CN108303706B - 一种气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统，该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。本发明利用FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，提高气溶胶光学参数探测的精确度。
Description
技术领域
本发明属于大气科学领域，具体涉及一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统。
背景技术
广义来说，大气气溶胶一般来说是指半径范围为10-3~102um的悬浮在大气中的固态和液态微粒，如植物、土壤尘埃、烟雾、海浪和氟化物等。大气气溶胶对光传输、环境以及气候等有着严重的影响。例如，它可以通过吸收和散射太阳光影响地表温度；其次，气溶胶在晕的形成过程中扮演凝结核的角色，可以通过影响云的光学特性、云量以及云的寿命进而影响降水；再次，煤炭燃烧以及工业废气排放产生的气溶胶会引起酸雨而导致环境恶化。因此，对气溶胶的准确探测具有着重要的科学和现实意义。
激光雷达作为一种重要的遥感手段，是通过分析远距离目标与激光束之间相互作用的回波信号来获取目标性质的一种光学设备。由于其探测距离远，探测精度高等优点，激光雷达在探测气溶胶领域已成为一种不可或缺的设备。但是传统的激光雷达在探测气溶胶光学参数时由于受到大气分子瑞利散射信号的干扰，必须借助雷达系数这一假设才能反演气溶胶光学参数，因此，其探测准确度受限。相比于传统的激光雷达，高光谱激光雷达在气溶胶探测精度上具有明显优势，比如碘分子高光谱激光雷达对气溶胶有着很高的探测精度，但是这种高光谱激光雷达存在一些弊端，这种高光谱激光雷达使用的是单纵模激光器和高分辨光谱器件，系统复杂、价格昂贵。振动拉曼激光雷达也可以较为准确的反演气溶胶光学参数，但其受太阳背景光影响大，白天很难工作。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种成本低、结构简单的高光谱激光雷达。
为了达到上述目的，本发明通过使用传统的非种子注入Nd：YAG激光器外加一个法布里-珀罗干涉仪（FP标准具）实现高光谱激光雷达对气溶胶的探测。
本发明提供了一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法，该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。
进一步的，上述气溶胶光学参数的计算方法如下：
（1）所述大气的后散射光信号分为两路：一路直接进入光电探测器进行光子信号接收，为M通道；另一路经FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离后，瑞利散射信号进入光电探测器进行光子信号接收，为F通道；分别统计两路通道接收到的光子数；
（2）由公式7、8表达两路通道接收到的光子数：
式中，、/>分别为M和F通道接收到的光子数；/>、/>为两路的分光比；/>、/>为两路的系统常数，包括激光能量、光学效率和探测器的量子效率；/>代表激光雷达的距离因子；/>为距离分辨率；/>为距离分辨率；/>和/>分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数；分别是气溶胶和大气分子的消光系数；/>和/>分别为气溶胶和大气分子散射信号通过FP标准具的透过率；
（3）根据公式9以及M和F通道接收到的光子数比值，计算大气后向散射比Rb：
式中，K为校准常数；
（3）根据公式10以及大气后向散射比Rb、大气分子的后向散射系数βm，计算气溶胶的后向散射系数：
。
本发明还提供了一种高光谱激光雷达探测系统，包括激光器、扩束镜、FP标准具、第一分束镜、第一分束镜、第一波片、望远镜、45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二/>波片、半透镜、FP标准具、第二分束镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、信号采集模块、主控系统；所述激光器发射出激光依次经扩束镜、FP标准具、、第一分束镜、第一/>波片后垂直进入大气；所述望远镜接收大气后向散射信号后，再依次经45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二/>波片到达半透镜，由半透镜将信号分为两路，一路为半透镜反射信号直接经第一汇聚透镜进入第一光电探测器，另一路为半透镜透过信号依次经所述FP标准具、第二分束镜和第二汇聚透镜后进入第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器分别通过信号采集模块与主控系统相连。
优选的，激光器采用YAG激光器。
优选的，望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
优选的，光电探测器采用H10682-110型号的光电倍增管。
优选的，信号采集模块采用P7882型号的光子计数卡。
优选的，FP标准具的自由光谱范围为2GHz。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明利用FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，提高气溶胶光学参数探测的精确度；
本发明使用传统的非种子注入Nd：YAG激光器外加一个FP标准具实现高光谱激光雷达对气溶胶的探测，这种高光谱激光雷达相比于碘分子高光谱激光雷达具有系统结构简单、价格便宜的优点。
附图说明
图1为本发明高光谱激光雷达探测系统的结构示意图；
图2为FP标准具透射光谱图；
图3为宽频激光通过FP标准具后的传输光谱图；
图4为不同入射角时FP标准具的透射光谱图；
图5为FP标准具的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明用于气溶胶光学参数探测的高光谱激光雷达探测系统，主要包括激光雷达发射系统、激光雷达接收系统以及主控系统；其中，激光雷达发射系统包括激光器1、扩束镜2、FP标准具4、第一分束镜13、波片6；激光雷达接收系统包括望远镜7、45°全反镜8、小孔9、准直镜10、滤光片11、/>波片12、半透镜5、FP标准具4、第二分束镜3、第一汇聚透镜14、第二汇聚透镜16、第一光电探测器15、第二光电探测器17、信号采集模块、主控系统（未画出）；第一光电探测器15、第二光电探测器17和信号采集模块连接，信号采集模块和主控系统连接；发射和接收系统共用一个FP标准具4，确保接收时的透过光谱和发出激光的光谱完全一致。整个高光谱激光雷达的工作原理是激光器1发射的激光信号依次经过扩束镜2（扩大光束同时减小激光的发散角）、FP标准具4（调制入射激光的频率，使发射出去的激光在频率上是几个独立的窄带宽谱线）、第一分束镜13（分离水平和垂直偏振的激光）、/>波片6（将入射激光的相位改变45°）后垂直进入大气，望远镜7垂直接收大气分子及气溶胶的后向散射信号，后向散射信号再依次进过45°全反镜8（将垂直激光反射至水平方向）、小孔9（限制视场角的大小以及减小噪声、提高系统的信噪比）、准直镜10（将汇聚的激光变成平行传输的光）、滤光片11（滤除532nm波长至外其它波段的信号、提高系统的信噪比）、/>波片12到达半透镜5，半透镜5将回来的信号分成两路，其中一路被半透镜反射经过第一汇聚透镜14直接进入第一光电探测器15，作为能量检测通道（M通道）；半透镜透过的一路信号依次经过FP标准具4、第二分束镜3和第二汇聚透镜16进入第二光电探测器17，这路信号用来检测大气分子的瑞利散射回波信号（F通道）；其中FP标准具将气溶胶米散射信号过滤掉而只通过大气分子的瑞利散射信号，光电探测器将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块将采集到的电信号传输至主控系统（可采用计算机）。
本发明中FP标准具是一极其重要的元件，现将其使用做以下介绍：
在本发明中，FP标准具涉及到的的参数主要有自由光谱范围以及精细度。定义条纹的精细度为条纹间距与条纹半宽之比，用S表示，R表示标准具的反射率，则：
其中条纹间距为δ=2π，为相位差半值宽度，表示为
。
定义自由光谱范围表示不同级次谱线间不发生重叠的光谱范围。则法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围（FSR）可用公式（2）求解：
设波长分别为λ1和λ2（λ1<λ2）的两种光谱成分以相同的方式经标准具形成一组锐细的同心圆环状干涉条纹。对于同一干涉级次，λ1的亮环直径较λ2的略大些。当满足jλ1=（j-1）λ2时，λ1的第j级亮环与λ2的第j-1级亮环重叠，于是得：
其中i是入射角，n是法布里-珀罗干涉仪的折射率，h是法布里-珀罗干涉仪的厚度。
一般情况下，角度i很小，可认为cosi≈1。当λ1和λ2接近时，可取λ2λ1≈λ2。故而标准具的自由光谱范围为：
大气辐射理论中，大气气溶胶的光谱宽度是由于大气气溶胶粒子的布朗运动造成的多普勒展宽，而大气分子散射光谱是由于大气分子的热运动造成的多普勒展宽，相比而言，大气分子瑞利散射光谱要比大气气溶胶米散射光谱宽很多；当温度为280K，532nm的瑞利散射光谱宽度约为1.25GHz，气溶胶的光谱宽度约为70MHz。为了能将整个瑞利散射光谱包含在FP标准具透射光谱内，本发明中选定FP具的自由光谱范围为2GHz。
FP标准具的光谱透射方程可以用公式（4）来近似表达：
其中μ是FP标准具的折射率，d0是标准具两板之间的间距，v0是入射光频率，θ0是入射角，A是标准具的总衰减，R是反射率，c是光速。
根据公式（4）可以画出FP标准具的透射光谱图如图2所示。其中衰减常数A的数值设定为0，反射率R的数值设定为0.80，折射率μ的数值设定为1.5，标准具两板之间的间距d0的数值设定为0.025，入射角设定为0.001，常数n取200。
在本发明中，FP标准具的工作原理如以下介绍：
图3(a)中，宽谱信号是激光器产生的信号，窄谱信号是FP标准具的透过光谱信号，当激光器产生的宽谱信号通过FP标准具后，其在频率上被调制成梳状，如图3(b)所示；然后经波片进入大气。由于激光垂直发射，在垂直方向上的多普勒效应很小，其对光谱的影响可以忽略，则气溶胶散射回来的光是频率没有加宽的光信号，而分子散射回来的信号其光谱会加宽，其光谱宽度可以达到气溶胶光谱宽度的106倍。FP标准具的透射光谱分布和入射角有直接关系，当入射角改变时其透射光谱的位置会发生平移并且其透过光强度也会发生改变，如图4所示虚线光谱是入射角为0.005°时FP标准具的透射光谱图，实线光谱是入射角为0.001°时FP标准具的透射光谱图。
由于大气分子瑞利散射信号光谱宽度大约为2GHz，而气溶胶米散射信号光谱等同于发射光谱宽度，如图5所示，当透过FP标准具光信号的入射角改变（通过调节45°反射镜实现）导致其透射光谱位置发生改变时，大气分子瑞利散射信号大部分还是会通过FP标准具继续向后传输，气溶胶米散射信号则会被抑制而无法透过FP标准具。图5中，实线光谱是入射角为0.001°时FP标准具的透射光谱图，虚线光谱是入射角为0.005°时FP标准具的透射光谱图，带“*”号标志的光谱为大气分子和气溶胶后向散射光谱（其中圈出部分表示当透过FP标准具光信号的入射角改变后仍能透过FP标准具的大气分子瑞利散射信号）。在本发明中利用FP标准具的这种性质将大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号分开，然后来计算气溶胶后向散射系数等光学参数。
作为本发明的一种优选方案，所述激光器采用YAG激光器。
作为本发明的一种优选方案，所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
作为本发明的一种优选方案，所述光电探测器为H10682-110型号的光电倍增管。
作为本发明的一种优选方案，所述信号采集模块采用P7882型号的光子计数卡。
本发明高光谱激光雷达探测系统具体工作过程如下：
步骤一：YAG固体激光器1产生激光，激光进入扩束镜2；
步骤二：经扩束镜2扩束及减小了发散角的激光进入FP标准具4，使用FP标准具4调制入射激光的频率，使发射出去的激光在频率上是几个独立的窄带宽谱线；
步骤三：入射激光通过第一分束镜13后，再通过波片6同时入射激光的相位角产生45°变化，然后垂直发射向大气中；
步骤四：望远镜7接收大气分子和气溶胶的后向散射回来的光信号，经45°全反镜8将垂直方向传输的光信号改变成水平传输方向，然后通过放置在望远镜焦平面上的小孔9；
步骤五：通过小孔9的光信号经准直镜10变成平行光，然后透过滤光片11过滤掉除532nm波长之外的其他波段的光信号；
步骤六：光信号通过第二个波片12同时相位角改变45°，然后到达半透镜5；
步骤七：半透镜5将水平传输的光信号分成两路，一路被反射经第一汇聚透镜14直接进入第一光电探测器15，通过光电倍增管将接收到的光子信号转化成电信号并输送至信号采集模块，作为能量检测通道（M通道）；另一路透过半透镜5到达FP标准具4，这路信号用来检测大气分子的瑞利散射回波信号（F通道）；
步骤八：通过改变入射至FP标准具4入射光的入射角，将大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号分开；
步骤九：瑞利散射信号通过第二分束镜16进入第二光电探测器17，通过光电倍增管将接收到的光子信号转化成电信号并输送至信号采集模块；
步骤十：计算机（即主控系统）接收到所采集的数据，最后进行数据分析。
其中步骤十的数据分析过程采用反演法，具体过程如下：
M通道和F通道的接收信号可以分别用公式（7）、（8）表示：
其中，、/>分别为M和F通道接收到的光子数；/>、/>为两路的分光比；/>、/>为两路的系统常数，包括激光能量、光学效率和探测器的量子效率；/>代表激光雷达的距离因子；/>为距离分辨率；/>为距离分辨率；/>和/>（/>）分别是气溶胶和大气分子的后向散射（消光）系数；/>和/>分别为气溶胶和大气分子散射信号通过FP标准具的透过率。
当改变信号的入射角时，FP标准具的透射光谱发生改变，由于气溶胶米散射信号光谱信号很窄，所以气溶胶米散射信号被抑制而无法通过FP标准具，所以，通过M通道和F通道的比值，可以获得大气后向散射比Rb：
其中，K为校准常数。由于激光雷达垂直测量，大气垂直风速很小（一般小于1ms-1），其造成的多普勒频移很小，所以可由理论计算获得，从而/>可以得到。大气分子的后向散射系数/>可以通过标准大气模型和附近的探空资料求得，所以气溶胶的后向散射系数可用公式（10）求得：
。
Claims (4)
1.一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法，其特征在于：该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数；所述气溶胶光学参数的计算方法如下：
(1)所述大气的后散射光信号分为两路：一路直接进入光电探测器进行光子信号接收，为M通道；另一路经FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离后，瑞利散射信号进入光电探测器进行光子信号接收，为F通道；分别统计两路通道接收到的光子数；
(2)由公式7、8表达两路通道接收到的光子数：
式中，NM、NF分别为M和F通道接收到的光子数；b1、b2为两路的分光比；C1、C2为两路的系统常数，包括激光能量、光学效率和探测器的量子效率；G(r)代表激光雷达的距离因子；Δr为距离分辨率；r为距离分辨率；βa和βm分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数；αa和αm分别是气溶胶和大气分子的消光系数；fa和fm分别为气溶胶和大气分子散射信号通过FP标准具的透过率；
(3)根据公式9以及M和F通道接收到的光子数比值，计算大气后向散射比Rb：
式中，K为校准常数；
(3)根据公式10以及大气后向散射比Rb、大气分子的后向散射系数βm，计算气溶胶的后向散射系数βa：
βa＝(Rb-1)βm (10)。
2.一种采用权利要求1所述气溶胶光学参数探测方法的高光谱激光雷达探测系统，其特征在于：包括激光器、扩束镜、FP标准具、第一分束镜、第一分束镜、第一波片、望远镜、45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二/>波片、半透镜、FP标准具、第二分束镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、信号采集模块、主控系统；所述激光器发射出激光依次经扩束镜、FP标准具、第一分束镜、第一/>波片后垂直进入大气；所述望远镜接收大气后向散射信号后，再依次经45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二/>波片到达半透镜，由半透镜将信号分为两路，一路为半透镜反射信号直接经第一汇聚透镜进入第一光电探测器，另一路为半透镜透过信号依次经所述FP标准具、第二分束镜和第二汇聚透镜后进入第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器分别通过信号采集模块与主控系统相连。
3.根据权利要求2所述的高光谱激光雷达探测系统，其特征在于：所述激光器采用YAG激光器；所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm；所述光电探测器采用H10682-110型号的光电倍增管；所述信号采集模块采用P7882型号的光子计数卡。
4.根据权利要求2所述的高光谱激光雷达探测系统，其特征在于：所述FP标准具的自由光谱范围为2GHz。
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