CN108828624A - 一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度与高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，用于解决瑞利激光雷达回波信号高灵敏度与高线性度接收难以兼顾的问题。首先，为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，采用极高灵敏度的光电倍增管探测器；其次，为了保障大气瑞利回波信号的线性接收，发明了一种将大气气溶胶光学厚度历史观测数据统计特征与其实测值相结合的方法，用于抑制大气瑞利回波信号的动态范围；最后，利用一套瑞利回波光强自适应调整装置，调整由于实际大气气溶胶光学厚度变化，引起的大气瑞利回波信号动态范围变化。本发明兼顾了大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收，可以有效提高瑞利激光雷达的常规观测能力。

Description

一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方 法和装置

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，用于大气环境探测的激光雷达技术领域，尤其针对用于中高层大气探测的瑞利激光雷达。

背景技术

瑞利激光雷达信号探测的灵敏度，指的是瑞利激光雷达对接收的大气瑞利回波信号的响应效率，它直接影响瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号探测的信噪比；瑞利激光雷达信号探测的线性度，指的是瑞利激光雷达对接收的大气瑞利回波信号的线性响应范围，它直接影响瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号探测的保真程度。

瑞利激光雷达主要用于30km以上高度的大气温度、分子密度和大气波动的测量，是为数不多的几种可用于中高层大气观测的设备之一，其测量数据在环境、气象等领域均有重要的应用。瑞利激光雷达的测量原理为，认为30km以上的大气气溶胶忽略不计，则30km以上高度的大气弹性散射回波信号主要是大气分子瑞利散射，利用大气分子瑞利散射回波信号，可以反演获得中高层大气相关参数。

由于中高层大气分子密度非常稀薄，因此大气瑞利回波信号非常微弱，信噪比是制约瑞利激光雷达应用的关键因素。为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，优选技术方案是采用极高灵敏度的光子计数探测器，但是，高灵敏度探测器的线性响应范围相对偏小，由此带来了大气瑞利回波信号探测灵敏度和线性度难以兼顾的问题。

常用的瑞利激光雷达大气瑞利回波信号动态范围抑制方法，包括探测器增益调整法和门控调整法两种。例如，申请公布号CN 106772437A，自适应动态范围的激光雷达装置，报道了增益调整法，通过降低探测器的增益，牺牲信号的信噪比，实现信号的线性接收。该方法存在的缺点和不足是，低增益状态会直接影响信号的信噪比，并且观测过程中频繁的改变了探测器增益，影响了原始信号质量，不利于数据的反演。例如，专利申请公布号CN103852753 A，激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，报道了探测器门控调整法，通过使用机械斩光装置，压缩探测器的开门区间，抑制信号的动态范围。该方法的缺点和不足在于，牺牲了的瑞利激光雷达有效探测区间，通常无法测量30km～45km高度范围内的大气瑞利回波信号探测。

综上所述，现有的大气瑞利回波信号动态范围抑制方法，很难兼顾信号的线性度和灵敏度，制约了瑞利激光雷达的使用。如何解决这些问题，势必成为科研人员努力的方向。

发明内容

本发明拟解决的问题：克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，有效提高瑞利激光雷达的常规观测能力。

本发明的原理：观测数据表明，中高层大气分子浓度通常相对稳定，不是影响大气瑞利回波信号动态范围的主要因素。另外，由于激光雷达所用的532nm波长不在大气水汽的吸收带上，大气水汽的吸收作用同样不是主要因素。然而，在激发光和回波光沿大气垂直方向传输的过程中，易于受到近地表大气气溶胶浓度变化的影响，使得大气瑞利回波信号出现较大范围的波动。因此，应当从影响大气瑞利回波信号动态范围的主要因素出发，寻找解决问题的便捷方案。本发明的具体思路为，将大气气溶胶光学厚度历史数据统计特征同实测数据相结合，利用统计特征高频值出现的大气气溶胶光学厚度状态，优化设计瑞利探测通道的增益，同时采取相应的技术措施保障探测器的线性度。

本发明的目的，通过下述技术方案实现：

利用大气气溶胶光学厚度卫星遥感数据，统计其高频值分布；为了提高大气瑞利回波信号信噪比，采用极高灵敏度探测器；瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道，用于实测大气气溶胶光学厚度。将大气气溶胶光学厚度实测值与历史数据统计高频值相比较，利用统计高频值出现的大气光学厚度状态，在满足信号线性接收的前提下，将大气瑞利回波信号探测器设置为1000V～1200V的高增益状态。进一步的，为了调整由于大气光学厚度状态变化引起的大气瑞利回波信号动态范围变化，瑞利探测通道增设回波光强自适应调整装置，利用大气气溶胶光学厚度实测值与统计高频值相对变化引起的大气透过率变化，作为反馈信息，实现大气瑞利回波信号光强的自适应调整。上述方法实现了大气瑞利回波信号接收的高增益和高线性兼顾的目的，同时，还可以提高常规观测过程中有效观测数据的比例，降低设备的人为干扰因素。

作为一种优选的技术方案：在大气气溶胶光学厚度实测值同统计高频值一致时，进行大气瑞利回波信号的增益调试，通过该方法，可以使瑞利探测通道的设置符合大多数大气气溶胶光学厚度状态，因此可以有效抑制由于大气气溶胶光学厚度变化对信号动态范围的影响。

作为一种优选的技术方案：气溶胶探测通道用于10km以下高度大气气溶胶探测。通常3km以下的大气气溶胶光学厚度，占到了整层气溶胶光学厚度的80％左右，故在本发明的应用场景下，测量10km以下高度范围内的大气气溶胶，精度上足以反应整层大气气溶胶光学厚度变化。

作为一种优选的技术方案：相对于常规的低空探测激光雷达，用于中高空探测的瑞利激光雷达硬件配置相对较高，因此，在本发明已经应用的一例实例中(激光单脉冲能量500mJ，接收望远镜直径400mm)，气溶胶探测通道按照4％的比例，从总回波能量中分一部分光，可以满足10km以下高度大气气溶胶的探测，同时少量的分光不影响瑞利接收通道的信噪比。具体应用场景的分光比例，需要结合瑞利激光雷达的具体配置设计调整。

作为一种优选的技术方案：瑞利回波光强自适应调整装置使用单片机驱动固定盘的调整，使用霍尔磁传感器实现固定盘精确定位，自适应调整装置使用线性电源，确保装置对光电转换过程不形成干扰。

作为一种优选的技术方案：利用大气气溶胶光学厚度历史数据统计分布特征，设计瑞利回波光强自适应调整装置各档位的衰减强度。由于气溶胶空间分布具有地区性差异，具体问题需具体对待，在具体实施方案中，将以一例实例作说明。

作为一种优选的技术方案：为了提高有效观测数据的比例，当气溶胶探测通道实测大气气溶胶光学厚度大于0.7时，自动暂停激光雷达的观测；同样，当观测地点上空有云层存在时，自动暂停激光雷达的测量。通过以上措施，可以有效避免无效测量，增加激光雷达的使用寿命。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明提出了一种结合大气气溶胶光学厚度实时观测数据和历史数据统计特征，抑制大气瑞利回波信号动态范围的方法。相对于专利申请公布号CN 103852753 A，一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，提出的探测器门控调整法，本发明方法在不影响大气瑞利回波信号有效探测范围的基础上，可以实现大气瑞利回波信号接收的高灵敏度和高线性度兼顾的目的。

(2)本发明方法可以有效抑制大气瑞利回波信号动态范围，因此，瑞利激光雷达瑞利探测通道可以使用阳极灵敏度极高的探测器，在瑞利激光雷达其他硬件配置相同的条件下，提高了大气瑞利回波信号信噪比。相对于专利申请公布号CN 106772437 A，一种自适应控制动态范围的激光雷达装置，提出的探测器增益调整法，使用本发明方法的瑞利激光雷达在测量过程中，瑞利探测器增益保持不变，并且信号的灵敏度得到了保障，提高了原始数据的质量。

(3)本发明为瑞利激光雷达增设了气溶胶探测通道，该通道具备实时获取大气气溶胶光学厚度和云层信息的能力，根据大气光学厚度的实际情况，由总控软件判断瑞利激光雷达是否发射激光脉冲进行测量，大大提高了大气瑞利回波信号有效观测数据的比例，以及瑞利激光雷达激光光源的有效寿命。

需要注意的是，当实际大气气溶胶光学厚度略高于统计高频值时(例如，实测值较统计高频值高0.1～0.2)，若不考虑大气瑞利回波信号探测器灵敏度因素，则理论上本发明将造成一定的信噪比损失；然而，本发明方法实现了对大气瑞利回波信号动态范围的有效抑制，故可以使用极高灵敏度、高增益探测器。已经开展的试验结果表明，上述大气光学厚度状态下，本发明对大气瑞利回波信号信噪比的影响，可以忽略不计。当实测大气气溶胶光学厚度远高于统计高频值时，本方法将对大气瑞利回波信号信噪比产生一定损失；然而，通过分析大气气溶胶光学厚度历史统计数据，这种大气光学厚度状态出现的频率通常低于10％(见具体实施过程的实例)，并且这种大气光学厚度状态往往导致大气瑞利回波信号的有效探测高度，无法满足数据反演算法要求，因此这种情况获得的大气瑞利回波信号基本属于无效观测，故上述大气光学厚度状态对大气瑞利回波信号有效观测数据的获取，影响并不大。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图，图中标示：101-接收望远镜；102-光阑；103-准直透镜；104-分光片；105气溶胶探测通道；106-瑞利回波光强自适应调整装置；107-瑞利探测通道；108-总控软件；

图2为一例典型的大气气溶胶光学厚度统计直方图；

图3为瑞利回波光强自适应调整装置示意框图，图中标示：301-步进电机；302-光学衰减片固定盘；303-空挡；304-90％透过光学衰减片；305-80％透过光学衰减片；306-70％透过光学衰减片；307-50％透过光学衰减片；308-10％透过光学衰减片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

首先说明本方法及装置的基本构成框图，以及本发明方法和装置在瑞利激光雷达中的位置和连接关系。如图1所示，大气回波信号(包括大气分子瑞利回波信号和大气气溶胶回波信号)首先被激光雷达接收望远镜101接收；之后经光阑102和准直透镜103变为平行光后；再经分光片104，分为气溶胶探测通道105和瑞利探测通道107，其中，气溶胶探测通道用于获得近地表至10km高度范围内大气气溶胶回波信号，瑞利通道用于探测30km以上高度的大气分子瑞利回波信号；瑞利探测通道探测器前的光路上，设置有大气瑞利回波光强自适应调整装置106，装置的总控软件108内置于瑞利激光雷达总体转件中，用于实现大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收。

本发明的方法具体实现如下：

(1)使用公开发布的CALIPSO星载激光雷达L2观测数据，基于其10年以上的观测数据，统计观测点上空近地表至10km以下高度大气气溶胶光学厚度，并分析大气气溶胶光学厚度的统计高频值。图2作为一例实例，列举了合肥地区2008～2017年10年间的历史观测数据，获取的近地表至10km以下高度大气气溶胶光学厚度频率分布直方图。分析图2可知，约80％的大气气溶胶光学厚度值分布在0.2～0.5之间，约64％的数据0.25～0.35之间，其中大气气溶胶光学厚度为0.35出现的频率最大。

(2)为瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道。列举一例激光单脉冲发射能量达到500mJ，接收望远镜口径达到400mm的瑞利激光雷达，接收光路上设置分光片，按照96％透射、4％反射的比例，将回波光信号分为低层气溶胶探测通道和瑞利探测通道。瑞利探测通道选择阳极灵敏度达到典型值要求达到700A/lm以上的光电倍增管探测器，探测器设有电子门控装置，在30km高度大气回波光信号达到时，探测器开门进入工作状态。

(3)利用大气光学厚度统计高频值出现的状态，调试瑞利探测激光雷达瑞利探测通道探测器的增益。以图2数据分析结果为例，当瑞利激光雷达气溶胶探测通道实测大气气溶胶光学厚度为0.35时，开展瑞利激光雷达瑞利探测通道的增益调试工作。在满足大气瑞利回波信号线性接收的条件下，将瑞利探测通道探测器的增益电压设置在1000V～1200V之间，并在常规观测过程中将探测器增益电压固定。

(4)为实现瑞利探测通道增设的瑞利回波光强自适应调整装置。仍然以图2数据案例为例，描述其设计和实施方式。在选定的大气气溶胶光学厚度特征值的基础上，结合大气气溶胶光学厚度的实测值，计算由于大气气溶胶光学厚度变化引起的大气气溶胶透过率变化，进一步得到大气气溶胶透过率变化引起的大气瑞利回波信号相对变化，结合试验调试，将瑞利回波光强自适应调整装置设置透过率分别为90％、80％、70％的(304、305、306)四挡光学衰减片，基本可以满足观测使用的要求；另设50％、10％的(307、308)两档，用于极端情况下测试及保护瑞利探测通道探测器使用，以及一个不装衰减片的空挡303。如图3所示，光学衰减片固定于开有固定圆孔的光学衰减片固定盘302上，由步进电机301驱动，根据总控软件的指令运行。

瑞利回波光强自适应调整装置具体工作流程是，当10km以下大气气溶胶光学厚度大于或等于0.35时，使用空挡全透过瑞利回波光信号，确保信号的线性度和信噪比。当大气气溶胶光学厚度小于0.35时，分析大气瑞利回波光强的相对变化，并将其作为反馈信息，用于控制瑞利回波光强自适应调整装置，通过在瑞利探测通道光路上增加相应强度的光学衰减片，抑制强回波信号可能引起的探测器非线性效应。

(5)判断待测大气状态是否符合瑞利激光雷达的观测要求，提高有效观测数据比例。利用瑞利激光雷达气溶胶探测通道实测的回波信号，当观测点上空出现云层时，将引起气溶胶探测通道回波信号的突变，通过对气溶胶探测通道回波信号进行微分处理，可以获取观测地点上空有无云层及云层高度信息。由于云层的出现将会极大的影响高空大气瑞利回波信号的有效探测高度，因此瑞利激光雷达总控软件将暂停系统的观测工作。

除了测点上空的云层之外，近地表大气雾霾现象，也将极大的影响大气瑞利回波信号的有效探测高度。总控软件利用气溶胶探测通道获取的大气气溶胶光学厚度，当实测大气气溶胶光学厚度大于0.7时，同样将暂停瑞利激光雷达的观测。通过以上措施，可以有效避免瑞利激光雷达的无效测量，提高有效观测数据的比例，增加瑞利激光雷达激光发射光源的使用寿命。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用大气气溶胶光学厚度历史观测数据，分析大气气溶胶光学厚度统计特征，得到大气气溶胶光学厚度的统计高频值；

步骤2：将瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道，用于实测大气气溶胶光学厚度，得到大气气溶胶光学厚度实测值，以及观测点上空有无云层及云层高度信息；

步骤3：将大气气溶胶光学厚度实测值与其统计高频值相比较，利用统计高频值出现的大气光学厚度状态，在满足大气瑞利回波信号线性接收的前提下，使瑞利激光雷达中的瑞利信号探测器增益控制电压设置为1000V～1200V的高增益状态，用以提高大气瑞利回波信号信噪比；

步骤4：为了调整由于大气光学厚度状态变化引起的大气瑞利回波信号动态范围变化，瑞利激光雷达中的瑞利探测通道增设瑞利回波光强自适应调整装置，利用大气气溶胶光学厚度实测值与统计高频值之间的变化，作为反馈信息，实现大气瑞利回波信号光强的自适应调整，从而实现大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：在步骤4后，为了提高瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号有效观测数据的比例，瑞利激光雷达总控软件利用气溶胶探测通道测量的大气回波信号，结合云层判断算法和气溶胶光学厚度判断算法，判断实际大气是否有云层，以及大气气溶胶光学厚度是否大于0.7，若符合，则暂停瑞利激光雷达的观测，达到提高瑞利激光雷达激光光源使用寿命的目的。

3.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述瑞利激光雷达采用532nm探测波长。

4.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，所述瑞利信号探测器采用极高灵敏度探测器，所述极高灵敏度探测器为高灵敏度光子计数模式光电倍增管，其阳极灵敏度典型值要求达到700A/lm；所述光电倍增管带有电子门控装置，在30km高度大气瑞利回波信号到达激光雷达接收望远镜时开门工作。

5.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述步骤1中，大气气溶胶光学厚度历史观测数据使用国际上公开发布的CALIPSO星载激光雷达L2观测数据，基于其10年以上的观测数据，统计观测点上空近地表至10km以下高度大气气溶胶光学厚度，得到大气气溶胶光学厚度的高频值分布。

6.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述步骤2中，气溶胶探测通道采用透反比为96/4的分光片，将接收光路分为瑞利探测通道和气溶胶探测通道，其中，瑞利探测通道用于30km高度以上的大气探测，气溶胶探测通道用于地表至10km高度的大气探测；气溶胶探测通道接收总强度4％的回波信号，使用工作于模拟方式的光电倍增管，使气溶胶探测通道具备近地表至10km高度范围内的大气气溶胶探测能力，与选择的CALIPSO星载激光雷达L2观测数据的覆盖高度相符合。

7.根据权利要求1或2要求的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述步骤3中，瑞利探测通道探测器增益调试的过程为：利用气溶胶探测通道实测的大气气溶胶光学厚度，当大气气溶胶光学厚度实测值符合统计高频值时，在满足信号线性接收的前提下，调试瑞利探测通道探测器的增益，完成后将探测器增益固定。

8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述瑞利回波光强自适应调整装置包括：单片机控制的步进电机，以及步进电机驱动的光学衰减片固定圆盘，圆盘固定有5片不同强度的光学衰减片，以及一个空挡；当气溶胶探测通道实测的大气气溶胶光学厚度小于统计高频值时，利用大气透过率计算公式，计算瑞利回波光强的相对变化，根据计算结果增加相应强度的光学衰减片抑制大气瑞利回波信号强度，避免高增益状态下的瑞利探测器进入非线性状态；当实测的大气气溶胶光学厚度大于或等于统计高频值时，通过空挡全透过大气瑞利回波信号。

9.根据权利要求1或8所述的种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述光学衰减片的波长为532nm，用于对强大气瑞利回波光信号的抑制。

10.根据权利要求8所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述的光学衰减片使用5片不同强度的532nm波长光学衰减片，实现5个衰减档位；光学衰减片固定于开有安装位的圆形固定盘上，由步进电机驱动，单片机接收上位机发来的调整信号，控制光学衰减片的调整。

11.一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收装置，其特征在于：包括分光片、气溶胶探测通道、单片机控制的步进电机、步进电机驱动的光学衰减片固定圆盘，以及总控软件控制算法；通过分光片，将瑞利激光雷达分为瑞利和气溶胶两个探测通道，其中，气溶胶探测通道用于测量近地表至10km高度范围内的大气气溶胶光学厚度；将本发明提出的方法以一套总控软件控制算法的形式实现，通过总控软件为单片机下发指令驱动步进电机，为瑞利探测通道信号配置相应的透光档位，实现大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收。