CN109100708A - 一种双波长测水汽激光雷达标定装置和标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双波长测水汽激光雷达标定装置和标定方法，该装置包括：两台分时交替向大气中发射激光脉冲的激光器，分时接收两个激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号的卡塞格林望远镜，对卡塞格林望远镜接收的回波信号经过准直的准直目镜，对经过准直的回波信号进行分开、滤光和会聚的后继光路，对从后继光路出来的回波信号进行探测的光电倍增管，对光电倍增管输出的电信号量化、采集的数据采集器。与对比法和标准灯法相比，本方法能更真实、准确地对水汽拉曼激光雷达进行标定，理论标定误差小于6％；本方法可以在水汽混合比的测量间隙快速完成水汽Raman激光雷达的自标定，适合变化。

Description

一种双波长测水汽激光雷达标定装置和标定方法
技术领域
本发明涉及水汽垂直分布测量领域，尤其是涉及一种双波长测水汽激光雷达标定装置和标定方法。
背景技术
水汽是地球大气中重要的温室气体，并且对全球变暖有显著的正反馈作用。大气中的水汽影响着全球气候变化、水循环、天气系统以及大气化学等重要过程。水汽的时空分布对于研究云的形成、强对流天气系统的发展等具有重要意义。水汽拉曼激光雷达由于其系统简单、可靠性高，能够实现自动化运行，已经成为当前长期测量对流层和平流层底部水汽垂直分布的重要手段之一。
水汽拉曼Raman激光雷达同时测量的水汽分子和氮气分子的拉曼散射回波信号，经过大气透过率等校正后，它们的比值与水汽混合比(水汽与干空气的质量比)成正比，比例常数称为水汽混合比标定常数，它与氮气拉曼通道和水汽拉曼通道的效率(包括光学效率、量子效率、电子学增益等)以及氮气分子和水汽分子的拉曼后向散射截面等有关。水汽拉曼激光雷达经过标定，得到水汽混合比标定常数后，才能测量真实的水汽混合比。2013年世界气象组织中的仪器和观测方法委员会(CIMO)在日内瓦召开的新技术和测试专家组第一次会议中，对水汽拉曼激光雷达技术进行了评估，着重指出水汽拉曼激光雷达的标定是目前限制该技术被广泛应用的关键。
目前使用的水汽拉曼激光雷达的标定方法主要有以下两类：一是对比法。将水汽拉曼激光雷达测量的结果与其它设备测量的结果进行对比，得到水汽混合比标定常数，标定精度主要受到其它测量设备的绝对测量精度、激光雷达的随机测量误差、对比标定方法(用于对比的测量数据和高度范围等)等因素的影响。主要利用球载无线电探空仪测量的水汽混合比廓线对水汽拉曼激光雷达进行标定。球载无线电探空仪和激光雷达测量路径的不一致性，是该标定方法主要误差源之一。利用无线电探空数据得到的水汽混合比标定常数的统计误差约为10％。对于没有无线电探空数据的激光雷达站点，被动遥感设备(如微波辐射计、红外光谱仪、GPS等)测量的水汽柱含量也可以用来标定水汽拉曼激光雷达。但是，由于受到几何因子的影响，激光雷达测量的水汽柱含量的误差往往比较大，从而导致水汽混合比标定常数的误差往往都超过10％。第二类是标准灯法。标准灯的辐射光谱曲线非常稳定并且是已知的，因此可以根据两个拉曼通道中测量的标准灯的信号强度得到这两个拉曼通道效率的比值。与对比法相比，标准灯法不会受到其它水汽测量设备的测量精度、测量数据在时间和空间上的不一致性、几何因子等因素的影响，可以获得高精度的水汽混合比标定常数，如“lamp mapping”方法得到的标定常数的误差约为5％。由于振动拉曼散射谱线的线宽非常窄，因此水汽拉曼激光雷达中都采用窄带干涉滤光片来提高信噪比。干涉滤光片的中心波长随入射角度的变化会发生漂移，这将导致滤光片对回波信号的透过率发生明显的变化；而标准灯的光谱曲线在滤光片中心波长的漂移范围内几乎不变，故滤光片对它的透过率几乎不随滤光片中心波长的漂移而变化。因此，利用标准灯法不能准确测量出由于滤光片入射角度变化引起的标定常数的变化，这是标准灯法最大的弊端。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种双波长测水汽激光雷达标定装置和标定方法，解决对比法造成水汽混合比标定常数的误差较大的问题，解决标准灯法不能准确测量出由于滤光片入射角度变化引起的标定常数的变化的问题。
本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：
一种双波长测水汽激光雷达标定装置，该装置包括：
两台分时交替向大气中发射激光脉冲的激光器，
分时接收两个激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号的卡塞格林望远镜，
对卡塞格林望远镜接收的回波信号经过准直的准直目镜，
对经过准直的回波信号进行分开、滤光和会聚的后继光路，
对从后继光路出来的回波信号进行探测的光电倍增管，
对光电倍增管输出的电信号量化、采集的数据采集器。
优选的，两台激光器中的一台激光器输出532.1nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为54mJ，另外一台激光器输出659.7nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为5uJ。
优选的，所述卡塞格林望远镜的口径为400mm，其分时接收532.1nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号，以及659.7nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号。
优选的，后继光路包括分色镜片、滤光片和会聚透镜。
一种双波长测水汽激光雷达标定方法，该方法包括：
(1)在传统的水汽拉曼激光雷达中增加发射一束波长与水汽拉曼探测通道中心波长相近的激光，利用水汽拉曼通道接收其弹性散射回波信号；
(2)联合氮气拉曼通道中测量的回波信号，得到氮气混合比的垂直分布，再基于已知的氮气混合比：0.755，得到氮气混合比的标定系数；
(3)校正水汽拉曼通道中滤光片在水汽拉曼散射波长和新增加的激光波长上的透过率差异，得到水汽混合比的标定系数。
优选的，水汽拉曼激光雷达测量的氮气分子的散射回波信号：
水汽分子的散射回波信号：
空气分子的瑞利散射回波信号：
其中，VR,N(z,λN)为氮气分子拉曼通道测量的电压信号；EL为发射的激光脉冲能量；ηN为氮气分子拉曼通道的效率；z是散射体距离激光雷达的距离；NN(z)为距离激光雷达z处的氮气分子数密度；σN,π(λL,λN)为氮气分子的拉曼后向散射截面；T(z,z0,λX)为z与z0之间的大气在λX上的透过率；λL、λN和λwv分别为发射的激光波长、氮气分子的拉曼散射波长、水汽分子的拉曼散射波长；VR,wv(z,λwv)为水汽分子拉曼通道测量的电压信号；ηwv为水汽分子拉曼通道的效率；Nwv(z)为距离激光雷达z处的水汽分子数密度；σwv,π(λL,λwv)为水汽分子的拉曼后向散射截面；VRay,wv(z,λC)为水汽分子拉曼通道测量的瑞利散射回波信号的电压信号；EC为发射的激光脉冲能量；εF(λwv,λC)为水汽分子拉曼通道中的干涉滤光片对水汽分子拉曼散射回波和瑞利散射回波信号透过率的差异；Nmol(z)为距离激光雷达z处的空气分子数密度；σRay,π(λC)为瑞利散射后向微分截面；λC为发射的激光波长。
优选的，水汽拉曼激光雷达测量的水汽混合比w(z)为：
其中，ηN/ηwv就是水汽拉曼激光雷达的标定常数。
优选的，两个拉曼通道的效率比值ηN/ηwv：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、与对比法和标准灯法相比，本方法能更真实、准确地对水汽拉曼激光雷达进行标定，理论标定误差小于6％。
2、本方法可以在水汽混合比的测量间隙快速完成水汽Raman激光雷达的自标定，适合变化；
3、本装置建立合适的双波长激光雷达系统，能提供合适的出射激光波长与水汽拉曼探测通道中心波长相近的脉冲激光光源，进而能实现水汽混合比自标定。
附图说明
图1为本装置的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明方法在传统的水汽拉曼激光雷达中增加发射一束波长与水汽拉曼探测通道中心波长相近的激光，利用水汽拉曼通道接收其弹性散射回波信号，在气溶胶含量非常少的对流层中上部，该弹性散射回波信号可以近似为瑞利散射回波信号，然后联合氮气拉曼通道中测量的回波信号，可以得到氮气混合比的垂直分布，而氮气混合比是已知的，为0.755，因此就能得到氮气混合比的标定系数。进一步校正水汽拉曼通道中滤光片在水汽拉曼散射波长和新增加的激光波长上的透过率差异，就得到了水汽混合比的标定系数。在该方法中，最核心的问题是能够找到合适的出射激光波长与水汽拉曼探测通道中心波长相近的脉冲激光光源，因此，建立合适的双波长激光雷达系统是利用该方法实现水汽混合比自标定的关键。
如图1所示，提供了一种双波长测水汽激光雷达标定装置，双波长激光雷达采用两台Nd:YAG激光器作为光源，其中一台激光器输出532.1nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为54mJ，另外一台输出659.7nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为5uJ。两台激光器分时交替向大气中发射激光脉冲。利用一台口径400mm的卡塞格林望远镜分时接收532.1nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号，以及659.7nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号。望远镜接收的回波信号经过准直后入射到后继光路中，在后继光路中，利用分色镜片(DMSP638R和DMLP550R，Thorlabs)将不同波长的回波信号分开，然后经过滤光片和会聚透镜后，被光电倍增管探测。数据采集器将探测器输出的电信号量化、采集，并传输给工控机存盘和显示。
本发明的原理方法为：
水汽Raman激光雷达测量的氮气分子和水汽分子的Raman散射回波信号为：
其中，VR,N(z,λN)和VR,wv(z,λwv)分别为氮气分子和水汽分子Raman通道测量的电压信号；EL为发射的激光脉冲能量；ηN和ηwv分别为氮气分子和水汽分子Raman通道的效率；z是散射体距离激光雷达的距离；NN(z)和Nwv(z)分别为距离激光雷达z处的氮气分子和水汽分子数密度；σN,π(λL,λN)和σwv,π(λL,λwv)分别为氮气分子和水汽分子的Raman后向散射截面,可以根据量子力学理论和滤光片带宽计算得到；T(z,z0,λX)为z与z0之间的大气在λX上的透过率；λL、λN和λwv分别为发射的激光波长、氮气分子的Raman散射波长、水汽分子的Raman散射波长。
水汽Raman激光雷达测量的水汽混合比w(z)为：
其中ηN/ηwv就是水汽Raman激光雷达的标定常数。大气透过率可以根据激光雷达测量的大气气溶胶垂直分布和标准大气模式来校正，研究表明，由大气透过率的校正造成的误差比较小。
通过对水汽Raman激光雷达进行升级，使水汽分子的Raman通道能够接收测量空气分子的瑞利散射回波信号，
其中，VRay,wv(z,λC)为水汽分子Raman通道测量的瑞利散射回波信号的电压信号；EC为发射的激光脉冲能量；ηwv为水汽分子Raman通道的效率，εF(λwv,λC)为水汽分子Raman通道中的干涉滤光片对水汽分子Raman散射回波和瑞利散射回波信号透过率的差异；z是散射体距离激光雷达的距离，Nmol(z)为距离激光雷达z处的空气分子数密度；σRay,π(λC)为瑞利散射后向微分截面；λC为发射的激光波长。
根据公式(1)和(4)可以得到氮气混合比，而氮气混合比是已知的，因此可以得到两个Raman通道的效率比值ηN/ηwv，
从公式(5)中可以知道，需要校正激光脉冲能量、εF(λwv,λC)的影响，才能得到水汽Raman激光雷达的标定常数。需要对激光脉冲能量和εF(λwv,λC)的校正方法进行研究，特别是εF(λwv,λC)的准确校正方法。
水汽分子Raman通道中测量的空气分子的瑞利散射回波信号是自标定方法的关键。水汽分子Raman通道的中心波长和带宽已经确定，需要在此基础上给出一个可行的利用该通道测量空气分子瑞利散射回波信号的方法。另外，水汽分子Raman通道对水汽分子的Raman散射回波信号和空气分子的瑞利散射都有相应，因此需要优化水汽Raman激光雷达的工作时序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双波长测水汽激光雷达标定装置，其特征在于，该装置包括：
两台分时交替向大气中发射激光脉冲的激光器，
分时接收两个激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号的卡塞格林望远镜，
对卡塞格林望远镜接收的回波信号经过准直的准直目镜，
对经过准直的回波信号进行分开、滤光和会聚的后继光路，
对从后继光路出来的回波信号进行探测的光电倍增管，
对光电倍增管输出的电信号量化、采集的数据采集器。
2.根据权利要求1所述的一种双波长测水汽激光雷达标定装置，其特征在于，两台激光器中的一台激光器输出532.1nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为54mJ，另外一台激光器输出659.7nm波长的激光脉冲，单脉冲激光能量为5uJ。
3.根据权利要求2所述的一种双波长测水汽激光雷达标定装置，其特征在于，所述卡塞格林望远镜的口径为400mm，其分时接收532.1nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号、氮气分子和水汽分子的拉曼散射回波信号，以及659.7nm波长的激光脉冲激发的大气弹性散射回波信号。
4.根据权利要求2所述的一种双波长测水汽激光雷达标定装置，其特征在于，后继光路包括分色镜片、滤光片和会聚透镜。
5.一种双波长测水汽激光雷达标定方法，其特征在于，该方法包括：
(1)在传统的水汽拉曼激光雷达中增加发射一束波长与水汽拉曼探测通道中心波长相近的激光，利用水汽拉曼通道接收其弹性散射回波信号；
(2)联合氮气拉曼通道中测量的回波信号，得到氮气混合比的垂直分布，再基于已知的氮气混合比：0.755，得到氮气混合比的标定系数；
(3)校正水汽拉曼通道中滤光片在水汽拉曼散射波长和新增加的激光波长上的透过率差异，得到水汽混合比的标定系数。
6.根据权利要求5所述的一种双波长测水汽激光雷达标定方法，其特征在于，水汽拉曼激光雷达测量的氮气分子的散射回波信号：
水汽分子的散射回波信号：
空气分子的瑞利散射回波信号：
其中，VR,N(z,λN)为氮气分子拉曼通道测量的电压信号；EL为发射的激光脉冲能量；ηN为氮气分子拉曼通道的效率；z是散射体距离激光雷达的距离；NN(z)为距离激光雷达z处的氮气分子数密度；σN,π(λL,λN)为氮气分子的拉曼后向散射截面；T(z,z0,λX)为z与z0之间的大气在λX上的透过率；λL、λN和λwv分别为发射的激光波长、氮气分子的拉曼散射波长、水汽分子的拉曼散射波长；VR,wv(z,λwv)为水汽分子拉曼通道测量的电压信号；ηwv为水汽分子拉曼通道的效率；Nwv(z)为距离激光雷达z处的水汽分子数密度；σwv,π(λL,λwv)为水汽分子的拉曼后向散射截面；VRay,wv(z,λC)为水汽分子拉曼通道测量的瑞利散射回波信号的电压信号；EC为发射的激光脉冲能量；εF(λwv,λC)为水汽分子拉曼通道中的干涉滤光片对水汽分子拉曼散射回波和瑞利散射回波信号透过率的差异；Nmol(z)为距离激光雷达z处的空气分子数密度；σRay,π(λC)为瑞利散射后向微分截面；λC为发射的激光波长。
7.根据权利要求6所述的一种双波长测水汽激光雷达标定方法，其特征在于，水汽拉曼激光雷达测量的水汽混合比w(z)为：
其中，ηN/ηwv就是水汽拉曼激光雷达的标定常数。
8.根据权利要求7所述的一种双波长测水汽激光雷达标定方法，其特征在于，两个拉曼通道的效率比值ηN/ηwv：
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