CN112805597A - 气象观测用激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气象观测用激光雷达，其能够测量气温、水蒸气浓度、气溶胶、风向/风速、臭氧浓度、CO2浓度等的高度分布，无论昼夜，都能够稳定且连续地进行测量。气象观测激光雷达向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光，该气象观测激光雷达具备：光学系统，其向空中照射激光；以及防尘部，其使光学系统的收纳空间清洁。

Description

气象观测用激光雷达
技术领域
本发明涉及气象观测用激光雷达。
背景技术
近年来，局部暴雨等异常气象持续发生，期望提高气象预测的精度而在早期阶段预测异常气象的发生，采取对策。已知为了提高气象预测精度，除了地表的各种气象要素的观测、利用雷达的上空的观测以外，观测大气边界层内的气温、水蒸气浓度、风向/风速的垂直分布，将该数据投入到气象预报模型中进行计算是有效的。
激光雷达测量上空的气温、水蒸气浓度、风向/风速的垂直分布。测量风向/风速的激光雷达作为多普勒激光雷达被产品化，在风力发电站的建设时用于进行风况调查等。
在此，对测量上空的水蒸气浓度分布的拉曼激光雷达进行说明。测量水蒸气浓度分布的激光雷达有两种方式，一种是差分吸收方式(DIAL：Differential AbsorptionLidar，差分吸收激光雷达)，另一种是拉曼方式。
差分吸收方式将两个接近的波长的激光向上空射出。第一个波长是水蒸气所进行的吸收较小的波长(λoff波长)，第二个波长是水蒸气所进行的吸收较大的波长(λon波长)。此时，在地上观测被上空的气溶胶等弹性散射的光，比较两个波长的光的每个高度的衰减率，来测量水蒸气浓度。在该方法中，需要非常精密地控制两个波长，需要1pm以下的波长稳定度。
拉曼方式是使激光射到上空，在地上捕捉被H2O、N2分子散射掉的光中的振动拉曼散射光来测量水蒸气浓度分布的方式。拉曼散射光的强度非常弱，高精度地对其进行检测是重要的。
拉曼方式的研究开发中使用的激光一般使用YAG激光的高次谐波，一般使用波长355nm。在使用355nm的波长时，基于H2O、N2的拉曼散射光波长分别为387nm、405nm，在检测该波长的光时，在白天，太阳光混合而成为噪声，高精度地检测拉曼散射光非常困难。因此，使用该波长的水蒸气浓度测量通常限于夜间。
气温测量用拉曼激光雷达也一般使用波长355nm的激光，但同样地太阳光成为噪声，在白天无法高精度地进行测定。
作为消除白天的太阳光的影响、在昼夜高精度地进行测量的方法，有使用了作为处于UVC区域(波长200～280nm)的YAG激光的4倍波的波长266nm的拉曼激光雷达(参照下述非专利文献1)。在使用该波长的激光时，基于大气中的H2O、N2的拉曼散射光的波长分别为295nm、284nm。波长300nm以下的太阳光被上空的臭氧层(高度10～50km)吸收，几乎无法到达地表，太阳光难以成为噪声。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.Froidevaux、其他6名、“A new lidar for water vapor andtemperature measurements in the Atmospheric Boundary Layer”、AsiaFluxNewsletter Issue 28、13-17、2009年3月
发明内容
发明所要解决的问题
利用上述的UVC区域的波长的激光的优点，进行了波长266nm的拉曼激光雷达的研究开发。但是，研究开发的主流是使用355nm的波长，没有能够利用266nm的拉曼激光雷达进行稳定的连续测量的例子。这是因为，通常使用266nm的激光雷达无法稳定地进行连续测量。其理由在于，生成4倍波的非线性晶体单元、激光反射镜等光学元件容易被激光损伤。
对本申请人等而言，在使用了波长266nm的激光雷达中，在不到一年的期间，多次发生4倍波晶体单元、激光反射镜等光学元件的损伤，每当如此都停止激光雷达，进行部件更换和调整。
因此，本发明的目的在于提供一种气象观测用激光雷达，其能够测量气温、水蒸气浓度、气溶胶、风向/风速、臭氧浓度、CO2浓度等的高度分布，无论昼夜，都能够稳定且连续地进行测量。
用于解决问题的手段
本发明的一个方式所涉及的气象观测用激光雷达向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光，该气象观测激光雷达具备：光学系统，其向空中照射激光；以及防尘部，其使所述光学系统的收纳空间清洁。
根据该方式，通过采用将光学系统保持为清洁的环境的结构，能够防止光学元件的损伤，能够稳定地对气象观测用激光雷达进行连续测量。在此，作为使收纳空间清洁的一个手段，考虑将收纳空间的每单位体积的最大空中尘埃数抑制在规定的范围。
另外，本发明的另一方式所涉及的气象观测用激光雷达向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光，该气象观测激光雷达具备：光学系统，其向空中照射激光；以及温度稳定化部，其将光学系统的收纳空间中的温度以及温度变化率构成为规定的范围。
根据该方式，通过防止光学系统的急剧的温度变动，能够防止光学元件的损伤，能够更稳定地对气象观测用激光雷达进行连续测量。
作为本发明的一个方式所涉及的气象观测用激光雷达，也可以采用同时具备防尘部和温度稳定化部的结构。
在上述方式中，特定波长可以为200～280nm。根据该方式，波长越短，光学元件的激光损伤阈值(损伤开始的激光密度)越小，光学元件的损伤一般变大，特别是在UVC区域的波长的激光中气象观测用激光雷达的稳定运转困难，但在本方式中，能实现该区域中的稳定运转。
在上述方式中，光学系统和温度稳定化部也可以热分离地构成。根据该方式，通过将能够成为热源的温度稳定化部等构成要素与光学系统分离，能够可靠地进行光学系统的温度控制。
发明效果
根据本发明，能够提供一种气象观测用激光雷达，其能够测量气温、水蒸气浓度、气溶胶、风向/风速、臭氧浓度、CO2浓度等的高度分布，无论昼夜，都能够稳定且连续地进行测量。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的结构的图。
图2是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的分光部的结构的图。
图3是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的分光部的其他方式的结构的图。
图4是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的图。
图5是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
图6是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
图7是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
图8是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
图9是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
图10是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的光学系统的结构的图。
图11是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的光学系统的其他结构的图。
图12是表示本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的光学系统的其他结构的图。
图13是表示构成本发明的实施方式中的气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的其他方式的图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的优选的实施方式(以下称为“本实施方式”)进行说明(此外，在各图中，标注了相同的附图标记的部分具有相同或同样的结构)。
一般认为，波长越短，光学元件的激光损伤阈值(损伤开始的激光密度)越小，使用了波长266nm的激光雷达与波长355nm的激光雷达相比，显然，光学元件的损伤通常变大，至今为止，对该技术常识没有疑义。
但是，气象观测用激光雷达所使用的激光的输出光的能量密度为0.5mJ/cm2以下，本发明人等认为光学元件在该程度的能量密度下而损伤，不是光学元件的本质上的问题，而是存在其他因素。作为引起激光损伤的原因之一，本发明人等得出了光学元件的表面被污染的结论。本发明人等认为，特别是对室外设置激光雷达的情况需要充分地进行光学元件的污染对策。
在尘埃附着于作为构成气象观测用激光雷达的设备的高次谐波晶体、波长分离箱、扩束器、反射镜、射出窗等光学元件的表面的状态下，若对这些光学元件照射激光，则尘埃有时会过热或光分解而变质并在光学元件的表面烧结。此时，光学元件的表面的反射防止膜、反射增加膜有时会受到缺损、薄膜化或者厚膜化等损伤。
例如，高次谐波晶体的表面的反射防止膜是为了使波长266nm的激光以高透射率从晶体的内部向外部射出而设置的，但若反射防止膜受到损伤，则波长266nm的激光不会从高次谐波晶体以高透射率射出，在晶体表面被反射而再次去往晶体内部，进而由于将其重复多次而使晶体本身受到损伤。
另外，在反射镜的表面的反射增加膜受到损伤的情况下，波长266nm的激光在反射镜表面的反射率降低，向反射镜的母材照射高能量的激光而使反射镜受到损伤。进而，若对波长266nm的激光的光路以及在其周围浮游的尘埃照射激光，则有时尘埃因光分解等而变质或者微细化并附着于光学元件的表面。
如此，如上所述，光学元件受到损伤。对于波长1064nm的基本波激光、波长532nm的2倍高次谐波激光，也以同样的机理对光学元件造成损伤。
在本实施方式的气象观测用激光雷达中，采用了特别是激光主体部、激光的光射出部的部件不被污染的结构。更具体而言，采用将激光器主体及其周围的光学系统用清洁室覆盖而保持为清洁的环境。
另外，认为用于使波长266nm的激光稳定运转的另一个对策是包含激光的光学部件的周围温度的稳定化，并且防止急剧的温度变动。即，当激光的周围温度变化时，有时激光的振荡从单模变为多模。已知在多模的光中，光学元件的激光损伤阈值与单模的情况相比变小到1/4左右，容易引起光学元件的损伤。
综上，采取污染对策、温度变动防止对策的结果是，实现了在从2017年11月末到申请时为止的10个月期间，无光学元件的损伤，激光雷达能够稳定地进行连续测量的气象观测用激光雷达。以下，示出本实施方式中的气象观测用激光雷达的具体结构。
图1表示本实施方式中的气象观测用激光雷达1的基本结构。本实施方式的气象观测用激光雷达1通过激光器11经由扩束器12将波长266nm的激光L1向上空射出，由望远镜13捕捉在上空被散射掉的光L2。接收到的散射光在分光部14按照波长而分离，在信号处理系统15中测定基于H2O、N2、O2分子的拉曼散射光强度。
图2是本实施方式的气象观测用激光雷达的分光部14的结构的例子。在该例子中，使用分色镜、干涉滤波器来分离、提取拉曼散射光。在使用以多色仪为代表的衍射光栅的分光中，还因杂散光而混入有希望分光的波长以外的光而成为噪声。由于拉曼散射光非常弱，因此会极端地受到其影响。
另一方面，在基于干涉滤光器的分光中，透射波长与想要阻止的波长的分离是容易的。特别是在UVC区域中几乎不受太阳光的影响，因此不需要窄的透射频带的干涉滤波器，能够使用制造难易度低且透射率也高的透射频带宽的干涉滤波器，不会受到杂散光的影响，而激光雷达的性能提高。
图3是本实施方式的气象观测用激光雷达的分光部14的其他分光部的结构例。在该例子中，不使用分色镜，仅通过干涉滤光器来分离、提取拉曼散射光。另外，在该例子中，关于干涉滤波器的排列方式，只要是能够分离波长的结构，就能够进行顺序的调换。
在使用以多色仪为代表的衍射光栅的分光中，还因杂散光而混入有希望分光的波长以外的光而成为噪声。由于拉曼散射光非常弱，因此会极端地受到其影响。
另一方面，在利用干涉滤光器的分光中，透射波长与想要阻止的波长的分离是容易的。特别是在UVC区域中几乎不受太阳光的影响，因此不需要窄的透射频带的干涉滤波器，能够使用制造难易度低且透射率也高的透射频带宽的干涉滤波器，不会受到杂散光的影响，激光雷达的性能提高。
图4是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的图。在该例中，由收纳激光器11主体和望远镜13、反射镜等光学元件的壳体(主壳体)A、和收纳精密空调机等的壳体(副壳体)B这两个壳体构成。需要精密空气调节的主壳体A由设置于副壳体B的精密空调机16进行空气调节。
图5是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的其他结构例的图。在该例子中，在同一壳体内收纳激光雷达构成部件，激光器等光学系统、精密空调机16、激光电源17等配置在同一壳体内，但各个收纳部在热隔离的同时进行激光等的温度调整。
图6是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的其他结构例的图。在该例子中，除了精密空调机16之外还使用了换热器18。通过换热器18进行精密温度调节。
图7是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的其他结构例的图，是在图4所示的例子中，在主壳体的内部设置狭缝帘19，使来自外部的尘埃不附着于激光以及周边的光学元件。
图8是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的其他结构例的图，是对壳体的结构实施了改良的例子。在该例中，为了缓解壳体内部的温度因日照而上升，壳体的壁由遮阳用的侧板20和在内部放入了绝热材料的夹芯板21构成。
图9是表示构成气象观测用激光雷达1的各设备的配置结构的其他结构例的图，表示使用空障(air curtain)22将光学系统与精密空调机以及激光电源17等的结构热分离的例子。
图10是表示气象观测用激光雷达1的光学系统的结构的图。在该例子中，利用清洁室23覆盖激光主体和周边的光学元件而确保清洁的环境。
图11是表示气象观测用激光雷达1的光学系统的其他结构的图，在该例子中，设置有多个清洁室23。
图12是表示气象观测用激光雷达1的光学系统的其他结构的图，在该例子中，使用空气净化器24来确保清洁的环境。
图13是表示构成1个气象观测用激光雷达的各设备的配置结构的另一方式的图，是在从副壳体B向主壳体A输送调温后的空气时，为了清洁空气而设置了空气过滤器25的例子。在该例子中，通过温度调节空气的循环，能够使主壳体内A清洁化。
根据以上那样的本实施方式，通过采用将光学系统保持为清洁的环境的结构，能够防止光学元件的损伤，能够稳定地对气象观测用激光雷达进行连续测量。另外，通过防止光学系统的急剧的温度变动，能够防止光学元件的损伤，能够更稳定地对气象观测用激光雷达进行连续测量。波长越短，光学元件的激光损伤阈值(损伤开始的激光密度)越小，光学元件的损伤一般变大，特别是在UVC区域的波长的激光中气象观测用激光雷达的稳定运转困难，但在本方式中，能实现该区域中的稳定运转。
另外，以上的说明在波长266nm下进行，但在使用了比其长的波长的激光的情况下虽存在一定的差异，但能够得到同样的效果。作为长波长的例子，有YAG激光的3倍波的波长355nm、2倍波532nm、准分子激光的248nm、308nm、351nm等。
以上说明的实施方式用于使本发明容易理解，并不用于对本发明进行限定解释。实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状及尺寸等并不限定于例示的内容，可以适当变更。另外，能够将在不同的实施方式中示出的结构彼此局部地置换或者组合。
附图标记说明
1：气象观测用激光雷达；11：激光器；12：扩束器；13：望远镜；14：分光部；15：信号处理系统；16：精密空调机；17：激光电源；18：换热器；19：狭缝帘；20：侧板；21：夹芯板；22：空障；23：清洁室；24：空气净化器；25：空气过滤器；A：主壳体；B：副壳体；L1：激光；L2：光。

Claims (5)

1.一种气象观测用激光雷达，是向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光的气象观测激光雷达，其特征在于，
所述气象观测用激光雷达具备：
光学系统，其向空中照射激光；以及
防尘部，其使所述光学系统的收纳空间清洁。
2.一种气象观测用激光雷达，是向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光的气象观测激光雷达，其特征在于，
所述气象观测用激光雷达具备：
光学系统，其向空中照射激光；以及
温度稳定化部，其将所述光学系统的收纳空间中的温度以及温度变动率调整为规定的范围。
3.一种气象观测用激光雷达，是向空中照射特定波长的激光来观测所产生的散射光的气象观测激光雷达，其特征在于，
所述气象观测用激光雷达具备：
光学系统，其向空中照射激光；
防尘部，其使所述光学系统的收纳空间清洁；以及
温度稳定化部，其将所述光学系统的收纳空间中的温度以及温度变动率调整为规定的范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气象观测用激光雷达，其特征在于，所述特定波长为200～280nm。
5.根据权利要求2或3所述的气象观测用激光雷达，其特征在于，所述光学系统和所述温度稳定化部以热分离的方式构成。
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