CN109283550A - 全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法 - Google Patents

全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法，该系统包括：激光发射模块，用于发出三种波长的激光；信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；反演模块，用于对回波信号进行反演。本发明采用全固态激光器实现了野外全天时的水汽Raman信号的测量，在缩小了系统体积的同时，优化了收发系统结构，有效的抑制了背景噪声，提高了性噪比，弥补了全固态激光器能量低回波信号弱的缺点，最终实现了户外可以移动的全天候测量水汽激光雷达系统。

Description

全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法
技术领域
本发明涉及水汽测量领域，尤其是涉及一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法。
背景技术
水汽与人类生活乃至整个生物界活动关系密切，是大气中举足轻重的气象要素。并且水汽来源丰富但分布并不均匀，时空变化迅速，是自然条件下大气中唯一可以相变的气体。大气中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四，水汽仅占全球总水量的0.001％，水汽是大气中浓度变化最大的一种气体。水汽在环境、气象、气候和军事领域扮演了一个十分重要的角色。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天气预报和气候研究中都有重要价值，水汽含量也是人工影响天气的研究的重要参数。水汽在辐射传输中是一个非常重要的参量，从近红外到远红外区域存在多个较强的吸收带，但水汽随着时间和空间变化很大，往往与标准大气模式存在很大的差异，从而带来计算误差，精确测量水汽的浓度可以获得高精度的大气辐射传输计算参数，在提高光电探测仪器的测量精度以及确认武器装备有效作用距离等方面有着重要意义。大气中水汽对太阳辐射的吸收直接影响到卫星观测到的信号，在航天、航空遥感器辐射定标和大气校正时就需要大气中精确的水汽量。
水汽Raman激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的传统方法，水汽Raman信号要比米散射信号弱3个数量级，因此在白天水汽Raman激光雷达一般很难正常工作。为了使水汽Raman激光雷达在白天进行水汽测量，对激光雷达探测能量和望远镜的探测口径都有一定要求，所以一般采用高功率激光器，而高功率激光器需要采用水冷技术，不仅体积庞大，而且不便于户外使用，环境适应性差，维护成本高，而采用固态激光器，虽然体积小，但是能量弱，受背景噪声影响，性噪比低，尤其是白天背景光强的情况下不能满足测量水汽的需求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法，解决了固态激光器能力弱回波信号弱的问题。
本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：
一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，该系统包括：
激光发射模块，用于发出三种波长的激光；
信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；
光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；
反演模块，用于对回波信号进行反演。
作为进一步的技术方案，所述激光发射模块包括固态激光器和全反镜，激光发射模块把1064nm的YAG激光器的出射光通过倍频晶体二倍频为532nm、三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同时输出355nm、532nm、1064nm波长的激光。
作为进一步的技术方案，所述激光发射模块包括电动调节反射镜，通过全反镜的激光经过所述电动调节反射镜进行自动对光。
作为进一步的技术方案，所述信号接收模块包括卡塞格林望远镜和四个分束镜，通过卡塞格林望远镜的回波信号依次通过四个分束镜后被分束为不同波段的回波信号。
作为进一步的技术方案，所述信号接收模块还包括四个窄带滤波片，四个分束镜分束出的回波信号各自被一个窄带滤波片滤波。
作为进一步的技术方案，所述光电探测及数据采集模块包括三个PMT探测和一个APD探测，三个PMT探测分别用于探测407nm水汽拉曼回波信号、386nm氮气拉曼回波信号、532nm回波信号，APD探测用于探测1064nm回波信号。
作为进一步的技术方案，该系统还包括温度控制模块，该温度控制模块包括温湿度传感器、双向温控器、导热硅胶、散热铝片和风扇，所述温湿度传感器探测系统内部的温湿度，双向温控器通过导热硅胶与散射铝片相连，散热铝片外通过风扇扇风。
一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统的探测方法，该方法包括：从全固态激光器同时发射出355nm、532nm、1064nm的激光，经过反射镜通过发射镜窗口发射到大气中，激光与大气发生反应，水汽和氮气的拉曼回波信号、532nm和1064nm的回波信号通过卡塞格林望远镜进入到接收光路中，然后依次通过分束镜，把不同波段的回波信号分束，然后不同频率的回波信号依次通过各自的窄带滤波片后，通过PMT或APD探测器中，然后通过数据采集卡把信号存储到计算机中，再通过反演算法对回波信号进行反演。
作为进一步的技术方案，反演算法为：其中，w(z)表示水汽混合比，Cw为水汽Raman激光雷达的系统标定常数：Δq(zo,z)为大气透过率修正函数： 表示水汽Raman后向散射回波信号，表示氮气Raman后向散射回波信号，kx表示x通道的系统常数，σx为x分子Raman后向散射截面，nx(z)为高度Z处x分子数密度，和Mair为水汽和干洁空气的分子量，z0为激光雷达出射位置的高度，q(λx,z0,z)分别为z0和z直接发射激光波长和x分子的Raman散射光的大气透光率。
与现有技术相比，本发明采用以固态激光器为基础，通过优化发射光路、接受光路，并采用自动对光系统、自主设计温控系统等，优化整体结构设计，有效的抑制了背景噪声，提高信噪比，弥补固态激光器能力弱回波信号弱的缺点，满足全天时(昼夜)连续测量水汽的激光雷达系统，并且稳定性好，维护成本低，保证探测性能的同时，缩小了激光雷达系统的体积；并利用同一位置同一时间的探空气球的湿度数据对与反演结果标定，实现对大气水汽浓度全天候连续测量反演。
附图说明
图1为全固态水汽激光雷达结构示意图；
图2为发射光路示意图；
图3为温控模块示意图；
图4为本发明正体框架示意图。
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
术语解释：
拉曼效应：光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。
相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。
本发明开创性的实现了全天时全固态水汽探测激光雷达系统。本发明通过从全固态激光器同时发射出355nm、532nm、1064nm的激光，经过反射镜通过发射镜窗口(石英玻璃)发射到大气中，激光与大气发生反应，水汽和氮气的拉曼回波信号、532nm和1064nm的回波信号通过卡塞格林望远镜进入到接收光路中，然后依次通过分束镜，把不同波段的回波信号分束，然后不同频率的回波信号依次通过各自的窄带滤波片后，通过PMT或APD探测器中，然后通过数据采集卡把信号存储到计算机中，再通过反演算法对回波信号进行反演。
本发明采用以固态激光器为基础，通过优化发射光路、接收光路，并采用自动对光系统、自主设计温控系统等，优化整体结构设计优化整体结构设计，有效的抑制了背景噪声，提高信噪比，弥补固态激光器能力弱回波信号弱的缺点，满足全天时(昼夜)连续测量水汽的激光雷达系统，并且稳定性好，维护成本低。
本发明的具体结构图1～图4所示，全固态水汽激光雷达整体为一矩形微型房舱，其内部集合了激光雷达的主要功能模块，其具体结构分为如下：激光发射模块、信号接收模块、光电探测及数据采集模块、温度控制模块和反演模块。
1、激光发射模块：
采用固态激光器，把1064nm的YAG激光器的出射光，通过倍频晶体二倍频为532nm，三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同时输出3波长的激光。激光器发射的探测光，经过反射镜通过发射窗口发射至大气中。为方便调节，集成了能自动调节镜片的电动机，用于自动对光，如图2所示。
2、信号接收模块
采用卡塞格林望远镜收集回波信号，分别接收水汽通道(407nm)、氮气通道(386nm)、532nm以及1064nm四个通道的回波信号，并且为了防止水汽通道和氮气通道的相互影响，再接收光路中均加入窄带滤波片。具体如图1所示。
3、光电探测及数据采集模块
水汽拉曼回波信号(407nm)、氮气拉曼回波信号(386nm)、532nm分别采用三个PMT探测，1064nm回波信号采用APD探测，然后记录到计算机中。
4、温度控制模块
为了保持了系统运行环境温度的稳定性，采用了自主设计的温控系统保证激光器及采集模块的温度温度性，如图3所示。首先采用温湿度传感器探测系统内部的温湿度，然后传递给工控机(即PLC模块)。然后双向温控系统(类似空调的原理)来降低系统温度，温控系统由双向温控器通过导热硅胶与散射铝片相连，方便系统内部热量传导，散热铝片外再通过风扇扇风，通过空气对流把热量散发出去。
5、反演模块
水汽Raman激光雷达利用的是散射光中的Stokes线。在氮气分子的振动-转动Raman光谱中当激光波长为355nm时，其振动光谱的中心波长为386nm。对于水汽分子，当激发波长为355m时，其光谱的中心波长为407nm，Raman激光雷达接受的水汽和氮气Raman后向散射回波信号可表示为：
式中Sx(z)为高度Z处x通道的回波信号(的下标x可表示N2或H2O，后面有此表示的含义与本处雷同)；λ0为激光发射波长，kx为x通道的系统常数，σx为分子Raman后向散射截面；nx(z)为高度Z处x分子数密度；z0为激光雷达出射位置的高度，q(λ0,z0,z)和q(λx,z0,z)分别为z0和z直接发射激光波长和x分子的Raman散射光的大气透光率，可表示为：
式中和分别表示x分子的大气分子消光系数和气溶胶消光系数。
水汽混合比w(z)定义为单位体积内水汽质量与干洁空气质量的比值，其随高度z的分布可表示为：
式中，和nair(z)为高度z处水汽和干洁空气的分子数密度，和Mair为水汽和干洁空气的分子量。由于大气中氮气的含量稳定，其体积约占空气的78％，所以可以用氮气的Raman后向散射回波信号测定空气的分子数密度nair，于是水汽混合比可以表示为：
式(1-6)中和Mair分别为18.02g/mol，28.97g/mol，为常数78.08％，因此只要知道即可求得水汽混合比，把式(1-1)和式(1-2)带入式(1-7)可得：
式中Cw为水汽Raman激光雷达的系统标定常数:
Δq(zo,z)为大气透过率修正函数：
有式(2-8)可以得到，如果已知大气透射率修正函数Δq(zo,z)和标定常数Cw，通过激光雷达测得的水汽和氮气Raman后向散射信号的比值就可以算出水汽混合比w(z)。
为了使激光雷达结构紧凑，布线合理，结构稳定，设计了如图4所示的结构连线布局示意图。能规避干扰，提高空间利用率，进一步提高系统的稳健性。
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 (9)

1.一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，该系统包括：
激光发射模块，用于发出三种波长的激光；
信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；
光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；
反演模块，用于对回波信号进行反演。
2.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射模块包括固态激光器和全反镜，激光发射模块把1064nm的YAG激光器的出射光通过倍频晶体二倍频为532nm、三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同时输出355nm、532nm、1064nm波长的激光。
3.根据权利要求2所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射模块包括电动调节反射镜，通过全反镜的激光经过所述电动调节反射镜进行自动对光。
4.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块包括卡塞格林望远镜和四个分束镜，通过卡塞格林望远镜的回波信号依次通过四个分束镜后被分束为不同波段的回波信号。
5.根据权利要求4所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块还包括四个窄带滤波片，四个分束镜分束出的回波信号各自被一个窄带滤波片滤波。
6.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测及数据采集模块包括三个PMT探测和一个APD探测，三个PMT探测分别用于探测407nm水汽拉曼回波信号、386nm氮气拉曼回波信号、532nm回波信号，APD探测用于探测1064nm回波信号。
7.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，该系统还包括温度控制模块，该温度控制模块包括温湿度传感器、双向温控器、导热硅胶、散热铝片和风扇，所述温湿度传感器探测系统内部的温湿度，双向温控器通过导热硅胶与散射铝片相连，散热铝片外通过风扇扇风。
8.一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统的探测方法，其特征在于，该方法包括：从全固态激光器同时发射出355nm、532nm、1064nm的激光，经过反射镜通过发射镜窗口发射到大气中，激光与大气发生反应，水汽和氮气的拉曼回波信号、532nm和1064nm的回波信号通过卡塞格林望远镜进入到接收光路中，然后依次通过分束镜，把不同波段的回波信号分束，然后不同频率的回波信号依次通过各自的窄带滤波片后，通过PMT或APD探测器中，然后通过数据采集卡把信号存储到计算机中，再通过反演算法对回波信号进行反演。
9.根据权利要求8所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统的探测方法，其特征在于，反演算法为：其中，w(z)表示水汽混合比，Cw为水汽Raman激光雷达的系统标定常数：Δq(zo,z)为大气透过率修正函数： 表示水汽Raman后向散射回波信号，表示氮气Raman后向散射回波信号，kx表示x通道的系统常数，σx为x分子Raman后向散射截面，nx(z)为高度Z处x分子数密度，和Mair为水汽和干洁空气的分子量，z0为激光雷达出射位置的高度，q(λx,z0,z)分别为z0和z直接发射激光波长和x分子的Raman散射光的大气透光率。
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