CN106772438A - 一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统。系统包括发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元。发射单元采用种子注入的固体激光器输出极窄线宽的532.23 nm激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元收集大气物质后向散射光，同时提取弹性回波信号及N2分子Anti‑Stokes纯转动Raman谱J=6和16的两支单谱线信号；控制单元保障整个雷达系统自动有序工作。本发明的激光雷达系统具备全天时工作能力，且具备更高的测温精度，可实现对大气温度和气溶胶消光系数、体后向散射系数的同时准确测量。

Description

一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统
技术领域
本发明属于激光雷达遥感探测技术领域，具体涉及一种能够全天时准确测量大气温度和气溶胶消光系数、体后向散射系数的激光雷达系统。
背景技术
当激光在大气中传播时，会与大气分子(主要为N2和O2分子)及气溶胶粒子相互作用而产生次级辐射。次级辐射包括弹性的Mie散射(由气溶胶粒子产生)、Rayleigh散射(由大气分子产生)，以及非弹性的Raman散射。弹性散射谱信号波长与发射激光波长几乎无差异，Raman散射谱信号波长与发射激光波长不同。分子的Raman散射谱包括振转Raman散射谱和纯转动Raman散射谱。在频谱上，振转Raman谱远离弹性谱，纯转动Raman谱的Stokes谱和Anti-Stokes谱分居弹性谱两侧。图1展示了在532.23nm激光辐射下，大气N2和O2分子产生的Anti-Stokes纯转动Raman谱谱线的频谱分布。其中，N2分子纯转动Raman谱谱线间距～0.22nm,O2分子由于偶数J谱线缺失而实际谱线间距～0.32nm，二者谱线在频谱上交叠。
纯转动Raman测温激光雷达常通过提取大气分子在不同频谱位置的两组纯转动Raman谱线信号来获取温度剖面。理想情况下，倘若纯转动Raman测温激光雷达采用的滤波光学元件具有足够窄带宽，能够准确提取出源自N2或O2分子的两支纯转动Raman单谱线信号，各Raman通道雷达方程可表示为：
上式中，N代表提取的单谱线回波强度，J代表转动量子数，C为系统常数，z为探测高度，n为大气分子数密度，σ为微分后向散射截面，T代表温度，下标a与m分别代表气溶胶和大气分子，α为消光系数。其测温的理论依据是：在热平衡状态下，低空各种大气分子的布居数满足Boltzmann分布，进而分子纯转动Raman谱线对应的回波强度与温度相关。对大气分子任意两支纯转动Raman单谱线回波信号的强度比R，与温度关系在形式上都可准确表述为(A与B为常数)：
然而，受元件工艺水平等因素的限制，当前常见的纯转动Raman测温激光雷达各Raman通道多采用带宽0.5-1.0nm的滤波器件提取谱线回波信号。由图1可知，大气N2和O2分子产生的纯转动Raman谱在频谱上密集分布且存有交叠，此时各Raman通道实际提取的信号并非纯转动Raman单支谱线信号，而是多支大气N2和O2分子纯转动Raman谱线信号的合成：
上式中，i(＝1,2)代表两路Raman探测通道，J_N2与J_O2分别代表能够进入各Raman通道的源自N2和O2分子的各支纯转动Raman谱线信号对应的转动量子数。此时，两组Raman信号的比值与温度关系在理论上并不严格遵循(2)式，依旧采用两路Raman信号的比值进行温度反演会引入系统误差。
Mie散射激光雷达通过接收弹性回波以获取大气气溶胶的光学参数信息，对应的雷达方程可表示为：
其中，下标e代表弹性散射，β为体后向系数。在式(4)中，大气分子的消光系数αm和体后向系数βm常可由无线电探空数据获得，可视作已知量，气溶胶消光系数αa和体后向系数βa为待求量。
考虑到仅由雷达方程(4)不能同时求解出两个未知量αa和βa，Fernald(1984)首次假定气溶胶消光系数与体后向散射系数之比(即雷达比)在所有探测高度上为一个给定常数值，然后发展出气溶胶消光系数与后向体散射系数的求解算法。该算法的主要缺陷是需预先设定雷达比。对实际大气而言，雷达比在所有探测高度上为同一常数值的假设通常不成立。另一种求解气溶胶光学参数的方法是，联合Mie散射回波信号和N2分子振转Raman回波信号：先借助Raman回波信号获取N2分子Raman频移后波长对应的气溶胶消光系数，然后假定不同波长λ处气溶胶消光系数满足Angstrom关系(t为给定常数)：
则发射激光波长处气溶胶消光系数求出，再代入方程(4)可求出气溶胶体后向散射系数。这种方法的缺陷是，需要假定气溶胶在不同波长处对应的消光系数满足Angstrom关系，该假定尚需检验。
发明内容
对图1进一步分析发现，在532.23nm激光辐射下，N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支谱线在频谱上与相邻O2分子谱线有相对更大的谱线间距(>0.14nm)，其对应谱线信号具备被常规滤波器件提取的可能性。据此，我们建议研发一种新型的激光雷达系统：系统组合窄带滤光片和FPI干涉仪实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支单谱线信号的提取。具体为，首先采用带宽0.3-0.5nm、中心波长分别位于J＝6与16两支谱线波长处的窄带滤光片初步提取谱线信号及抑制带外信号，再组合极窄带宽的(例如，～30pm)、透过率峰值分别位于J＝6与16两支谱线波长处的FPI干涉仪进一步抑制相邻O2分子谱线信号及弹性回波信号。这样，提取出的两支谱线信号比值与温度的关系可以很好地满足(2)式，该种雷达在理论上具备更高的测温精度。另外，考虑到在532.23nm激光辐射时，提取的两支谱线信号波长与发射激光波长差异很小(<4nm)，其与发射激光波长对应的大气透过率差异可忽略。联立(1)式和(4)式有：
上式中z0代表参考高度，T0代表参考高度处温度。选择高度对应洁净区域时，βa＝0，进而常数值C0可求。将(6)式中解得的气溶胶体后向散射系数结果代入(4)式，则气溶胶消光系数值可求。可见，该类型雷达借助测得的大气温度结果，可无需假设得到气溶胶消光系数和体后向散射系数剖面。另外，雷达系统采用极窄带宽的FPI干涉仪提取Raman信号，可在白天条件下工作，因而具备全天时工作潜力！
为此，本发明提出一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统。系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元采用种子注入的固体激光器输出极窄线宽的532.23nm激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元收集来自大气物质的后向散射光，同时提取弹性回波信号及N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16的两支单谱线信号；控制单元保障整个雷达系统自动有序工作。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元采用种子注入的大功率固体激光器输出极窄线宽的激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元收集来自大气物质的后向散射光；控制单元保障整个雷达系统有序工作；所述发射单元采用种子注入的固体激光器输出单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz，线宽<0.006cm-1的532.23nm激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元中两个Raman通道组合窄带干涉滤光片和FPI干涉仪分别提取N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支单谱线信号，对532.23nm附近光产生优于8个量级的抑制，对邻近O2分子谱线信号产生优于1.5个量级的抑制；系统视场～0.4mrad，弹性通道带宽0.3nm，双Raman通道带宽30pm，具备全天时工作能力。
发射单元包括种子激光器、固体激光器、扩束镜、发射台。种子激光器产生极窄线宽的1064nm红外基频光。基频光由光纤导入固体激光器谐振腔内，经放大后再由二倍频晶体倍频产生极窄线宽(<0.006cm-1)的532.23nm激光输出。输出激光单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz，通过8倍扩束镜后照射发射台。发射台可电动精密控制，以高于99.5％的反射率将水平来射激光导向天顶方向。
光学接收与信号检测单元由望远镜、光阑、反射镜、准直镜、分束镜BS1、干涉滤光片IF3、汇聚镜L3、探测器3、分束镜BS2、干涉滤光片IF2、法布里-玻罗干涉仪FPI2、汇聚镜L2、探测器2、干涉滤光片IF1、法布里-玻罗干涉仪FPI1、汇聚镜L1、探测器1统组成。望远镜收集大气后向散射光信号。光信号穿过光阑后由反射镜转折并照射准直镜，准直镜将来射光变为平行光。光阑定位在望远镜焦面上，直径设置为0.8mm以控制系统视场为～0.4mrad。BS1将来射平行光分为两路：反射10％信号光照射IF3，经L3汇聚后由探测器3接收；透射～90％信号照射BS2。BS2以1:1的比例反射与透射入射平行光：反射光通过参数相同的两片IF2后照射FPI2，经L2汇聚后由探测器2接收；透射光通过参数相同的两片IF1后照射FPI1，经L1汇聚后由探测器1接收。
控制单元主要由计算机组成，对采集数据进行存储及通过时序电路保障整个雷达系统自动有序工作。计算机通过软件控制一个三通道的Licel瞬态记录仪记录来自三个探测器的信号，通过一个时序电路控制整个雷达系统自动有序工作。Licel瞬态记录仪同时以模拟(AD)和光子计数(PC)两种工作模式记录原始数据，数据通过一根网线传输至计算机并自动存储。
BS1工作角度45°，长76mm，宽50mm，厚度～3mm。BS2为消偏振分光晶体，边长50mm。
IF3有效口径50mm，中心波长532.23nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，带外抑制优于3个量级；IF2有效口径50mm，中心波长531.00nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，对带外光(包括532.23nm弹性回波)抑制优于3个量级；IF1中心波长528.77nm，带宽0.3nm，峰值透过率>35％，对带外光(包括532.23nm弹性回波)抑制优于3个量级。FPI2与FPI1有效孔径50mm，空气隙间隔0.189mm，腔端面反射率～90％，精细度23。FPI2通过精细的温度和角度控制，对531.00nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对531.18nm(对应O2分子J＝7谱线)和530.85nm(对应O2分子J＝9谱线)信号产生优于1.5个量级的抑制；FPI1通过精细的温度和角度控制，对528.77nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对528.91nm(对应O2分子J＝21谱线)和528.60nm(对应O2分子J＝23谱线)信号产生优于1.5个量级的抑制。探测器3实现对532.23nm弹性回波信号的接收；探测器2实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6单谱线信号的提取；探测器1实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝16单谱线信号的提取。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、激光雷达白天工作的难点在于来自太阳的天光背景光极强。本发明一方面采用较小的视场(～0.4mrad)、极窄的接收通道光学带宽(弹性通道，0.3nm；两个Raman通道，30pm)限制天空背景光，另一方面采用大功率激光器(单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz)增强回波信号，有效提高了回波信号的信噪比，系统因此具备全天时工作能力。
2、系统的两个Raman通道都组合采用相同参数的两片窄带滤光片和一个温度、角度精确控制的FPI干涉仪，中心透过波长依次为531.00nm和528.77nm，对532.23nm附近弹性光产生优于8个量级的抑制，对最临近O2分子转动Raman谱线产生优于1.5个量级的抑制，分别实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支单谱线信号的提取。提取的两路Raman信号的比值与温度的关系可准确地由理论的解析函数描述，进而可获取温度剖面，在理论上具备更高的测温精度，系统为此实现对大气温度的准确探测。
3、系统提取的两路Raman单支谱信号的中心波长与弹性信号波长偏差都<4nm，可无需假设获取气溶胶消光系数和体后向散射系统剖面，系统为此实现对大气气溶胶参数的准确探测。
附图说明
图1为大气N2和O2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱。
图2为本发明实施例的激光雷达系统框图。
具体实施方式
本发明由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。结合附图2，本发明的实施方案具体陈述如下。
发射单元包括种子激光器、固体激光器、扩束镜、发射台。种子激光器(美国，NPPhotonics)产生1064nm红外极窄线宽基频光并由光纤导入固体激光器谐振腔。固体激光器(美国，Continuum，Powerlite 9030)对基频光放大、二倍频后产生单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz的532.23nm激光输出(线宽<0.006cm-1)。扩束镜以8倍倍率放大入射激光束直径及压缩入射激光束发散角。电控发射台(日本，Kohzu)具备二维调节能力，以>99.5％的反射率将水平来射激光准确导向天顶方向。
光学接收与信号检测单元由望远镜、光阑、反射镜、准直镜、分束镜BS1、干涉滤光片IF3、汇聚镜L3、探测器3、分束镜BS2、干涉滤光片IF2、法布里-玻罗干涉仪FPI2、汇聚镜L2、探测器2、干涉滤光片IF1、法布里-玻罗干涉仪FPI1、汇聚镜L1、探测器1统组成。卡塞格林式望远镜(美国，Meade)有效孔径203.2mm，焦距2032mm，收集大气后向散射光信号。光信号穿过光阑后由反射镜转折并照射准直镜，准直镜将来射光变为平行光。光阑(美国，Thorlabs)定位在望远镜焦面上，直径设置为0.8mm以控制系统视场为～0.4mrad。反射镜(美国，Thorlabs)表面镀膜，工作角度45°，对400-750nm范围光反射率>99％。准直镜(美国，Edmund)有效焦距486.3mm，有效孔径60mm。BS1将来射平行光分为两路：反射10％信号光照射IF3，经L3汇聚后由探测器3接收；透射剩余～90％信号照射BS2。BS2以1:1的比例反射与透射入射平行光：反射光通过相同参数的两片IF2后照射FPI2，经L2汇聚后由探测器2接收；透射光通过相同参数的两片IF1后照射FPI1，经L1汇聚后由探测器1接收。BS1(日本，Sigma)为定制品，工作角度45°，长76mm，宽50mm，厚度～3mm。BS2(美国，Edmund)为消偏振分光晶体，边长50mm。
IF3、IF2和IF1都为订制品，有效孔径50mm。IF3(美国，Andover)中心波长532.23nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，带外抑制优于3个量级。IF2(美国，Barr)中心波长531.00nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，对带外光(包括532.23nm弹性回波)抑制优于3个量级；IF1(美国，Barr)中心波长528.77nm，带宽0.3nm，峰值透过率>35％，对带外光(包括532.23nm弹性回波)抑制优于3个量级。FPI2与FPI1为订制品(美国，Tec Optics)，有效孔径50mm，空气隙间隔0.189mm，腔端面反射率～90％，自由光谱区～0.75nm，精细度～23。FPI2和FPI1采用温度控制器(英国，Euroherm)进行温度调节，温控精度优于0.1℃；采用电控旋转台(中国，赛凡光电)对工作角度进行精细控制，步进精度优于1.25×10-3度。最终，FPI2对531.00nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，同时对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对531.18nm(对应O2分子J＝7谱线)和530.85nm(对应O2分子J＝9谱线)信号产生优于1.5个量级的抑制；FPI1对528.77nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对528.91nm(对应O2分子J＝21谱线)和528.60nm(对应O2分子J＝23谱线)信号产生优于1.5个量级的抑制。探测器3(日本，Hamamatsu，H6780)接收532.23nm弹性回波信号，量子效率～20％；探测器2(日本，Hamamatsu，H7422)接收N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6谱线信号，对531.00nm光量子效率～40％；探测器1(日本，Hamamatsu，H7422)接收N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝16谱线信号，对528.77nm光量子效率～40％。
弹性通道采用窄带干涉滤光片实现对弹性信号的提取；两个Raman通道都组合相同参数的两片窄带干涉滤光片和一个FPI干涉仪，分别实现对大气N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支单谱线信号的提取。提取的两路Raman单谱线信号比值准确满足(2)式，可用来获取温度剖面，并在理论上具备更高的测温精度；两路Raman单谱线信号中心波长与弹性信号波长偏差<4nm，可依据(6)式无需假设，准确获取气溶胶消光系数和体后向散射系统剖面。
控制单元主要包括计算机。计算机通过一个自主开发的软件控制一个三通道的Licel瞬态记录仪(德国，Licel)采集来自三个探测器的信号，通过一个自制的时序电路控制整个雷达系统自动有序工作。Licel瞬态记录仪同时以模拟(AD)和光子计数(PC)两种模式记录来自探测器的数据，通过一根网线将数据传输至计算机并自动存储。

Claims (5)

1.一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，包括发射单元、光学接收与信号检测单元、控制单元；发射单元采用种子注入的大功率固体激光器输出极窄线宽的激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元收集来自大气物质的后向散射光；控制单元保障整个雷达系统有序工作，其特征在于：所述发射单元采用种子注入的固体激光器输出单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz，线宽<0.006cm-1的532.23nm激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元中两个Raman通道组合窄带干涉滤光片和FPI干涉仪分别提取N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6和16两支单谱线信号，对532.23nm附近光产生优于8个量级的抑制，对邻近O2分子谱线信号产生优于1.5个量级的抑制；系统视场～0.4mrad，弹性通道带宽0.3nm，双Raman通道带宽～30pm，具备全天时工作能力。
2.如权利要求1所述的一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，其特征在于：所述发射单元包括种子激光器、固体激光器、扩束镜、发射台；
种子激光器产生极窄线宽的1064nm红外基频光；基频光由光纤导入固体激光器谐振腔内，经放大后再由二倍频晶体倍频产生线宽<0.006cm-1，单脉冲能量～800mJ，重复频率30Hz的532.23nm激光输出；扩束镜以8倍倍率放大来射激光直径和压缩来射激光发散角；发射台以>99.5％的反射率将水平来射激光导向天顶方向。
3.如权利要求2所述的一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，其特征在于：所述光学接收与信号检测单元包括望远镜、光阑、反射镜、准直镜、分束镜BS1、干涉滤光片IF3、汇聚镜L3、探测器3、分束镜BS2、干涉滤光片IF2、法布里-玻罗干涉仪FPI2、汇聚镜L2、探测器2、干涉滤光片IF1、法布里-玻罗干涉仪FPI1、汇聚镜L1、探测器1；
望远镜收集大气后向散射光信号；光信号穿过光阑后由反射镜转折并照射准直镜，准直镜将来射光变为平行光；光阑定位在望远镜焦面上，直径设置为0.8mm以控制系统视场为～0.4mrad；BS1反射10％入射信号光照射IF3，经L3汇聚后由探测器3接收；BS1透射剩余～90％入射信号光照射BS2；BS2以1:1的比例反射与透射入射平行光；BS2反射的光信号通过两片相同参数的IF2后照射FPI2，经L2汇聚后由探测器2接收；BS2透射的光信号通过两片相同参数的IF1后照射FPI1，经L1汇聚后由探测器1接收。
4.如权利要求3所述的一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，其特征在于：所述控制单元包括计算机，对采集数据进行存储及通过时序电路保障整个雷达系统自动有序工作；
计算机控制一个三通道的Licel瞬态记录仪采集来自三个探测器的信号，通过一个时序电路控制整个雷达系统自动有序工作；Licel瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种工作模式记录来自探测器1、探测器2和探测器3的原始数据，记录的数据通过一根网线传输至计算机并得以自动存储。
5.如权利要求4所述的一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统，其特征在于：
所述IF3有效孔径50mm，中心波长532.23nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，带外抑制优于3个量级；
所述IF2有效孔径50mm，中心波长531.00nm，带宽0.3nm，峰值透过率>50％，对包括532.23nm弹性回波的带外光抑制优于3个量级；
所述IF1有效孔径50mm，中心波长528.77nm，带宽0.3nm，峰值透过率>35％，对包括532.23nm弹性回波的带外光抑制优于3个量级；
所述FPI2与FPI1有效孔径50mm，空气隙间隔0.189mm，腔端面反射率～90％，自由光谱区～0.75nm，精细度23；FPI2通过精细温度和角度控制，对531.00nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对O2分子J＝7的531.18nm谱线信号和J＝9的530.85nm谱线信号产生优于1.5个量级的抑制；FPI1通过精细温度和角度控制，对528.77nm信号具有30％的峰值透过率，带宽～30pm，对532.23nm弹性信号产生优于2个量级的抑制，对O2分子J＝21的528.91nm谱线信号和J＝23的528.60nm谱线信号产生优于1.5个量级的抑制；
所述探测器3实现对弹性回波信号的接收，探测器2实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝6谱线信号的提取，探测器1实现对N2分子Anti-Stokes纯转动Raman谱J＝16谱线信号的提取。
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