CN110703278A - 一种钠层层析观测激光雷达及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钠层层析观测激光雷达，包括脉冲激光器、反射镜、望远镜、准直镜、滤光片、分光片、第一聚焦镜、增强型电荷耦合器件、第二聚焦镜、光子计数卡和计算机。本发明还公开了一种钠层层析观测方法。本发明可同时实现对钠层垂直廓线的观测和不同高度钠层水平分布成像观测，即钠层三维层析探测。本发明具有探测精度高、探测参量多、时空分辨率高等特点，为钠层的精细结构观测研究提供有效手段和科学观测结果。

Description

一种钠层层析观测激光雷达及观测方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种钠层层析观测激光雷达，还涉及一种钠层层析观测方法。

背景技术

地球上空80-110km高度大气层悬浮着一层金属原子层，该层中富含金属铁、钠、钾、钙等原子(The mesospheric metal layer topside: Examples of simultaneousmetal observations, J.Höffner, J.S.Friedman, Journal of Atmospheric andSolar-Terrestrial Physics, 67(13):1226-1237, 2005)。金属层的结构分布及变化特征受太阳活动、流星注入、地球重力波等诸多因素的影响。精细探测金属层的细节特征，不仅有利于深入分析金属层的形成原因及其特性，同时也有利于了解全球气候变化。金属原子层中钠原子具有较高的浓度，且其散射截面相对较大，自上世纪六十年代激光器发明之初就开始进行钠层荧光激光雷达的探测研究(Atmospheric Sodium measured by a TunedLaser Radar, Nature, 221(1):456-457, 1969)。传统的钠层荧光激光雷达是利用一束高功率脉冲589nm激光激发钠层，利用大口径接收望远镜收集微弱的钠层回波光信号并送入超高灵敏度的光电倍增管，配合高速光子计数卡，即可获得钠层分布随高度变化特征。由于钠层信号非常微弱，而用高灵敏光电倍增管接收回波信号是点探测的形式，因此只能获得钠层高度分布的垂直廓线。后来发展出钠层导星(Sodiumlayerlaserguidestarexperimental results, J. Opt. Soc. Am. A, 11(2):825-831, 1994)，即采用准连续或连续高功率激光激发钠层，利用大口径接收望远镜收集钠层回波信号送入超高灵敏CCD获取钠层水平分布图像，其目的是获得一个可调节方位的高亮度稳定钠星点光源，以代替天上的星星，因此钠层图像只有小区域的水平分布，没有垂直高度分布的能力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种钠层层析观测激光雷达，还提供一种钠层层析观测方法，为钠层的精细结构观测研究提供手段。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钠层层析观测激光雷达，包括脉冲激光器，还包括：

反射镜，用于反射脉冲激光器的脉冲激光并将反射的脉冲激光竖直射入天空；

望远镜，望远镜的视场竖直向上且用于接收钠层共振荧光；

准直镜，用于对钠层共振荧光进行准直；

滤光片，用于滤除经准直镜准直后的钠层共振荧光中天空背景光噪声；

分光片，用于将经滤光片滤光后的钠层共振荧光部分进行反射且部分进行透射；

第一聚焦镜，用于对经分光片反射的钠层共振荧光进行聚焦并入射到增强型电荷耦合器件，

增强型电荷耦合器件，用于对钠层共振荧光进行成像获得回波图像文件；

第二聚焦镜，用于对经分光片透射的钠层共振荧光进行聚焦并入射到光电探测器，光电探测器输出电信号到光子计数卡的信号输入端；

光子计数卡，用于采集光电探测器输出的电信号生成回波数据文件；

计算机分别与增强型电荷耦合器件和光子计数卡连接。

如上所述的增强型电荷耦合器件和光子计数卡由脉冲激光器发出的触发同步信号触发，分别生成回波图像文件和回波数据文件，计算机还用于设置增强型电荷耦合器件的门控时间、设置光子计数卡的门控时间以及设置增强型电荷耦合器件的起始时间。

一种钠层层析观测方法，包括以下步骤：

步骤1、计算机设置增强型电荷耦合器件的门控时间，计算机设置光子计数卡的门控时间；

步骤2、计算机设置钠层层析数的初值，钠层层析数的初值为正整数；

步骤3、设置增强型电荷耦合器件的起始时间，等待脉冲激光器发出触发同步信号。一旦增强型电荷耦合器件和光子计数卡接收到触发同步信号，增强型电荷耦合器件生成回波图像文件并发送到计算机，光子计数卡生成回波数据文件并发送到计算机，计算机对回波图像文件和回波数据文件进行存储，计算机递减钠层层析数；

步骤4、判断钠层层析数是否为0，如果钠层层析数不为0，跳转到步骤3，如果钠层层析数为0，则执行步骤5；

步骤5、判断是否停止观测，如果不停止观测，则跳转到步骤2，如果停止观测，则结束。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

利用一套激光雷达系统即可同时实现对钠层垂直廓线的观测和不同高度钠层水平分布成像观测，即钠层三维层析探测。本发明具有探测精度高、探测参量多、时空分辨率高等特点，为钠层的精细结构观测研究提供有效手段和科学观测结果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1-脉冲激光器；2-反射镜；3-金属层钠原子；4-望远镜；5-准直镜；6-滤光片；7-分光片；8-第一聚焦镜；9-增强型电荷耦合器件；10-第二聚焦镜；11-光电探测器；12-光子计数卡；13-计算机；14-触发同步信号。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种钠层层析观测激光雷达，包括脉冲激光器1产生一束波长为589nm的脉冲激光，反射镜2放置在脉冲激光的光轴中心，调节反射镜2的方向将脉冲激光竖直射入天空，激发金属层钠原子3产生钠层共振荧光。接收望远镜4接收视场竖直向上接收钠层共振荧光即回波光，准直镜5的焦点放置于望远镜4的焦平面且与望远镜的出射光轴同轴，将望远镜4接收的的钠层共振荧光进行准直。滤光片6放置在准直镜5的光轴中心，滤除准直后的钠层共振荧光中天空背景光噪声只保留钠层共振荧光成分。分光片7与准直镜5的光轴呈45度放置且中心位于准直镜5的光轴中心，分光片7将经滤光片6滤光后的钠层共振荧光部分反射至第一聚焦镜8，在分光片7的反射光轴上放置第一聚焦镜8，第一聚焦镜8的光轴与分光片7的反射光轴同轴，增强型电荷耦合器件（ICCD）9的探测面放置到第一聚焦镜8的焦平面且增强型电荷耦合器件（ICCD）9的探测面的中心位于第一聚焦镜8的光轴上。增强型电荷耦合器件（ICCD）9通过图像读取与控制电信号线与计算机13连接。分光片7将经滤光片6滤光后的钠层共振荧光部分透射至第二聚焦镜10，在分光片7的透射光轴上放置第二聚焦镜10，第二聚焦镜10的光轴与分光片7的透射光轴同轴，光电探测器（PMT）11的探测面放置到第二聚焦镜10的焦平面且光电探测器（PMT）11的探测面的中心位于第二聚焦镜10的光轴上。光电探测器（PMT）11的输出电信号到光子计数卡12的信号输入端，脉冲激光器1输出的触发同步信号分别输入到光子计数卡12的触发同步信号输入端和增强型电荷耦合器件（ICCD）9的触发同步信号输入端，光子计数卡12通过数据读取和控制电信号线与计算机13连接。

一种钠层层析观测激光雷达的操作方法，包括以下步骤：

步骤1、激光雷达观测准备开始，计算机13设置增强型电荷耦合器件（ICCD）9的门控时间，计算机13设置光子计数卡12的门控时间；

步骤2、计算机13设置钠层层析数的初值，钠层层析数的初值为正整数；

步骤3、设置增强型电荷耦合器件（ICCD）9的起始时间，等待脉冲激光器1发出触发同步信号14。一旦增强型电荷耦合器件（ICCD）9和光子计数卡12接收到触发同步信号14，增强型电荷耦合器件（ICCD）9获取ICCD图像生成回波图像文件并发送到计算机13，光子计数卡12进行数据采集生成回波数据文件并发送到计算机13，计算机13对回波图像文件和回波数据文件进行存储，计算机13递减钠层层析数；

步骤4、判断钠层层析数是否为0，如果钠层层析数不为0，跳转到步骤3，如果钠层层析数为0，则执行步骤5；

步骤5、判断是否停止观测，如果不停止观测，则跳转到步骤2，如果停止观测，则结束数据获取并关机。

本发明的控制核心是计算机，计算机开启设置好强型电荷耦合器件（ICCD）9的门控时间和光子计数卡12的门控时间，在门控时间内增强型电荷耦合器件（ICCD）9曝光或者光子计数卡计数，也对应钠层的高度分辨率，如垂直高度分辨率为100m或者1km。接着设置钠层层析数，钠层层析数与高度分辨率相关，地球上空钠层大致分布在80-110km高度范围，因此层析数由钠层高度范围和强型电荷耦合器件（ICCD）9的门控时间决定，门控时间越短，层析数就越多。然后设置增强型电荷耦合器件（ICCD）9起始时间，也即钠层的起始高度。在层析观测中，钠层的门控时间是固定的，但起始高度（相同时间长度的数据一层一层的累积）由低到高依次增加，即可实现对钠层的空间层析观测。所有参数都设置好后即开始等待脉冲激光器1的触发同步信号，触发同步信号由脉冲激光器1产生，与发射激光同步，一旦接收到触发同步信号后，增强型电荷耦合器件（ICCD）9和光子计数卡12均开始数据采集，并各自保存所获取的回波图像文件（反映钠层水平分布）和回波数据文件（反映钠层垂直廓线）到计算机进行存储。然后钠层层析数递减，并判断钠层层析数是否完成，如果未完成，即跳转到设置强型电荷耦合器件（ICCD）9的起始时间，通过改变增强型电荷耦合器件（ICCD）9的起始时间，获得不同高度层段的回波回波图像文件；如果钠层层析数已经完成，则往下执行。判断是否停止观测，如果不停止观测，则重新设置钠层层析数进行层析观测；如果是停止观测则退出循环并结束。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种钠层层析观测激光雷达，包括脉冲激光器（1），其特征在于，还包括：

反射镜（2），用于反射脉冲激光器（1）的脉冲激光并将反射的脉冲激光竖直射入天空；

望远镜（4），望远镜（4）的视场竖直向上且用于接收钠层共振荧光；

准直镜（5），用于对钠层共振荧光进行准直；

滤光片（6），用于滤除经准直镜（5）准直后的钠层共振荧光中天空背景光噪声；

分光片（7），用于将经滤光片（6）滤光后的钠层共振荧光部分进行反射且部分进行透射；

第一聚焦镜（8），用于对经分光片（7）反射的钠层共振荧光进行聚焦并入射到增强型电荷耦合器件（9），

增强型电荷耦合器件（9），用于对钠层共振荧光进行成像获得回波图像文件；

第二聚焦镜（10），用于对经分光片（7）透射的钠层共振荧光进行聚焦并入射到光电探测器（11），光电探测器（11）输出电信号到光子计数卡（12）的信号输入端；

光子计数卡（12），用于采集光电探测器（11）输出的电信号生成回波数据文件；

计算机（13）分别与增强型电荷耦合器件（9）和光子计数卡（12）连接。

2.根据权利要求1所述的一种钠层层析观测激光雷达，其特征在于，所述的增强型电荷耦合器件（9）和光子计数卡（12）由脉冲激光器（1）发出的触发同步信号触发，分别生成回波图像文件和回波数据文件，计算机（13）还用于设置增强型电荷耦合器件（9）的门控时间、设置光子计数卡（12）的门控时间以及设置增强型电荷耦合器件（9）的起始时间。

3.一种钠层层析观测方法，利用权利要求1所述钠层层析观测激光雷达，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算机（13）设置增强型电荷耦合器件（9）的门控时间，计算机（13）设置光子计数卡（12）的门控时间；

步骤2、计算机（13）设置钠层层析数的初值，钠层层析数的初值为正整数；

步骤3、设置增强型电荷耦合器件（9）的起始时间，等待脉冲激光器（1）发出触发同步信号（14），一旦增强型电荷耦合器件（9）和光子计数卡（12）接收到触发同步信号（14），增强型电荷耦合器件（9）生成回波图像文件并发送到计算机（13），光子计数卡（12）生成回波数据文件并发送到计算机（13），计算机（13）对回波图像文件和回波数据文件进行存储，计算机（13）递减钠层层析数；

步骤4、判断钠层层析数是否为0，如果钠层层析数不为0，跳转到步骤3，如果钠层层析数为0，则执行步骤5；

步骤5、判断是否停止观测，如果不停止观测，则跳转到步骤2，如果停止观测，则结束。

Images