CN103235316B - 一种用于云量观测的旋转式激光云高仪 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种用于云量观测旋转式激光云高仪。将固定天顶角改为在一定立体空间角内旋转发射和接收系统，对不同位置的云进行取样。旋转式激光云高仪可以增加对天空中云的取样，提高对云量的观测精度，使用一台激光云高仪，可以实现云高、云量两个基本参数的观测。它包括激光发射系统和激光接收系统，激光发射系统包括激光器和扩束镜，激光接收系统包括望远镜、凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管，所述凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管安装在望远镜的镜筒内，激光器和扩束镜安装在望远镜的镜筒外壁上，还包括底部支架、转轴、第一电机和第二电机；所述望远的镜筒与所述转轴固定相连，该转轴两端通过轴承座架设在底部支架上，该转轴与第一电机传动连接，第一电机安装在底部支架上；底部支架与第二电机传动连接。

Description

一种用于云量观测的旋转式激光云高仪

技术领域：

本发明涉及一种用于云量观测的旋转式激光云高仪，属激光雷达、激光大气探测技术领域。

背景技术:

云是悬浮在大气中的大量小水滴和(或) 冰晶微粒组成的可见聚合体，对地气系统的辐射平衡、热量平衡和温湿平衡发挥着重要的作用，参与多种正负反馈过程，在大气辐射传输以及降水的形成都有着极其重要的作用，当然这里面少不了云高、云量的影响，因此了解云量的分布规律和特征，具有十分重要的现实意义和理论价值。目前, 云已经成为全球气候模型中最重要的也是最难确定的气象要素之一,云量云高变化都是是描述云的重要参数。云在地气系统的辐射平衡、云产生的降水对人类活动有重要影响, 因此对云的不断深入研究有着重要的意义。

就云的地面观测而言，目前在气象观测中，云高、云量主要是通过人工目测确定。人工观测结果受到各种主、客观因素的影响，观测精度和数据的的连续性上得不到保证，因此，云高、云量的仪器观测代替人工观测是云观测的发展趋势。目前，前获取云高的方法是固定天顶角式激光云高仪，云量的测量主要使用全天空成像设备，但一个气象观测台站既使用两套设备去观测云增加了建设成本，因此，中国气象局要求激光云高仪同时输出云量。由于固定天顶角式激光云高仪对云的取样较少基本不太可能得到较好的测量效果。另外激光云高仪积分云量对天空状况要求较高，要在均一无起伏稳定的情况下进行云量积分，主要通过判断云高有无来确定云量，其算法过程和应用还要进一步研究。对于未通过发射器顶部的云无法给出正确结果，存在较大局限性。

基于观测员本身的主观判断以及云的不规则原因，有人也提出了一种激光云高仪云量自动反演算法，算法以激光云高仪单点测量数据为基础构造一个关于时间和云层高度的二维图像，按照云层所占用的时间比率进行反演计算云量。对比实验验证表明，算法能较为准确地反演出云量信息，对激光云高仪具有实用价值。气象局还会考核红外测云仪，用于云量的考核。但是可见光方式探测云量多多少少会受到大气能见度影响较大见。

我们知道云量测量的基本原理是：将激光云高仪垂直放置，按照一定的距离分辨率Δｚ和时间分辨率Δｔ采集激光云高仪回波信号，然后对采集到的原始信号进行处理，通过对云连续地探测，按照云层所占用的时间比率进行反演计算云量，并假设这些时间的平均结果代表测量点周围的空间状况。而旋装式激光云高仪恰好可以对云连续的探测，从而增加对天空中云的取样，在原有对云高测量的基础上增加对云量测量的功能。另外可编程式的就可以控制旋转方式和数据采集方式，对测量数据进行反演，就可以得出所测云量。

另外如果为了同时测量云高、云量而在同一个站点同时配置激光云高仪和红外测云仪，成本代价很高。申请人尚未查到同时测量云高和云量的气象系统。

发明内容：

本发明设计了一种用于云量观测旋转式激光云高仪。将固定天顶角改为在一定立体空间角内旋转发射和接收系统，对不同位置的云进行取样。旋转式激光云高仪可以增加对天空中云的取样，提高对云量的观测精度，使用一台激光云高仪，可以实现云高、云量两个基本参数的观测。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

用于云量观测的旋转式激光云高仪，包括激光发射系统和激光接收系统，激光发射系统包括激光器和扩束镜，激光接收系统包括望远镜、凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管，所述凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管安装在望远镜的镜筒内，激光器和扩束镜安装在望远镜的镜筒外壁上，其特征是：还包括底部支架、转轴、第一电机和第二电机；所述望远的镜筒与所述转轴固定相连，该转轴两端通过轴承座架设在底部支架上，该转轴与第一电机传动连接，第一电机安装在底部支架上；底部支架与第二电机传动连接。

所激光接收系统还包括光子计数卡和计算机单元。

所述第一、第二电机采用MD-2步进电动机，两电机分别经C-4驱动器与计算机单元相连。

所述光子计数卡采用P7882双通道光子计数卡。

所述望远镜采用Meade LX200望远镜。

底部支架通过轴套或其它方式与第二电机传动连接。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：

1、实现对云高云量的同时有效的探测，填补国内改技术探测的空白；

2、对云量的探测带来方便和改进。

3、可以改变原有技术同时测云量云高成本高的的缺点，节约物资。

4、本发明可以实施全天候无人值守监控，节约人力和物力。

本发明的技术解决方案如下：

本发明就是基于原有激光云高仪的基础之上，通过改进增加对云量的观测的一种旋转式激光云高仪，旋转式激光云高仪可以增加对不同云层云的探测取样，并可根据云量的测量原理和反演方法，得出云量。使用半导体激光器作为激光发射源，产生532nm波长的激光辐射，通过主控系统设置步进电动机的工作方式、激光旋转方式及系统初值设定，利用望远镜和窄带滤波片接收云的后向散射信号，该激光雷达系统的p7882光子计数卡进行光子计数。可以根据云高云量反演方法对数据进行反演。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明设计在原来固定天顶角式激光云高仪的基础上，将固定天顶角改在一定立体空间角内旋转发射和接收系统，对不同位置的云进行取样，增加对天空中云的取样，提高对云量的观测精度，使用一台激光云高仪，可以实现云高、云量两个基本参数的观测。

附图说明

    图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

本发明就是基于原有激光云高仪的基础之上，通过改进增加对云量的观测的一种旋转式激光云高仪，旋转式激光云高仪可以增加对不同云层云的取样，可以根据云量的测量原理和反演方法得出云量。使用半导体激光器作为激光发射源，产生532nm波长的激光辐射，通过控制第二步进电动机的工作方式、以第一步进电机的旋转方式，利用望远镜和窄带滤波片接收云的后向散射信号，该激光雷达系统的p7882光子计数卡进行光子计数。通过后续计算可得出云高云量。

使用该系统进行探测的步骤是：

在激光发射系统控制半导体激光器产生532nm波长的激光辐射，利用MD-2步进电动机（第一、第二电机）控制激光器旋转，改变天顶角和方位角。利用收发同轴的Meade LX200望远镜接收不同距离处的回波。回波信号通过光电探测系统，经过光电倍增管的放大，探测系统的处理，光信号转化为电信号。利用P7882双通道光子技术卡对其进行计数。第一、第二电机由计算机单元控制，采集的数据由计算机单元分析处理，可通过云高云量的反演过程进行数据反演，同时原始数据及分析结果由计算机单元进行整理保存。

Claims (5)

1.用于云量观测的旋转式激光云高仪，包括激光发射系统和激光接收系统，激光发射系统包括激光器和扩束镜，激光接收系统包括望远镜、凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管，所述凸透镜、窄带滤波片和光电倍增管安装在望远镜的镜筒内，激光器和扩束镜安装在望远镜的镜筒外壁上，其特征是：还包括底部支架、转轴、第一电机和第二电机；所述望远的镜筒与所述转轴固定相连，该转轴两端通过轴承座架设在底部支架上，该转轴与第一电机传动连接，第一电机安装在底部支架上；底部支架与第二电机传动连接。

2.根据权利要求1所述的用于云量观测的旋转式激光云高仪，其特征是：所激光接收系统还包括光子计数卡和计算机单元。

3.根据权利要求2所述的用于云量观测的旋转式激光云高仪，其特征是：所述第一、第二电机采用MD-2步进电动机，两电机分别经C-4驱动器与计算机单元相连。

4.根据权利要求2所述的用于云量观测的旋转式激光云高仪，其特征是：所述光子计数卡采用P7882双通道光子计数卡。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于云量观测的旋转式激光云高仪，其特征是：所述望远镜采用Meade LX200望远镜。