CN106814371B - 一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统。由发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元组成。发射单元采用固体激光器输出的354.7nm激光并由45度折返镜导向天顶；光学接收和分光单元由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜、分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅等组成。用于收集来自大气物质的后向散射光，并将回波信号中的弹性信号（354.7nm）、大气分子的纯转动拉曼谱(中心波长分别为353.5nm、354.1nm、355.6nm和356.2nm）和振转拉曼谱（386.7nm、407.6nm）信号进行分离；数据采集与控制单元保障整个雷达系统有序工作。本发明可同时对大气温度、水汽和气溶胶等参量进行高时空分辨率的测量。

Description

一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统。
背景技术
大气中的现象和过程错综复杂，使得大气科学研究在很大程度上要依靠对大气现象和过程的探测。大气温度、水汽和气溶胶是大气研究的重要参量。
激光雷达以其高时空分辨能力、高探测灵敏度以及可连续探测等特点，被广泛应用于大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中，尤其适合对大气参量的探测。激光雷达测量技术主要基于光与物质的相互作用机制。具体有：弹性散射、分子振动拉曼、分子纯转动拉曼、共振荧光以及差分吸收等技术。其中，拉曼散射是激光与大气分子之间的一种非弹性的作用过程。入射光与散射光波长不同，散射光的频移量与散射物质的电子能级分布有关。拉曼散射可以确定物质的属性，是辨识性的散射。激光雷达发射的激光束与大气中的尘埃、云雾、烟雾以及其它微粒相互作用，产生后向散射的回波光子信号，被激光雷达的望远镜系统接收，接收到的回波光子经过信号检测与处理系统，可以得到回波信号强度随高度分布以及随时间的变化，进而利用激光雷达方程反演出被探测对象的各种物理参数的空间分布和时间变化。
激光雷达测量的大气温度和水汽与无线电探空仪等相比，激光雷达能够获得高时空分辨率的温度和水汽的时空分布情况。测量水汽的激光雷达主要基于差分吸收和Raman散射两种原理。差分吸收激光雷达根据待测大气成分对两个相邻的波长吸收程度的差异进行浓度测量。由于分子的吸收截面比较大，所以差分激光雷达的测量精度高、测量周期短。但是由于差分吸收激光雷达对激光光源有较高的要求，系统结构一般比较复杂且造价高昂。Raman 散射激光雷达则根据分子微弱的非弹性散射（Raman 散射）进行探测，散射光的频率相对于入射光会发生一定的偏移，且偏移量只与目标分子有关，而与入射波长无关，因此可以根据散射光的强度确定被测气体组分的浓度。Raman激光雷达对激光波长没有特殊要求，结构相对比较简单，而且设备经济性比较好。
激光雷达对水汽测量通常采用354.7nm的发射激光。这样，需要从大气散射谱中，将中心波长为386.7nm的氮气分子的振动光谱和中心波长为407.6nm的水汽分子的Raman光谱分离出来。如果同时要进行高时间分辨率的大气温度测量，就要采用干涉滤光片组或者双光栅多色仪的纯转动拉曼激光雷达技术。目前，同时的大气温度、水汽和气溶胶测量的激光雷达，主要有两种，干涉滤光片组成的分光系统、干涉滤光片和Fabry-Perot标准具结合组成的分光系统。
对于单纯由干涉滤光片构成的分光系统具有结构简单、系统稳定，但是对于纯转动拉曼测温来说，干涉滤光片难以充分抑制两波长间的相互干扰，对弹性信号的抑制作用有限。干涉滤光片和Fabry-Perot标准具结合组成的分光系统通常结构较为复杂, 很少用于紫外激光分光。
发明内容
本发明的目的是提出了一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统。该激光雷达由发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元等三部分组成，其中发射单元是用来产生354.7nm波长激光的部分，目的是产生激光脉冲并将其发射到空中，使其与大气中的物质相互作用，产生后向散射回波。光学接收和分光单元用于收集回波信号，并将回波信号中的弹性信号（354.7nm）、大气分子的纯转动拉曼谱(中心波长分别为353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm）和振转拉曼谱（386.7nm、407.6nm）信号进行分离，根据各种谱信号强度随高度的分布，利用激光雷达方程反演出被探测对象的各种物理参数的空间分布和时间变化。数据采集与控制单元主要实现光子计数以及数据存储等功能，保障整个激光雷达系统有序工作。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统，包括发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元，所述发射单元采用固体激光器输出354.7nm激光并导向天顶；光学接收和分光单元包括450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜、分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅；激光与大气相互作用的后向散射光由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜接收后，通过分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅将回波信号中的弹性信号、大气分子的纯转动拉曼谱和振转拉曼谱信号进行分离；所述弹性信号的中心波长为354.7nm，大气分子的纯转动拉曼谱中心波长分别为353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm，振转拉曼谱中心波长分别为386.7nm、407.6nm。
所述发射单元包括Nd:YAG固体激光器、扩束器、折反镜；固体激光器产生的354.7nm的激光，经过扩束器进行5倍扩束后由折反镜反射到大气中；
所述光学接收和分光单元包括卡塞格林式望远镜、小孔光阑、分光镜、滤光片、透镜、光纤、光纤模式混合器以及双光栅多色仪；双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪；望远镜接收到由折反镜反射到大气中的激光后，依次经过小孔光阑、透镜L1照射到分光镜BS1上；
分光镜BS1的反射光经滤光片IF1、透镜L2后注入光纤F1，光纤F1输出端与光纤模式混合器连接，光纤模式混合器输出端与光纤F2相连，光纤F2与双光栅多色仪的第一级相连，双光栅多色仪的第一级与双光栅多色仪的第二级通过光纤F4连接，双光栅多色仪的第一级的弹性信号光由光纤F3导出，纯转动拉曼谱中心波长分别为353.5nm、354.1nm355.6nm和356.2nm的信号光由光纤F4导入到双光栅多色仪的第二级，第二级的输出光分别由光纤F5和光纤F6导出，光纤F3、F5和F6分别与光电倍增管PMT3、PMT1和PMT2相连；
分光镜BS1的透射光由BS2再次分为反射部分和投射部分，反射部分经滤光片IF2和透镜L5后进入光电倍增管PMT4，投射部分由分光镜BS3反射后经IF3和透镜L6进入光电倍增管PMT5；
所述数据采集与控制单元包括光子计数器、计算机；光电倍增管PMT1，PMT2，PMT3，PMT4，PMT5输出接光子计数器，由光子计数器进行采集，光子计数器与计算机连接，由计算机对采集数据进行存储并显示。
所述双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪，第一级多色仪包括光栅G1、透镜L3、光纤束阵列端面FA1，第二级多色仪包括光栅G2、透镜L4、光纤束阵列端面FA2；两级单光栅多色仪通过光纤F4相连；每一级多色仪中的透镜和光栅均放置在内壁有密集消光槽结构的密封盒内。
所述分光镜BS1、分光镜BS2和分光镜BS3工作在45度角，分光镜BS1对372nm以下波段信号光高反，对372nm以上高透；分光镜BS2对393nm以下波段信号光高反，对372nm以上高透；分光镜BS3对407nm光高反。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明将干涉滤光片和双光栅相结合，充分利用干涉滤光片分光结构简单、稳定和双光栅分光系统稳定并能对弹性信号有效抑制（~107）的优点，实现同时对大气温度、水汽和气溶胶的测量。同时的大气温度、水汽和气溶胶测量对气象、气候以及大气辐射、热力学、动力学的变化研究起着很重要的作用。尤其是随着近几年雾霾现象的频发，对大气温度、水汽和气溶胶等参数的同步探测研究，对于理解国内区域大气雾霾的生消过程等有很好的应用价值与前景。
附图说明
图1 为本发明实施例的一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统工作原理图。
图2 为本发明实施例的被分离的中心波长分别为353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm谱在纯转动拉曼谱中位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的关键在于采用种子注入的ND:YAG固体激光器的三倍频激光（354.7nm）作为发射光，以及采用分光镜、干涉滤光片和光栅分光技术同时采集大气散射回波中的弹性散射信号354.7nm、N2和O2的Stokes 纯转动拉曼谱（中心波长分别为355.6nm和356.2nm）和anti-Stokes 的纯转动拉曼谱（中心波长分别为353.5nm和354.1nm）、N2的振转拉曼谱386.7nm以及H2O的振转拉曼谱407.6nm，可实现大气气溶胶、温度以及水汽的高时间分辨率测量。
本发明的激光雷达系统由三部分组成，即发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元。如附图1。
发射单元由固体激光器、扩束器、45度折反镜组成。固体激光器产生的354.7nm的紫外激光，经过扩束器进行扩束后由45度折反镜反射到大气中。
光学接收和分光单元由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜、分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅等组成。激光与大气相互作用的后向散射光由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜接收后，被汇聚到放置在望远镜焦平面的小孔光阑上。经过小孔光阑的光通过透镜L1转化成具有一定发散角的准平行光。准平行光被分光镜BS1分为两路光：一路光(波长小于372nm )被反射。反射光经过中心波长354.7nm ，在350-360nm的平均透过率大于90%的滤光片IF1后，被透镜L2耦合进芯径为1000μm ，数值孔径为0.22 的光纤F1。光纤F1出射光通过光纤模式混合器（FMH）导入芯径为600μm，数值孔径为0.22 的光纤F2中。
双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪。每级多色仪结构都相同，第一级多色仪包括光栅G1、透镜L3、光纤束阵列端面FA1，第二级多色仪包括光栅G2、透镜L4、光纤束阵列端面FA2。两级单光栅多色仪通过光纤束阵列F4相连。
光纤F2的出射端面精确定位在透镜L1的焦平面上，由它发出的光通过直径120mm、焦距为285mm的透镜L1准直后入射在刻线密度为600 线/mm ，光栅闪耀角为~54°的闪耀光栅G1上。经光栅G1色散的光再次通过透镜L1汇聚到焦平面上，被放置在焦平面处的光纤束阵列端面FA1上的光纤接收。其中，弹性信号被光纤F3接收并导入到光电倍增管PMT3，记为通道3，用于大气气溶胶的测量。
含有N2和O2的Stokes 纯转动拉曼谱的信号光（中心波长为355.6nm和356.2nm）以及含有anti-Stokes 的纯转动拉曼谱的信号光（中心波长为353.5nm和354.1nm），通过光栅G1的色散，在空间上被分离开来。被分离的纯转动拉曼谱分别由4根芯径为600μm ，数值孔径为0.22的光纤F4传输到直径120mm、焦距为285mm的透镜L2的焦平面上。中心波长分别353.5nm、354.1nm 、355.6nm和356.2nm的信号光由透镜L2准直后入射在和光栅G1具有相同的参数和工作方式的光栅G2上。由光栅G2衍射的光再次经过透镜L2自汇聚在焦平面上。光纤束阵列端面FA2放置在透镜L2的焦平面处。此时，中心波长分别354.1nm和355.6nm的光将重叠在一起，由光纤束阵列端面FA2处的芯径为1500μm ，数值孔径为0.22的光纤F5导入到光电倍增管PMT1中，此通道为纯转动拉曼谱的低转动量子数通道，记为通道1。
中心波长分别353.5nm和356.2nm的光将重叠在一起，由光纤束阵列端面FA2处的芯径为1500μm ，数值孔径为0.22的光纤F6导入到光电倍增管PMT2中。此通道为纯转动拉曼谱的高转动量子数通道，记为通道2。利用光栅G2衍射将纯转动拉曼信号所携带的弹性杂散光进一步分开，提高纯转动拉曼通道对弹性波长的带外抑制，带外抑制达到107-108。通道1和通道2信号的比值随温度的变化用于大气温度的测量。中心波长分别为353.5nm、354.1nm355.6nm和356.2nm的谱线在纯转动拉曼谱中位置，如附图2。
回波信号中波长大于372nm的信号光透过分光镜BS1后，由分色镜BS2分为两部分。其中，波长小于393nm的信号光被反射，经过滤光片IF2，IF2是美国Materion Barr公司生产的窄带干涉滤光片。IF2的中心波长386.7nm、带宽0.3nm、带外抑制107从200-1200nm，对354.7nm弹性散射光的抑制达到12个数量级。经过IF2后的信号光，被透镜L5汇聚到光电倍增管PMT4，为大气N2分子振转拉曼通道，记为通道4。
回波信号中波长大于393nm的信号光透过分光镜BS2后，由分光镜BS3反射。被分光镜BS3反射的光经过窄带干涉滤光片IF3。IF3也是美国Materion Barr公司生产的窄带干涉滤光片。该滤光片的中心波长407.6nm、带宽0.3nm、带外抑制107从200-1200nm，对354.7nm弹性散射光的抑制达到12个数量级。这样，回波信号中波长大于393nm的信号光滤光片IF3后，只有在407.6nm、带宽0.3nm的光被透镜L6汇聚到光电倍增管PMT5，为大气水汽拉曼通道，记为通道5。由通道4和通道5用于大气水汽的测量。
各通道的光电信号转换器件是光电倍增管PMT。光电倍增管PMT 是具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，具有高增益和低暗噪声的优点，是工作在紫外-近红外波段激光雷达首选探测器件。光电倍增管采用日本HAMAMATSU公司H10721-110，光谱响应范围为230-700nm。
数据采集与控制单元包括多通道光子计数器以及计算机组成。光电倍增管的输出脉冲由德国Licel 公司生产的信号采集器TR20-160对快速变化的回波信号进行多次的采样和累加，最后可得到激光雷达的原始回波数据，上传到计算机进行计算、存储。同时保障整个雷达系统有序工作。

Claims (1)

1.一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统，包括发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元，其特征在于：所述发射单元采用固体激光器输出354.7nm激光并导向天顶；所述光学接收和分光单元包括450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜、小孔光阑、分光镜、滤光片、透镜、光纤、光纤模式混合器以及双光栅多色仪；激光与大气相互作用的后向散射光由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜接收后，通过分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅将回波信号中的弹性信号、大气分子的纯转动拉曼谱和振转拉曼谱信号进行分离；所述弹性信号的中心波长为354.7nm，大气分子的纯转动拉曼谱中心波长分别为353.5nm、354.1nm、355.6nm和356.2nm，振转拉曼谱中心波长分别为386.7nm、407.6nm；
所述发射单元包括Nd:YAG固体激光器、扩束器、折反镜；固体激光器产生的354.7nm的激光，经过扩束器进行5倍扩束后由折反镜反射到大气中；
双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪；望远镜接收到由折反镜反射到大气中的激光后，依次经过小孔光阑、透镜L1照射到分光镜BS1上；
分光镜BS1的反射光经滤光片IF1、透镜L2后注入光纤F1，光纤F1输出端与光纤模式混合器连接，光纤模式混合器输出端与光纤F2相连，光纤F2与双光栅多色仪的第一级相连，双光栅多色仪的第一级与双光栅多色仪的第二级通过光纤F4连接，双光栅多色仪的第一级的弹性信号由光纤F3导出，纯转动拉曼谱中心波长分别为353.5nm、354.1nm、355.6nm和356.2nm的信号光由光纤F4导入到双光栅多色仪的第二级，第二级的输出光分别由光纤F5和光纤F6导出，光纤F3、F5和F6分别与光电倍增管PMT3、PMT1和PMT2相连；
分光镜BS1的透射光由分光镜BS2再次分为反射部分和透射部分，反射部分经滤光片IF2和透镜L5后进入光电倍增管PMT4，透射部分由分光镜BS3反射后经滤光片IF3和透镜L6进入光电倍增管PMT5；
所述数据采集与控制单元包括光子计数器、计算机；光电倍增管PMT1，PMT2，PMT3，PMT4，PMT5输出接光子计数器，由光子计数器进行采集，光子计数器与计算机连接，由计算机对采集数据进行存储并显示；
所述双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪，第一级多色仪包括光栅G1、透镜L3、光纤束阵列端面FA1，第二级多色仪包括光栅G2、透镜L4、光纤束阵列端面FA2；两级单光栅多色仪通过光纤F4相连；每一级多色仪中的透镜和光栅均放置在内壁有密集消光槽结构的密封盒内；
所述分光镜BS1、分光镜BS2和分光镜BS3工作在45度角，分光镜BS1对372nm以下波段信号光高反，对372nm以上高透；分光镜BS2对393nm以下波段信号光高反，对393nm以上高透；分光镜BS3对407nm光高反。
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