CN103293116B - 一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，包括双波长探测光源、激光雷达接收光学系统、信号探测系统、三维转动平台、瞬态记录仪、自动温湿度记录仪等；两探测光波长分别位于水汽吸收峰和非吸收峰上，可以以任意角度发射到大气中，获得水汽特定谱线上吸收特性的后向散射信号，反演获取光的传输路径上的水汽的距离分辨的相对湿度的廓线，经标定后，最终获得的光路上的高分率高精度的水汽相对湿度时空分布数据。本发明可以实现对水汽相对湿度汽立体分布进行昼夜全天候观测，具有较高的时间分辨率、空间分辨率和高探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学遥测接收装置和方法，具体是涉及将差分吸收激光雷达技术和微脉冲激光雷达技术相结合，建立双波长差分吸收的微脉冲激光雷达装置，实现对大气中水汽时空分布自动连续监测的技术和方法。
背景技术
大气里中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四，水汽仅占全球总水量的0.001%，水汽是大气中浓度变化最大的一种气体。水汽在环境、气象、气候和军事领域扮演了一个十分重要的角色。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天气预报和气候研究中都有重要价值，水汽含量的探测是也人工影响天气的研究的重要参数。目前，国内大部分气象台分别在每天的8：00和20：00，使用探空气球的方法获取水汽廓线，例如，北京气象局2008年全年共放球896次，探空对于水汽的垂直测量虽然精确，但这种探测仪器是一次性使用的高空气象仪器，消耗大，受到使用时间和空间的限制，而且每次释放探空的过程会受到当时天气状况、人为操作等不确定因素的影响。此外，水汽廓线也是气象、气候模型输入的重要参数。水汽在辐射传输中是一个非常重要的参量，从近红外到远红外区域存在多个较强的吸收带，但水汽随着时间和空间变化很大，往往与标准大气模式存在很大的差异，从而带来计算误差，精确测量水汽的浓度可以获得高精度的大气辐射传输计算参数，在提高光电探测仪器的测量精度以及确认武器装备有效作用距离等方面有着重要意义。大气中水汽对太阳辐射的吸收直接影响到卫星观测到的信号,在航天、航空遥感器辐射定标和大气校正时就需要大气中精确的水汽量。
而当前水汽立体监测手段相对匮乏，还没有仪器能够实现对水汽时空分布进行高时间分辨率高空间分辨率的自动连续测量。目前主要能够实现水汽立体观测的仪器主要有三种，气象探空，微波辐射计，水汽Raman激光雷达。
探空气球是目前最常用的方法，其中五九型转筒式电码探空仪（GZZ2型探空仪）是我国高空气象观测中使用的常规探空仪。这种探空仪发射机的频率一种为24.5MHz，另一种是400MHz。它通常由气球携带升入空中，将感应到的气象要素值转变为无线电信号，不断地向地面发送。地面上的接收设备将信号收录、处理，从而取得温、压、湿垂直分布的探测结果。这种观测方法的缺点很明显，探空气球会受到使用时间和空间的限制，是一次性的观测手段，受气象条件、航空管制、人为因素的影响比较大，无法实现对水汽连续观测自动。
微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，它主要是用天线来被动的接收天空一定频率的微波辐射，然后根据天线接收到的能量得到天空的亮度温度。将微波辐射计进行扫角观测，仰角由0°到90°之间变化，就可以观测到大气的亮度温度，通过一系列微波辐射计观测到的大气亮度温度Tb的值，将比湿随亮度分布反演出来。因此利用微波辐射计可以测得水汽随高度分布的廓线。微波辐射计在0-1.2km的距离分辨率为50m，1.2-10km的距离分辨率为50-2500m，此外微波辐射计成本比较高，观测参数单一，主要的缺点是水汽测的误差非常大，容易受到天气的影响。
水汽Raman激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的方法，一般使用高能量紫外激光器为光源（单脉冲200mj，频率200hz），利用口径600mm以上望远镜进行对水汽才可以在白天进行探测，该方法的优势是，时间分辨率和空间分辨率高，可以同时观测多个参数，缺点成本高，维护不方便；此外，水汽Raman激光雷达在白天探测距离较小，甚至无法工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，实现对水汽时空分布进行高时间分辨率高空间分辨率高精度的自动连续探测；创新地使用了宽带宽激光光源，进行水汽吸收峰谱线的探测，将微脉冲激光雷达技术和差分吸收激光雷达技术相结合，实现了对水汽时空分布的昼夜探测，解决了由于水汽吸收谱线太窄导致探测精度差，激光器中心波长漂移不利于水汽探测，激光雷达水汽探测标定难，以及激光雷达在白天进行水汽探测比较难的问题。
本发明技术解决方案：一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于包括：水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2、激光雷达接收光学系统3、信号探测系统4、三维转动平台5、信号同步器6、计算机8、瞬态记录仪7、自动温湿度记录仪9、电子经纬仪16、电子罗盘15、第一45°全反镜10、第二45°全反镜11、第一扩束镜13、第二扩束镜14和直角棱镜12；所述水汽吸收峰谱线探测激光光源1和水汽非吸收峰谱线探测激光光源2分别搭载在激光雷达接收光学系统3中部两侧，水汽吸收峰谱线探测激光光源1为具有宽线宽特征，中波长位于890-980nm之间，线宽大于2.5nm，线宽能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰谱线探测激光光源2线宽不限，中心波长位于860-890nm或者980-1070nm范围内；电子经纬仪16和电子罗盘15分别搭载在激光雷达接收光学系统3尾部两侧，实时与计算机8通讯；水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2的探测波长分别被第一扩束镜13和第二扩束镜14进行准直扩束，两束激光光源发散角扩束后均小于0.1mrad，分别被第一45°全反镜10和第二45°全反镜11折返，由直角棱镜12发射到大气中；所述第一45°全反镜10和第二45°全反镜11调整架调谐精度高，旋钮调整1°光束指向性调整0.02mrad；所述第一扩束镜13、第一45°全反镜10和水汽吸收峰谱线探测激光光源1具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统3上；所述第一扩束镜14、第一45°全反镜11和水汽吸收峰谱线探测激光光源2具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统3上；所述激光雷达接收光学系统3搭载到三维转动平台5上，使激光雷达接收光学系统3能够指向任意俯仰角和方位角；信号探测系统4安装在接收光学系统3尾部端平面上，二者光轴重合；所述计算机8自动控制系统各部件工作，计算机8向二维转动平台5发送角度调整信号，三维转动平台5调整激光雷达接收光学系统3的俯仰角和方位角，调整完成后返回信号给计算机8，计算机8接收到角度调整完成信号后，分别给信号同步器6和瞬态记录仪7发送工作信号，同时读取自动温湿度记录仪9、电子罗盘15和电子倾角仪16的数据；同步器6和瞬态记录仪7接收到工作信号后，进入预工作状态，向计算机8返回信号；所述信号同步器6向水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2、瞬态记录仪7同时发送采集信号，并反馈信号给计算机8，计算机8开始采集计时，水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2发射探测激光脉冲，瞬态记录仪7同步从从非吸收峰探测波长回波信号探测17和吸收峰探测波长回波信号探测18中读取数据进行数据采集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机8，计算机8根据瞬态记录仪7反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态；计时脉冲数结束后，计算机8向信号同步器6和瞬态记录仪7发送停止工作命令，信号同步器6和瞬态记录仪7分别向水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2、非吸收峰探测波长回波信号探测17和吸收峰探测波长回波信号探测18发送停止命令，计算机8将采集到的光信号数据、温湿度数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，通过计算机8利用差分吸收反演方法进行反演，得到所测光路上的距离分辨水汽浓度廓线，并自动完成对数据的校准；除获取水汽浓度廓线外，同时得到边界层高度、颗粒物分布信息、云特性和气溶胶消光系数特性垂直分布。
所述水汽探测的激光光源为两个相对独立的光源，分别为吸收峰谱线探测激光光源1和水汽非吸收峰谱线探测激光光源2，吸收峰谱线探测激光光源1和水汽非吸收峰谱线探测激光光源2的探测光束的光轴与激光雷达接收光学系统3光轴同轴，探测盲区小于40m。
所述探测器选择使用低噪声红外探测器，安装在恒温盒中，恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定。
所述水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2和瞬态记录仪7同步进行采集工作，同步时间误差小于30ns。
所述三维转动平台5能够由计算机控制，俯仰角调整角度为0-180°，方位角调整0-360°，其转动误差小于0.1°
所述电子罗盘15和电子仪经纬16的误差小于0.1°。
本发明与现有技术相比的有益效果：
（1）本发明中对水汽吸收峰探测光源是一种宽带宽半导体泵浦的微脉冲激光器，该类型的激光器是一种通用的商业化激光器，具有高稳定性、高可靠性、长工作寿命以及成本低的特点。该类型激光器的光谱线宽可以覆盖水汽的多个吸收峰，解决了因为单个水汽吸收峰太窄找不到满足探测要求的稳定的商业化探测光源，解决了激光器探测光源在水汽探测过程中因谱线加宽导致较大探测误差问题。
（2）本发明中使用微脉冲激光雷达技术对水汽探测，减少了因为探测激光器中心波长漂移和谱线加宽方面的原因，造成的水汽探测计算误差。因为微脉冲激光雷达的一般需要大量探测脉冲（一般为50万个激光脉冲）累积，这些中心波长漂移和谱线加宽现象，符合统计分布，可以对吸收截面进行标定。
（3）本发明中使用微脉冲激光雷达技术对水汽探测，微脉冲激光雷达有一个最大的特点就是探测盲区小，可是实现“无盲区”探测，可以使用地面的湿度计进行标定；对于单个廓线而言，不同高度的水汽含量的相对大小是正确，其绝对值可以使用水汽的地面测量值进行标定，解决了激光雷达遥测数据标定困难的问题；同时，“无盲区”探测有利于对近地面层水汽的探测，这是激光雷达遥测技术在城市环境污染研究应用需要解决的问题。
（4）本发明中使用了差分吸收的方法对水汽探测，用于差分反演的回波信号均为米散射信号，而非传统的拉曼散射信号，因此在白天时能正常工作，减少因天气等因素造成的探测误差，实现了对水汽时空分布昼夜监测。
（5）本发明中使用了两个探测光源均为商业化激光光源，与其他水汽激光雷达的相比，各个部件成本大大降级，手工手动操作的步骤大大减少，更有利于自动化运行；此外，微脉冲激光雷达技术的在结构上更加紧凑和稳定，有利于产业化和业务化长时间自动运行。
附图说明
图1为本发明探测装置的组成框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，设置有水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线激光光源2，激光雷达接收光学系统，信号探测系统，信号同步器，计算机、三维转动平台、瞬态记录仪、自动温湿度记录仪、电子经纬仪和电子罗盘；其中所述水汽吸收峰谱线探测激光光源1和水汽非吸收峰谱线探测激光光源2分别搭载在激光雷达接收光学系统3中部两侧，二者为小型化高重复频率的微脉冲激光器，激光器工作波长稳定，波长随温度波动产生漂移小于0.05pm/℃，水汽吸收峰谱线探测激光光源1为具有宽线宽特征，线宽能够覆盖水汽的多个吸收谱线；电子经纬仪16和电子罗盘15分别搭载在激光雷达接收光学系统3尾部两侧，实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1°；所述水汽吸收峰谱线探测激光光源1为一个宽线宽的微脉冲激光器，其中波长位于890-980nm之间，线宽大于2.5nm；所述水汽非吸收峰谱线探测激光光源2线宽不限，中心波长位于860-890nm或者980-1070nm范围内；两个探测波长分别被第一扩束镜13和第二扩束镜14进行准直扩束，两光束发散角扩束后均小于0.1mrad，分别被45°全反镜一10和第二45°全反镜11折返，由直角棱镜12发射到大气中；第一45°全反镜10和第二45°全反镜11调整架调谐精度高，旋钮调整1°光束指向性调整0.02mrad；第一扩束镜13、第一45°全反镜10和水汽吸收峰谱线探测激光光源1具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统3上；第一扩束镜14、45°全反镜一11和水汽吸收峰谱线探测激光光源2具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统3上；所述激光雷达接收光学系统3搭载到三维转动平台5上，使光接收系统能够指向任意俯仰角和方位角；三维转动平台5能够由计算机控制，俯仰角调整角度为0-180°，方位角调整0-360°，其转动误差小于0.1°；信号探测部分安装在接收光学系统3尾部端平面上，二者光轴重合，信号探测部分由信号分光镜、窄带滤光片、聚焦镜和探测器组成，探测器选择使用一种低噪声红外探测器4；红外探测器4是一种低噪声的雪崩光电二极管，安装在恒温盒中，恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定；所述计算机8自动控制系统各部件工作，计算机8向三维转动平台5发送角度调整信号，三维转动平台5调整激光雷达接收光学系统3的俯仰角和方位角，调整完成后返回信号给计算机8，计算机8接收到角度调整完成信号后，分别给信号同步器6和瞬态记录仪7发送工作信号，同时读取自动温湿度记录仪9、电子罗盘15和电子经纬仪16的数据；同步器6和瞬态记录仪7接收到工作信号后，进入预工作状态，向计算机8反馈信号；所述信号同步器6向水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2、瞬态记录仪7同时发送采集信号，并反馈信号给计算机8，计算机8开始采集计时，两探测激光光源发射探测激光脉冲，瞬态记录仪7同步从非吸收峰探测波长回波信号探测17和吸收峰探测波长回波信号探测18中读取数据进行数据采集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机8，计算机8根据瞬态记录仪7反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态，计时脉冲数结束后，计算机8向信号同步器6和瞬态记录仪7发送停止工作命令，信号同步器6和瞬态记录仪7同时将停止命令发送给探测水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线探测激光光源2、非吸收峰探测波长回波信号探测17和吸收峰探测波长回波信号探测18，计算机8将采集到的光信号数据、温湿度数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，通过计算机利用差分吸收反演方法进行反演，得到所测光路上的距离分辨水汽浓度廓线，并自动完成对数据的校准；微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置中，两探测光源和瞬态记录仪7同步进行采集工作，同步时间误差小于30ns；光源使用双光路探测，发射光轴与接收光学系统同轴设计，探测盲区小于40m。除获取水汽浓度廓线外，同时可以得到边界层高度、颗粒物分布信息、云特性和气溶胶消光系数特性垂直分布。
本发明工作过程：所述计算机8能够自动控制系统各部件工作，计算机8向三维转动平台5发送角度调整信号，三维转动平台5调整激光雷达接收光学系统3的俯仰角和方位角，调整完成后返回信号给计算机8，计算机8接收到角度调整完成信号后，分别给信号同步器6和瞬态记录仪7发送工作信号，同时读取自动温湿度记录仪9、电子罗盘15和电子倾角仪16的数据；同步器6和瞬态记录仪7接收到工作信号后，进入预工作状态，向计算机8反馈信号；所述信号同步器6向水汽吸收峰谱线探测激光光源1、水汽非吸收峰谱线激光光源2、瞬态记录仪7同时发送采集信号，并反馈信号给计算机8，计算机8开始采集计时，两探测激光光源发射探测激光脉冲，瞬态记录仪7同步从两个探测器中读取数据进行数据采集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机8，计算机8根据瞬态记录仪7反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态，计时脉冲数结束后，计算机8向信号同步器6和瞬态记录仪7发送停止工作命令，信号同步器6和瞬态记录仪7分别向探测激光光源和探测器发送停止命令，计算机8将采集到的光信号数据、温湿度数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，通过计算机利用差分吸收反演方法进行反演，得到所测光路上的距离分辨水汽浓度廓线，并自动完成对数据的校准。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (7)
1.一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于包括：水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)、激光雷达接收光学系统(3)、信号探测系统(4)、三维转动平台(5)、信号同步器(6)、计算机(8)、瞬态记录仪(7)、自动温湿度记录仪(9)、电子倾角仪(16)、电子罗盘(15)、第一45°全反镜(10)、第二45°全反镜(11)、第一扩束镜(13)、第二扩束镜(14)和直角棱镜(12)；所述水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)和水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)分别搭载在激光雷达接收光学系统(3)中部两侧，水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)为具有宽线宽特征，中波长位于890-980nm之间，线宽大于2.5nm，线宽能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)线宽不限，中心波长位于860-890nm或者980-1070nm范围内；电子倾角仪(16)和电子罗盘(15)分别搭载在激光雷达接收光学系统(3)尾部两侧，实时与计算机(8)通讯；水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)的探测波长分别被第一扩束镜(13)和第二扩束镜(14)进行准直扩束，两束激光光源发散角扩束后均小于0.1mrad，分别被第一45°全反镜(10)和第二45°全反镜(11)折返，由直角棱镜(12)发射到大气中；所述第一45°全反镜(10)和第二45°全反镜(11)调整架调谐精度高，旋钮调整1°光束指向性调整0.02mrad；所述第一扩束镜(13)、第一45°全反镜(10)和水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统(3)上；所述第二扩束镜(14)、第二45°全反镜(11)和水汽非吸收峰谱线探测激光光源(1)具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统(3)上；所述激光雷达接收光学系统(3)搭载到三维转动平台(5)上，使激光雷达接收光学系统(3)能够指向任意俯仰角和方位角；信号探测系统(4)安装在接收光学系统(3)尾部端平面上，二者光轴重合；所述计算机(8)自动控制系统各部件工作，计算机(8)向三维转动平台(5)发送角度调整信号，三维转动平台(5)调整激光雷达接收光学系统(3)的俯仰角和方位角，调整完成后返回信号给计算机(8)，计算机(8)接收到角度调整完成信号后，分别给信号同步器(6)和瞬态记录仪(7)发送工作信号，同时读取自动温湿度记录仪(9)、电子罗盘(15)和电子倾角仪(16)的数据；信号同步器(6)和瞬态记录仪(7)接收到工作信号后，进入预工作状态，向计算机(8)返回信号；所述信号同步器(6)向水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)、瞬态记录仪(7)同时发送采集信号，并反馈信号给计算机(8)，计算机(8)开始采集计时，水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)发射探测激光脉冲，瞬态记录仪(7)同步从非吸收峰探测波长回波信号探测(17)和吸收峰探测波长回波信号探测(18)中读取数据进行数据采集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机(8)，计算机(8)根据瞬态记录仪(7)反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态；计时脉冲数结束后，计算机(8)向信号同步器(6)和瞬态记录仪(7)发送停止工作命令，信号同步器(6)和瞬态记录仪(7)分别向水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)和非吸收峰探测波长回波信号探测(17)和吸收峰探测波长回波信号探测(18)发送停止命令，计算机(8)将采集到的光信号数据、温湿度数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，通过计算机(8)利用差分吸收反演方法进行反演，得到所测光路上的距离分辨水汽浓度廓线，并自动完成对数据的校准；除获取水汽浓度廓线外，同时得到边界层高度、颗粒物分布信息、云特性和气溶胶消光系数特性垂直分布。
2.根据权利要求1所述的微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述水汽探测的激光光源为两个相对独立的光源，分别为吸收峰谱线探测激光光源(1)和水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)，吸收峰谱线探测激光光源(1)和水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)的探测光束的光轴与激光雷达接收光学系统(3)光轴同轴，探测盲区小于40m。
3.根据权利要求1所述的微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述非吸收峰探测波长回波信号探测(17)和吸收峰探测波长回波信号探测(18)选择使用低噪声红外探测器，安装在恒温盒中，恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定。
4.根据权利要求1所述微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)和瞬态记录仪(7)同步进行采集工作，同步时间误差小于30ns。
5.根据权利要求1所述微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述三维转动平台(5)能够由计算机控制，俯仰角调整角度为0-180°，方位角调整0-360°，其转动误差小于0.1°。
6.根据权利要求1所述微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述电子罗盘(15)和电子仪经纬(16)的误差小于0.1°。
7.根据权利要求1所述微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，其特征在于：所述水汽吸收峰谱线探测激光光源(1)、水汽非吸收峰谱线探测激光光源(2)均为小型化高重复频率的微脉冲激光器，工作频率大于2KHz，激光器工作波长稳定，波长随温度波动产生漂移小于0.05pm/℃。
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