CN112840188A - 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，通过专门去除弹性散射光，而不去除旋转拉曼散射光地进行检测，能够以高精度实施气象观测。实施方式的气象观测激光雷达是观测激光的散射光的气象观测激光雷达，具备：衍射光栅(208)，其根据散射光所包含的旋转拉曼散射光的波长使旋转拉曼散射光衍射；检测器(222)，其对衍射后的旋转拉曼散射光进行检测；以及去除元件(212)，其专门去除散射光所包含的特定波长的弹性散射光。

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。
近年来，作为用于观测上空的气温分布、水蒸气浓度、风向/风速的观测手段而使用激光雷达。例如，测量风向/风速的激光雷达作为多普勒激光雷达而被产品化，在风力发电站的建设时用于进行风况调查等。
另一方面，作为测量上空的气温分布、水蒸气浓度的观测装置，拉曼激光雷达受到关注。拉曼激光雷达是向上空照射某一波长的激光并测定基于大气分子的拉曼散射光的观测装置。例如，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。因此，根据上述拉曼激光雷达，能够不受太阳光的影响，即使在白天也能够进行气象观测。
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
在此，在拉曼激光雷达中，在将旋转拉曼散射光作为测定对象的情况下，旋转拉曼散射光是不受拉曼效应而散射的光，与同时观测到的弹性散射光(米氏散射光等)相比，非常弱，为10-7以下。另外，由于旋转拉曼散射光的波长与弹性散射光的波长相比只有1nm以下的波长的差而非常接近，因此难以分离旋转拉曼散射光和弹性散射光。
在当前产品化的拉曼激光雷达中，在利用衍射光栅对散射光进行分光之后，利用反射镜等光学单元去除包含弹性散射光的波长较长的区域的旋转拉曼散射光，取出两个波长较短的区域的旋转拉曼散射光来检测两者的强度比，从而得到气温等的气象观测信息。
但是，在这样的方法中，由于仅利用原本只有微弱的散射光的旋转拉曼散射光的一部分，因此在检测相邻或接近的波长的检测器的输出信号中产生串扰，因此存在测定精度不高的问题。
因此，在实施方式中，目的在于提供一种测定精度高的气象观测用激光雷达。
用于解决问题的手段
一个方式所涉及的气象观测用激光雷达是观测激光的散射光的气象观测激光雷达，具备：衍射光栅，其使散射光所包含的旋转拉曼散射光衍射；检测器，其对衍射后的所述旋转拉曼散射光进行检测；以及去除元件，其专门去除所述散射光所包含的弹性散射光。
发明效果
根据上述方式，由于专门去除弹性散射光，而不去除旋转拉曼散射光地进行检测，因此能够以高精度实施气象观测。
附图说明
图1是实施方式中的气象观测用激光雷达的结构图。
图2是实施方式1中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图3是实施方式2中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图4是实施方式3中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图5是实施方式4中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图6是实施方式5中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图7是实施方式6中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图8是实施方式7中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图9是实施方式8中的气象观测用激光雷达的气温测定用的分光部的结构图。
图10是表示旋转拉曼散射光的波长分布的图，图10中的(a)是表示以往的检出波长的图，图10中的(b)是表示实施方式的检出波长的图。
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)。
(基本结构)
首先，对在以后的实施方式中共通的基本结构进行说明。图1表示本实施方式中的气象观测激光雷达的基本结构。如图1所示，本实施方式的气象观测激光雷达100大致具备发送装置1和接收装置2。本实施方式特别涉及接收装置2的详细情况。
如图1所示，发送装置1主要具备激光装置10、反射镜12、扩束器14。发送装置1具备作为用于向上空射出激光的光射出单元的功能，该激光具有紫外线区域的波长。
激光装置10是通过2倍波晶体、4倍波晶体等光学元件的组合来射出规定的紫外线、例如波长266nm的激光光束的光射出单元。该激光的波长选择如下的波长：若照射到想要测定的大气中的成分，例如水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子、氧(O2)分子上，则产生基于拉曼效应的旋转拉曼散射光。反射镜12是将输出的激光光束的方向向上方反射的光学元件。扩束器14是将作为相干的平行光入射的激光光束的直径放大并作为射出光Lo输出的光学元件。
发送装置1也可以具备将包含激光的光路的一部分或整体的空间的尘埃度保持为一定以下的精密空调机。通过具备精密空调机，能够抑制光学部件的损伤，提高耐久性。另外，发送装置1也可以具备将光学部件以及周边的空间的温度变化保持为一定以下的温度调节机构。通过防止光学系统的急剧的温度变动，也能够抑制光学部件的损伤，提高耐久性。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，但通过具备上述结构，能实现该区域中的稳定运转。
接收装置2具备望远镜20、光圈22、分光部24以及信号处理部26。通过上述发送装置1向上空射出的射出光Lo被照射到大气中的成分，例如水蒸气(H2O)分子、氮(N2)分子、氧(O2)分子上，由此产生基于拉曼效应的旋转拉曼散射光，其一部分作为入射光Li入射到气象观测激光雷达100。该接收装置2具备作为检测该入射光Li所包含的旋转拉曼散射光的散射光检测单元的功能。
望远镜20使入射光Li入射而使光束会聚。光圈22使会聚后的入射光Li通过而去除不需要的光成分。
分光部24涉及本发明，从入射光Li对旋转拉曼散射光进行分光并检测，输出检测信号。在全部的实施方式中作为共通光学要素，分光部24具备使散射光所包含的旋转拉曼散射光衍射的衍射光栅、检测衍射后的旋转拉曼散射光的检测器、以及专门去除散射光所包含的弹性散射光的去除元件。关于具体的结构，使用图2以后的图在实施方式1以后详细说明。
信号处理部26输入通过检测旋转拉曼散射光而得到的检测信号并进行解析，基于多个波长的旋转拉曼散射光的强度，求出产生拉曼效应的上空的大气的成分、温度。
(实施方式1)
实施方式1特别涉及具备作为上述去除元件而配置于衍射元件的后段、并去除衍射后的散射光中的弹性散射光的狭缝的例子。
图2表示实施方式1中的气象观测激光雷达100的分光部24的结构。如图2所示，实施方式1的分光器24具备入射透镜202、第一狭缝204、凹面镜206、第一衍射光栅208、凹面镜210、第二狭缝212、反射镜214、凹面镜216、第二衍射光栅218、凹面镜220以及检测器220。作为上述共通光学要素，第一衍射光栅208以及第二衍射光栅218相当于上述衍射光栅，第二狭缝212相当于上述去除元件，检测器222相当于上述检测器。
入射透镜202使入射到分光器24的入射光Li会聚。第一狭缝204从会聚后的入射光Li中去除不需要的成分。凹面镜206将通过了第一狭缝204的扩散后的入射光Li转换为平行光。
第一衍射光栅208产生与成为平行光而在入射光Li中所包含的旋转拉曼散射光的波长对应的衍射。从第一衍射光栅208输出的衍射光包括旋转拉曼散射光Lr和弹性散射光Le。由于弹性散射光Le不产生拉曼效应，所以具有与从发送装置1输出的射出光Lo相同的波长。如图10所示，通过产生拉曼效应，旋转拉曼散射光Lr包含由相对于射出光Lo的波长稍短的多个波长构成的旋转拉曼散射光和由相对于射出光Lo的波长稍长的多个波长构成的旋转拉曼散射光。因此，来自第一衍射光栅208的衍射光以具有与射出光Lo相同的波长的弹性散射光Le为中心，成为分散于波长短的区域和波长长的区域的旋转拉曼散射光的束。
凹面镜210改变衍射光的方向而使其适当地入射到第二狭缝212。第二狭缝212专门去除入射的衍射光中的弹性散射光Le，使剩余的旋转拉曼散射光Lr反射。反射镜214使来自第二狭缝212的衍射光反射。凹面镜216使由反射镜214反射的衍射光作为平行光入射到第二衍射光218。第二衍射光栅218根据波长使再次入射的衍射光衍射。凹面镜220使来自第二衍射光栅218的衍射光会聚于检测器22。
检测器220优选构成为阵列型检测器，以便能够检测到根据波长而入射到不同位置的各个旋转拉曼散射光。检测出的旋转拉曼散射光作为检测信号被输出。
在以往的气象观测激光雷达中，为了去除以如图10中的(a)所示那样的频谱入射的入射光Li中的、具有与射出的射出光Lo相同的波长的弹性散射光Le，除了弹性散射光Le之外，还去除包含由相对于弹性散射光Le的波长不同的多个波长构成的旋转拉曼散射光的宽范围的散射光，仅检测具有相对于弹性散射光Le的波长稍短的两个波长λ1以及λ2的旋转拉曼散射光。关于这一点，根据本实施方式1，通过使用狭缝作为去除元件，如图10中的(b)所示，专门去除弹性散射光Le，还检测由相对于弹性散射光Le的波长较短的其他多个波长以及相对于断线散射光Le较长的多个波长构成的宽范围的旋转拉曼散射光。因此，能够基于多个旋转拉曼散射光输出高精度的检测信号。
(实施方式2)
实施方式2特别是在还具备从散射光使上述弹性散射光衰减的检偏振器这一点上与上述实施方式1不同。
图3表示实施方式3中的气象观测激光雷达100的分光部24b的结构。如图3所示，实施方式2的分光器24b在入射透镜202的前段具备检偏振器201。另外，代替第二狭缝212而配置反射镜211。其他的构成要素与上述实施方式1相同，标注相同的附图标记并省略其说明。
检偏振器201具有从入射的散射光、即入射光Li使弹性散射光Le衰减的功能。作为检偏振器201，能够应用偏振器、双折射晶体等公知的光学元件。
通常，作为被测定光的旋转拉曼散射光的退偏度为数十％，与此相对，弹性散射光的退偏度为1％以下。因此，根据本实施方式2，设置检偏振器201以使弹性散射光消光，因此能够更有效地抑制弹性散射光。本实施方式的检偏振器在以后的实施方式中也能够同样地应用。
(实施方式3)
实施方式3特别是在使用陷波滤波器作为去除元件这一点上与上述实施方式不同。
图4表示实施方式3中的气象观测激光雷达100的分光部24c的结构。如图4所示，实施方式3的分光器24c在第一衍射光栅208的前段具备陷波滤波器207。其他的构成要素与上述实施方式1相同，标注相同的附图标记并省略其说明。作为上述共通光学要素，第一衍射光栅208以及第二衍射光栅218相当于上述衍射光栅，陷波滤波器207相当于上述去除元件，检测器222相当于上述检测器。
陷波滤波器207是具有阻止或抑制特定波长的光、在此为弹性散射光Le的通过的滤波器功能的光学元件，能够应用公知的陷波滤波器。
根据本实施方式3，通过使用陷波滤波器作为去除元件，能够专门去除弹性散射光Le，输出高精度的检测信号。此外，根据陷波滤波器207的性能，如图4所示，有时未完全去除的残留弹性散射光Ler入射到检测器222。但是，这样的残留弹性散射光Ler能够通过在实施方式7中后述的掩模或在实施方式8中后述的陷波滤波器而被阻断或衰减、阻止或抑制。
(实施方式4)
实施方式4特别是在使用带通滤波器作为去除元件这一点上与上述实施方式不同。
图5表示实施方式4中的气象观测激光雷达100的分光部24d的结构。如图5所示，实施方式4的分光器24d在第一衍射光栅208的前段具备带通滤波器209。其他的构成要素与上述实施方式1相同，标注相同的附图标记并省略其说明。但是，在实施方式1的构成要素中，删除了凹面镜210、第二狭缝212、反射镜214、凹面镜216。作为上述共通光学要素，第一衍射光栅208以及第二衍射光栅218相当于上述衍射光栅，带通滤波器209相当于上述去除元件，检测器222相当于上述检测器。
根据本实施方式4，通过使用带通滤波器作为去除元件，能够专门去除弹性散射光Le，输出高精度的检测信号。进一步地，即使省略反射镜、凹面镜这样的几个光学要素，也能够实现与上述实施方式相同的功能。此外，根据带通滤波器209的性能，如图5所示，有时未完全去除的残留弹性散射光Ler入射到检测器222。但是，这样的残留弹性散射光Ler能够通过在实施方式7中后述的掩模或在实施方式8中后述的陷波滤波器而被阻断或衰减、阻止或抑制。
(实施方式5)
实施方式5特别涉及使用陷波滤波器作为去除元件的变形例。
图6表示实施方式5中的气象观测激光雷达100的分光部24e的结构。如图6所示，实施方式5的分光器24e在第一衍射光栅208的前段具备陷波滤波器207这一点上与实施方式3相同，但删除了第一电路光栅208以后的构成要素中的凹面镜210、反射镜211、反射镜214、凹面镜216、第二衍射光栅218。作为上述共通光学要素，第一衍射光栅208相当于上述衍射光栅，陷波滤波器207相当于上述去除元件，检测器222相当于上述检测器。
根据本实施方式5，通过使用陷波滤波器作为去除元件，能够专门去除弹性散射光Le，输出高精度的检测信号。进一步地，即使省略反射镜、凹面镜这样的几个光学要素，也能够实现与上述实施方式相同的功能。此外，根据陷波滤波器207的性能，如图6所示，有时未完全去除的残留弹性散射光Ler入射到检测器222。但是，这样的残留弹性散射光Ler能够通过在实施方式7中后述的掩模或在实施方式8中后述的陷波滤波器而被阻断或衰减、阻止或抑制。
(实施方式6)
实施方式6特别涉及使用带通滤波器作为去除元件的变形例。
图7表示实施方式6中的气象观测激光雷达100的分光部24f的结构。如图7所示，实施方式6的分光器24f在第一衍射光栅208的前段具备带通滤波器209这一点上与实施方式4相同，但在第一电路光栅208以后的构成要素中，代替第二衍射光栅218而配置有反射镜217这一点上与实施方式4不同。作为上述共通光学要素，第一衍射光栅208相当于上述衍射光栅，带通滤波器209相当于上述去除元件，检测器222相当于上述检测器。
此外，也可以将上述实施方式5中说明的陷波滤波器与该实施方式的带通滤波器组合使用。
根据本实施方式6，通过使用带通滤波器作为去除元件，能够专门去除弹性散射光Le，输出高精度的检测信号。进一步地，即使省略追加的第二衍射光栅，也能够实现与上述实施方式同样的功能。此外，根据带通滤波器209的性能，如图4所示，有时未完全去除的残留弹性散射光Ler入射到检测器222。但是，这样的残留弹性散射光Ler能够通过在实施方式7中后述的掩模或在实施方式8中后述的陷波滤波器而被阻断或衰减、阻止或抑制。
(实施方式7)
实施方式7特别是在具备掩模这一点上与上述实施方式不同。
图8表示实施方式7中的气象观测激光雷达100的分光部24g的结构。如图8所示，分光器24g在检测器222的入射面具备掩模224这一点上与上述实施方式不同。在图8中，省略了凹面镜220的前段的结构的图示，能够适当地应用上述实施方式的各结构。
掩模224是使入射到检测器222的检测光中残留的弹性散射光Le阻断或衰减的遮光单元。能够将具有遮光功能的公知的材料应用于掩模224。
由于旋转拉曼散射光Lr需要针对其每个波长获取强度，因此优选在检测器222中使用阵列检测器。通过在上述各实施方式中说明的分光部24，能够到检测器222的前段为止地以相当程度去除弹性散射光，但根据光学元件的性能，弹性散射光Le以一定的比例到达检测器222。这样残留的弹性散射光Le在阵列检测器中也混入到相邻的旋转拉曼信号的各个检测元件中，因此成为噪声。
关于这一点，根据本实施方式7，由于在与阵列检测器的弹性散射光相当的部位设置了掩模224，因此能够减轻残留的弹性散射光的影响，进而输出高精度的检测信号。
(实施方式8)
实施方式8在代替掩模而具备陷波滤波器这一点上与上述实施方式7不同。
图9表示实施方式8中的气象观测激光雷达100的分光部24h的结构。如图9所示，分光器24h在检测器222的入射面具备陷波滤波器226这一点上与上述实施方式7不同。在图9中，省略了凹面镜220的前段的结构的图示，能够适当地应用上述实施方式的各结构。
陷波滤波器226是阻止或抑制在入射到检测器222的检测光中残留的弹性散射光Le的通过的过滤单元。能够将具有过滤功能的公知的材料应用于陷波滤波器226。
根据本实施方式8，由于在检测器222的紧跟的前方设置陷波滤波器226，因此能够减轻残留的弹性散射光的影响，进而输出高精度的检测信号。
(其他变形例)
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。
另外，激光的波长优选为266nm，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。作为长的波长的例子，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。
附图标记说明
1：发送装置；2：接收装置；24、24b～24h：分光器24；201：检偏振器；202：入射透镜；204：第一狭缝；204、206、210、216、220：凹面镜；207、226：陷波滤波器；208：第一衍射光栅；208、209：带通滤波器；211、214、217：反射镜；212：第二狭缝；218：第二衍射光栅；222：检测器；224：掩模；100：气象观测激光雷达。

Claims (11)

1.一种气象观测激光雷达，是观测激光的散射光的气象观测激光雷达，其特征在于，
所述气象观测激光雷达具备：
衍射光栅，其使散射光所包含的旋转拉曼散射光衍射；
检测器，其对衍射后的所述旋转拉曼散射光进行检测；以及
去除元件，其专门去除所述散射光所包含的弹性散射光。
2.根据权利要求1所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述去除元件为配置于所述衍射光栅的后段的狭缝，且为去除衍射后的所述散射光中的所述弹性散射光的狭缝。
3.根据权利要求1或2所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述去除元件为配置于所述衍射光栅的前段的陷波滤波器，且为对所述散射光中的所述弹性散射光的通过进行阻止或抑制的陷波滤波器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述去除元件为配置于所述衍射光栅的前段的带通滤波器，且为对所述散射光中的所述弹性散射光的反射进行阻止或抑制的带通滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达还具备从所述散射光使所述弹性散射光衰减的检偏振器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达还具备将通过所述衍射光栅衍射后的衍射光进一步衍射的追加衍射光栅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述检测器为阵列型检测器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达还具备使入射到所述检测器的检测光中残留的所述弹性散射光阻断或衰减的掩模。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达还具备对入射到所述检测器的检测光中残留的所述弹性散射光的通过进行阻止或抑制的陷波滤波器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达沿光路具备一个以上的凹面镜。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气象观测激光雷达，其特征在于，所述气象观测激光雷达沿光路具备一个以上的平面镜。
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