CN107976689A - 一种用于气溶胶探测的对地激光雷达 - Google Patents
一种用于气溶胶探测的对地激光雷达 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，涉及激光大气遥感领域；包括双视线激光雷达和反演处理模块；双视线激光雷达包括第一激光雷达和第二激光雷达；第一激光雷达包括第一发射系统、第一回波接收系统和第一探测采集处理系统；第二激光雷达包括第二发射系统、第二回波接收系统和第二探测采集处理系统；第一激光雷达垂直向下对地进行观测得到激光雷达回波廓线；第二激光雷达沿倾斜θ角对地进行观测得到激光雷达回波廓线；第一激光雷达和第二激光雷达探测到的数据送入数据处理及反演模块2后可以反演得到消光系数廓线、激光雷达比廓线；本发明达到优于20％的气溶胶光学特性探测精度，同时也解决了当前拉曼激光雷达和高光谱分辨激光雷达系统的不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光大气遥感领域，特别是一种用于气溶胶探测的对地激光雷达。
背景技术
当前用于气溶胶廓线探测的主要激光雷达技术为后向散射激光雷达技术、拉曼散射激光雷达技术、高光谱分辨激光雷达技术。为了实现气溶胶粒径分布的探测，还需要采用多波长(一般为1064nm、532nm、355nm)探测方式。
上述方法中，后向散射激光雷达对激光器的综合要求最低(通常为10～100pm量级的线宽，能量uJ～100mJ量级)，对接收光学系统的综合要求也最低，其后向散射截面最大，可以工作于任意波长，可以用于机载、星载激光雷达研制，是目前最成熟的激光雷达技术。但其反演精度与天气条件、反演算法等密切相关，相对误差一般在30％～50％。
拉曼散射激光雷达技术分为转动拉曼散射激光雷达技术和振动拉曼散射激光雷达，一般常用振动拉曼激光雷达进行高精度气溶胶探测。该技术对激光器和接收光学系统的综合要求相对较低(通常为10～100pm量级的线宽，能量100mJ量级)，通过大气分子的拉曼散射可以将气溶胶光学特性反演精度提高到优于20％，但拉曼散射截面最小且与波长4次方成反比，一般只用于紫外和可见光波段探测。由于拉曼散射信号比米散射信号小6个数量级，这类激光雷达往往要求较大的脉冲发射能量和接收口径；基于于同样的原因，该种技术只能用于地基、空基探测，不能用于天基对地观测。
高光谱分辨率激光雷达(HSRL)探测技术是在一般后向散射激光雷达基础上发展起来的更高精度的探测技术。它的优点是散射信号比拉曼散射强4个数量级以上，同时，还可以实现优于20％的气溶胶光学特性反演，因而可以用于地基、空基和天基。而它的问题在于为了实现上述指标，必须采用高激光功率输出的单频脉冲激光器(线宽1～100fm量级)，这类激光器对波长的线宽及其稳定性要求极高，通常需要配置鉴频、稳频等装置；除激光器研制难度高外，其接收中继光学系统的要求也极高，通常采用原子滤波器(需要对激光发射和接收谱线同时锁定，仅用于532nm)、FP标准具(可用视场小、透过率低、尺寸难以提高、加工难度高、应用环境要求苛刻)、视场展宽干涉仪(可用视场较大、透过率较高、加工和装调难度高、应用环境要求高)等高难度、严要求、环境适应性差的接收光学元器件；由于接收光学系统的限制，该类激光雷达通常只能工作在如532nm、355nm这样的特定波长上，且光学接收透过率较低。
通过上述比较可知，目前高光谱分辨激光雷达技术既可以达到20％的探测精度又可以用于星载探测，因此是目前相关领域研究的主要方向。但是该技术主要由以下3个问题：
1、对激光器的要求极高，尤其是线宽和波长稳定性控制要求极高，需要特殊的激光器设计技术，研制成本、研制周期、研制难度和工作风险成倍增加；
2、对中继光学要求极高，为了实现高光谱分辨滤波，必须采用高成本、高难度、高风险、低适应性、低透过率的特殊光学元件，导致可行性较低；
3、工作波长限制较大，比如原子滤波系统只能用于532nm，FP标准具虽然可以用于多种波长但在355nm波长透过率极低，1064nm分子散射极弱难以采用高光谱分辨等。在气溶胶探测过程中，波长越多粒径反演精度越高，因此该技术不利于更高精度的粒径反演。
综上所述，第一种后向散射激光雷达成本和难度最低，易实现，但精度仅能达到30％～50％；第二种拉曼散射激光雷达成本和难度较高，精度能到20％，较易实现，但不能用于星载对地观测；第三种高光谱分辨激光雷达精度能达到20％，也能用于星载，但其研制成本和研制难度相对前两种成倍增加，不易实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，达到优于20％的气溶胶光学特性探测精度，同时也解决了当前拉曼激光雷达和高光谱分辨激光雷达系统的不足。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，包括双视线激光雷达和反演处理模块；其中，双视线激光雷达包括第一激光雷达和第二激光雷达；第一激光雷达包括第一发射系统、第一回波接收系统和第一探测采集处理系统；第二激光雷达包括第二发射系统、第二回波接收系统和第二探测采集处理系统；
第一发射系统：垂直于地面向地面发射第一激光脉冲；经大气散射后产生第一后向散射回波光，第一后向散射回波光返回至第一回波接收系统；
第二发射系统：与第一发射系统夹角θ，同一时刻，沿夹角θ方向向地面发射第二激光脉冲；经大气散射后产生第二后向散射回波光，第二后向散射回波光返回至第二回波接收系统；
第一回波接收系统：接收返回的第一后向散射回波光，对第一后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第一后向散射回波光，将滤波后的第一后向散射回波光聚焦到第一探测采集处理系统；
第二回波接收系统：接收返回的第二后向散射回波光，对第二后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第二后向散射回波光，将滤波后的第二后向散射回波光聚焦到第二探测采集处理系统；
第一探测采集处理系统：接收滤波后的第一后向散射回波光，依次对滤波后的第一后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，生成校正信号SA，将校正信号SA发送至反演处理模块；
第二探测采集处理系统：接收滤波后的第二后向散射回波光，依次对滤波后的第二后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，生成校正信号SB，将校正信号SB发送至反演处理模块；
反演处理模块：接收第一探测采集处理系统传来的校正信号SA；接收第二探测采集处理系统传来的校正信号SB；进行反演计算，得到大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)。
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，所述第一发射系统垂直与地面发射角度的角度偏差范围为-5°～+5°；第二发射系统与第一发射系统夹角θ为25°～65°。
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，所述数据校正处理包括非线性校正处理、背景光扣除处理和距离平方校正处理。
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，所述校正信号SA的计算法方法为：
式中，r为第一发射系统的垂直探测距离；
CA为第一激光雷达系统常数；
β为后向散射系数；
α为消光系数。
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，所述校正信号SB的计算法方法为：
式中，r′为第二发射系统的倾斜探测距离；
CB为第二激光雷达系统常数。
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，反演计算大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)的方法为：
将第二激光雷达信号转换为垂直地面方向信号：
将公式(1)除以公式(3)，得：
对公示(4)两端求导，得到大气消光系数廓线α(r)：
将公式(5)代入公式(1)，得到后向散射系数廓线β(r)：
将公式(5)除以公式(6)，得到激光雷达比廓线R(r)：
在上述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，所述第一激光脉冲和第二激光脉冲的波长相同。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明中高精度探测原理与波长无关，可工作于任意波长，因而可以用于多波长激光雷达系统设计(例如2um、1.57um、1064nm、532nm、355nm五波长组合系统)，有助于颗粒物粒径谱的高精度获取；
(2)本发明采用两台后向散射激光雷达拼装而成。与当前常用的高光谱分辨激光雷达技术相比，不需要使用单频脉冲激光器，不需要使用超窄带高光谱分辨滤波设备，可以大幅缩短高精度星载、机载大气气溶胶探测设备的研制周期，大幅降低研制成本，降低系统风险。
附图说明
图1为本发明激光雷达系统构成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为激光雷达系统构成图，由图可知，一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，包括双视线激光雷达1和反演处理模块2；其中，双视线激光雷达1包括第一激光雷达1-1和第二激光雷达1-2；第一激光雷达1-1包括第一发射系统1-1-1、第一回波接收系统1-1-2和第一探测采集处理系统1-1-3；第二激光雷达1-2包括第二发射系统1-2-1、第二回波接收系统1-2-2和第二探测采集处理系统1-2-3；
第一发射系统1-1-1：垂直于地面向地面发射第一激光脉冲；经大气散射后产生第一后向散射回波光，第一后向散射回波光返回至第一回波接收系统1-1-2；第一发射系统1-1-1垂直与地面发射角度的角度偏差范围为-5°～+5°。
第二发射系统1-2-1：与第一发射系统1-1-1夹角θ，θ为25°～65°；同一时刻，沿夹角θ方向向地面发射第二激光脉冲；经大气散射后产生第二后向散射回波光，第二后向散射回波光返回至第二回波接收系统1-2-2；第一激光脉冲和第二激光脉冲的波长相同，为任意波长的单波长或多波长后向散射脉冲。
第一回波接收系统1-1-2：接收返回的第一后向散射回波光，对第一后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第一后向散射回波光，将滤波后的第一后向散射回波光聚焦到第一探测采集处理系统1-1-3；
第二回波接收系统1-2-2：接收返回的第二后向散射回波光，对第二后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第二后向散射回波光，将滤波后的第二后向散射回波光聚焦到第二探测采集处理系统1-2-3；
第一探测采集处理系统1-1-3：接收滤波后的第一后向散射回波光，依次对滤波后的第一后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，数据校正处理包括非线性校正处理、背景光扣除处理和距离平方校正处理；生成校正信号SA，将校正信号SA发送至反演处理模块2；
校正信号SA的计算法方法为：
式中，r为第一发射系统1-1-1的垂直探测距离；
CA为第一激光雷达1-1系统常数；
β为后向散射系数；
α为消光系数。
第二探测采集处理系统1-2-3：接收滤波后的第二后向散射回波光，依次对滤波后的第二后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，生成校正信号SB，将校正信号SB发送至反演处理模块2；
校正信号SB的计算法方法为：
式中，r′为第二发射系统1-2-1的倾斜探测距离；
CB为第二激光雷达1-2系统常数。
反演处理模块2：接收第一探测采集处理系统1-1-3传来的校正信号SA；接收第二探测采集处理系统1-2-3传来的校正信号SB；进行反演计算，得到大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)。
大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)的计算方法为：
将第二激光雷达1-2信号转换为垂直地面方向信号：
将公式(1)除以公式(3)，得：
对公示(4)两端求导，得到大气消光系数廓线α(r)：
将公式(5)代入公式(1)，得到后向散射系数廓线β(r)：
将公式(5)除以公式(6)，得到激光雷达比廓线R(r)：
系统工作总流程如下：
1、对于第一激光雷达1-1，工作流程如下：
(1)由第一发射系统1-1-1向大气发射激光脉冲；
(2)由激光脉冲与大气相互作用产生后向散射回波光；
(3)大气后向散射回波光经过一定时间后进入第一回波接收系统1-1-2；
(4)由回第一回波接收系统1-1-2收集的回波光进入第一探测采集处理系统1-1-3；
2、对于第二激光雷达1-2，工流程与第一激光雷达1-1相同。
3、第一激光雷达1-1和第二激光雷达1-2探测到的数据送入数据处理及反演处理模块2后可以反演得到消光系数廓线、激光雷达比廓线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：包括双视线激光雷达(1)和反演处理模块(2)；其中，双视线激光雷达(1)包括第一激光雷达(1-1)和第二激光雷达(1-2)；第一激光雷达(1-1)包括第一发射系统(1-1-1)、第一回波接收系统(1-1-2)和第一探测采集处理系统(1-1-3)；第二激光雷达(1-2)包括第二发射系统(1-2-1)、第二回波接收系统(1-2-2)和第二探测采集处理系统(1-2-3)；
第一发射系统(1-1-1)：垂直于地面向地面发射第一激光脉冲；经大气散射后产生第一后向散射回波光，第一后向散射回波光返回至第一回波接收系统(1-1-2)；
第二发射系统(1-2-1)：与第一发射系统(1-1-1)夹角θ，同一时刻，沿夹角θ方向向地面发射第二激光脉冲；经大气散射后产生第二后向散射回波光，第二后向散射回波光返回至第二回波接收系统(1-2-2)；
第一回波接收系统(1-1-2)：接收返回的第一后向散射回波光，对第一后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第一后向散射回波光，将滤波后的第一后向散射回波光聚焦到第一探测采集处理系统(1-1-3)；
第二回波接收系统(1-2-2)：接收返回的第二后向散射回波光，对第二后向散射回波光进行光谱滤波处理，生成滤波后的第二后向散射回波光，将滤波后的第二后向散射回波光聚焦到第二探测采集处理系统(1-2-3)；
第一探测采集处理系统(1-1-3)：接收滤波后的第一后向散射回波光，依次对滤波后的第一后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，生成校正信号SA，将校正信号SA发送至反演处理模块(2)；
第二探测采集处理系统(1-2-3)：接收滤波后的第二后向散射回波光，依次对滤波后的第二后向散射回波光进行光电转换、数据校正处理，生成校正信号SB，将校正信号SB发送至反演处理模块(2)；
反演处理模块(2)：接收第一探测采集处理系统(1-1-3)传来的校正信号SA；接收第二探测采集处理系统(1-2-3)传来的校正信号SB；进行反演计算，得到大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)。
2.根据权利要求1所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：所述第一发射系统(1-1-1)垂直与地面发射角度的角度偏差范围为-5°～+5°；第二发射系统(1-2-1)与第一发射系统(1-1-1)夹角θ为25°～65°。
3.根据权利要求1所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：所述数据校正处理包括非线性校正处理、背景光扣除处理和距离平方校正处理。
4.根据权利要求3所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：所述校正信号SA的计算法方法为：
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式中，r为第一发射系统(1-1-1)的垂直探测距离；
CA为第一激光雷达(1-1)系统常数；
β为后向散射系数；
α为消光系数。
5.根据权利要求4所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：所述校正信号SB的计算法方法为：
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式中，r′为第二发射系统(1-2-1)的倾斜探测距离；
CB为第二激光雷达(1-2)系统常数。
6.根据权利要求5所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：反演计算大气消光系数廓线α(r)、后向散射系数廓线β(r)和激光雷达比廓线R(r)的方法为：
将第二激光雷达(1-2)信号转换为垂直地面方向信号：
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对公示(4)两端求导，得到大气消光系数廓线α(r)：
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</mrow>
</mrow>
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<mi>C</mi>
<mi>A</mi>
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<mi>exp</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>2</mn>
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<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<mi>r</mi>
</munderover>
<mi>&alpha;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>r</mi>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将公式(5)除以公式(6)，得到激光雷达比廓线R(r)：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>r</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mrow>
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<mi>r</mi>
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<mi>r</mi>
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</mrow>
</mrow>
</mfrac>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
7.根据权利要求5所述的一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，其特征在于：所述第一激光脉冲和第二激光脉冲的波长相同。
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