光谱分离的分光装置包括滤光片a5、滤光片6、滤光片c7、滤光片d8、滤光片e9、滤光片f10，上述各个滤光片的光路位置关系如下：望远镜4接收的大气散射光入射到滤光片a5，滤光片a5的反射光垂直入射到滤光片b6提取水汽分子振动拉曼谱，并由光电探测器16接收，滤光片a5的透射光又入射到滤光片c7，滤光片c7的透射光谱属于风速测量通道为气溶胶、大气分子的弹性散射谱，穿过碘分子滤波器11后再由光电探测器12接收，滤光片c7的反射光入射到滤光片d8，滤光片d8的透射光谱属于风速参考通道仍为气溶胶、大气分子的弹性散射谱由光电探测器15接收，滤光片d8的反射光入射到滤光片e9，滤光片e9的透射光谱为转动拉曼低量子谱由光电探测器13接收，滤光片e9的反射光垂直入射到滤光片f10提取转动拉曼高量子谱，由光电探测器14接收，且这五个光电探测器均与数据采集系统17相连接，并经数据采集系统17将采集的信息传入到数据处理计算机18，最后获得大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量。
上述滤光片a5透射波段527nm～533nm，反射波段658nm～663nm；滤光片b透射波段660nm～661nm；滤光片c7和滤光片d8透射波段532nm～532.5nm，反射波段527.5nm～531.5nm；滤光片e9透射波段530.5nm～531.5nm，反射波段527.5nm～530nm；滤光片f10透射波段528nm～529.5nm。它们可以是干涉滤光片、Fabry-Perot标准具、光栅分光仪或者法拉第反常色散滤波器。
上述脉冲激光器1波长为532nm，可以采用已有脉冲激光器，如各种固体激光器、光纤激光器，单纵模稳频。例如，选用photonics公司的倍频Nd:YAG脉冲激光器，单脉冲能量500mJ，重复频率50KHz。上述碘分子滤波器11，可采用15cm长的碘池。
上述光电探测器12、13、14、15和16，为同一种类的光电探测器件，可以选用高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)，可选用英国ET公司的光电倍增管Electron tubes 9893/350。
上述望远镜4可采用反射式、折反式等通用望远镜，例如美国Celestron公司生产的820mm卡塞格伦望远镜。扩束镜2可选用10倍扩束的。
上述的数据采集系统17，可选用德国Licel公司的TR16-160数据采集系统。
如图1，工作时，本发明中波长为532nm的脉冲激光器1发射的光束经过扩束镜2扩束压缩发散角后，经过反射镜3发射到大气中，被大气分子或气溶胶散射。而大气的运动——风，会使散射光的中心频率产生多普勒频移。上述大气的散射光由望远镜4收集后，由包含滤光片a5、滤光片b6、滤光片c7、滤光片d8、滤光片e9和滤光片f10的分光装置进行光谱分离，分别进入到水汽振动拉曼通道、风速测量通道、风速参考通道、转动拉曼低量子通道和转动拉曼高量子通道，风速测量通道含有碘分子滤波器11进行鉴频，且相应地，五个通道分别利用光电探测器16、12、15、13和14进行光电转换，得到的电信号输入数据采集系统17，由数据采集系统17将电信号数字化，汇总到数据处理计算机18进行反演运算，得到大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量。

Claims (4)

1.一种测量多气象参数的多普勒激光雷达装置，包括由脉冲激光器(1)、扩束镜(2)和反射镜(3)构成的发射系统；由望远镜(4)、碘分子滤波器(11)、光电探测器(12)、光电探测器(15)和在望远镜(4)后面的分光装置构成的接收系统；与光电探测器(12)、光电探测器(15)相连接的数据采集系统(17)和数据处理计算机(18)，其特征在于上述分光装置包括滤光片a(5)、滤光片b(6)、滤光片c(7)、滤光片d(8)、滤光片e(9)、滤光片f(10)，上述各个滤光片的光路位置关系如下：望远镜(4)接收的散射光入射到滤光片a(5)，滤光片a(5)的反射光垂直入射滤光片b(6)至光电探测器(16)上；滤光片a(5)的透射光入射滤光片c(7)至碘分子滤波器(11)和光电探测器(12)上；滤光片c(7)的反射光入射滤光片d(8)至光电探测器(15)上；滤光片d(8)的反射光入射滤光片e(9)至光电探测器(13)上；滤光片e(9)的反射光垂直入射滤光片f(10)至光电探测器(14)上，且上述五个光电探测器(12～16)均与数据采集系统(17)相连接，并经数据采集系统(17)将采集的信息传入到数据处理计算机(18)而获得大气湿度、温度、风场以及气溶胶参量。
2.如权利要求1所述的测量多气象参数的多普勒激光雷达装置，其特征是上述滤光片a(5)透射波段是527nm～533nm，反射波段是658nm～663nm；滤光片b(6)透射波段是660nm～661nm；滤光片c(7)和滤光片d(8)透射波段是532nm～532.5nm，反射波段是527.5nm～531.5nm；滤光片e(9)透射波段是530.5nm～531.5nm，反射波段是527.5nm～530nm；滤光片f(10)透射波段是528nm～529.5nm。
3.如权利要求1所述的测量多气象参数的多普勒激光雷达装置，其特征是上述脉冲激光器(1)波长为532nm。
4.如权利要求1所述的测量多气象参数的多普勒激光雷达装置，其特征是上述滤光片a(5)～f(10)是干涉滤光片、Fabry-Perot标准具、光栅分光仪或者法拉第反常色散滤波器。
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