CN1313837C - 气象观测激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种根据对于向观测对象发射的激光观测光，进行激光雷达(lidar)观测的气象观测激光雷达系统，包括：分光器，将前述观测光分光为前述激光的波长范围的光和前述激光的波长范围以外的波长范围的光；第1光检测部件，在前述被分光的前述激光的波长范围的光中，检测透过第1滤光器的第1频率分量的光；第2光检测部件，在前述被分光的前述激光的波长范围的光中，检测透过第2滤光器的第2频率分量的光；第3光检测部件，检测前述被分光的前述激光的波长范围的光；第4光检测部件，检测前述被分光的前述激光的波长范围以外的波长范围的光。

Description

气象观测激光雷达系统

技术领域

本发明涉及气象观测系统和使用该气象观测系统的气象观测方法，特别涉及利用激光雷达的气象观测系统(气象观测激光雷达系统)和使用该系统进行气象观测的方法以及气象观测激光雷达分析方法。

背景技术

激光雷达(LIDAR；Light Detection and Ranging)，是向观测区域的大气中照射短脉冲的激光，通过将其散射光作为激光雷达信号进行检测、分析，观测大气的状态的技术。在用于激光雷达的激光中，一般使用Nd:YAG激光。在由于激光的照射产生的散射的种类中，有由浮游粉尘(浮游粒子状物质)造成的米氏散射，由大气结构分子造成的瑞利散射和拉曼散射，利用这些散射可以分析大气温度和浮游粉尘的空间分布、大气密度、大气成分的浓度分布等的观测要素。这样的分析具体来说是通过解表现了激光雷达信号的称为激光雷达方程式的式子来进行的。

米氏散射是由与被照射的激光的波长相当程度大小的物质引起的散射现象。另外，瑞利散射是由比被照射的激光的波长小的物质引起的散射现象。来自存在浮游粉尘的观测区域的激光雷达信号中，米氏散射信号分量和瑞利散射信号分量重叠，为了在瑞利散射激光雷达中进行高精度的观测，需要有效地分离或遮挡(分光)米氏散射信号分量。在对米氏散射信号分量进行分光的方法中，使用作为已知具有高遮挡率的滤光器的碘吸收滤光器。使用碘吸收滤光器的分光方法，是为了使照射激光的波长与特定的碘气体的吸收谱线吻合，在扫描激光的波长后，向大气中照射该激光，将该激光雷达信号引导至碘吸收滤光器的方法。由此，在激光雷达信号中包含的米氏散射信号分量由碘吸收滤光器吸收，仅有瑞利散射信号分量通过。

另外，如果向物质中照射激光，可以观测到与入射光不同波长的散射光。这被称之为拉曼散射。拉曼散射激光雷达在对大气温度的观测和水蒸气分布的观测上很有效。例如，在分析大气的温度时，使用氮分子等的振动拉曼散射求出大气密度，由与瑞利散射激光雷达同样的分析求出，并且由旋转拉曼散射的光谱的强度分布求出。另外，在分析水蒸气分布时，同时分析构成水蒸气的水分子和构成大气的氮分子的振动拉曼散射，校正大气密度的衰减率，由氮分子的平均密度的高度分布求出水蒸气分布。

为了使用瑞利散射激光雷达进行高精度的观测，需要将重叠的米氏散射信号分量和瑞利散射信号分量有效地分光。在高度30km以上的同温层中，基本是由构成大气的分子产生的瑞利散射，所以可比较简单地进行检测，但是在对流层中，存在由浮游粉尘造成的强烈的米氏散射光，而且该散射强度也不均匀。因此为了进行瑞利散射激光雷达观测，在实际使用中，要求对米氏散射信号分量有几位数的遮挡率。

另一方面，在使用碘吸收滤光器的方法中，该吸收滤光器的透过性的不稳定性成为大问题。这主要是因为该吸收滤光器内的碘气体的密度分布不均匀，吸收频谱特性不稳定造成的。

而且，这样高遮挡率的滤光器，为了提高作为频谱分辨能力的目标的锐度，以高反射率的电介质多层膜涂覆。但是，如果以这样的涂覆来提高反射率，则滤光器的最大透过率降低，对于测试微弱的激光雷达信号的激光雷达观测成为致命的问题。

而且，现有的气象观测雷达系统，为了分析各种观测要素的状态，将适应各种观测要素的观测的激光作为各自的光源。即，现有的气象观测雷达系统，以一个激光作为光源，同时进行各种激光雷达观测，就不能分析各种观测要素的状态。例如，为求取水蒸气分布，使用差分吸收法和振动拉曼散射是有效的。然而，在前者的差分吸收法中，需要两个特殊波长的激光，这些激光就不能被用于其他的观测要素。而且，在后者的振动拉曼散射中，水蒸气的振动拉曼散射的强度比瑞利散射的强度约小三位数，因此为了提高观测系统的信号与噪声的比(S/N比)，就需要高输出激光和高灵敏度的光学望远镜，其结果是产生装置大型化，性价比降低的问题。另外，上述的使用碘吸收滤光器的分光方法中，Nd:YAG激光的第2高频分量(λ＝532nm)附近存在碘的吸收谱线，所以存在激光的波长在此受到限制的问题。

再有，在激光雷达观测中，因为在其光源中使用激光，所以需要慎重考虑对人体的安全性(眼安全特性)。因此在激光雷达观测中，一方面需要选择可以有效地观测上述各种散射现象的激光，另一方面需要开发考虑了眼安全特性的系统。

发明内容

在此，本发明的目的是为解决这样的课题，提出新的气象观测激光雷达系统和用其进行气象观测的方法。

更具体来说，本发明的第1目的是为了由瑞利散射激光雷达进行高精度的观测，实现将重叠的米氏散射信号分量和瑞利散射信号分量有效并且稳定的分离.遮挡的气象观测激光雷达系统。

而且，本发明的第2目的，是由一个激光同时进行各种激光雷达观测，实现可分析各种观测要素的状态的气象观测激光雷达系统。

再有，本发明的第3目的是在可高效的进行激光雷达观测的同时，实现考虑了眼安全特性的气象观测激光雷达系统。

用于解决上述课题的本发明是一种气象观测激光雷达系统，照射来自激光装置的具有规定的中心频率的脉冲状的激光，观测该反射光，包括：分光器，将观测到的反射光分光为所述激光的波长范围的光和所述激光的波长范围以外的波长范围的光；第1滤光器，在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，使以第1频率分量为中心的光选择性地透过；第1光检测部件，检测透过所述第1滤光器的所述第1频率分量的光；第2滤光器，在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，使以第2频率分量为中心的光选择性地透过；第2光检测部件，检测透过所述第2滤光器的所述第2频率分量的光；第3光检测部件，检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光；第4光检测部件，检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围以外的光。

在此，上述气象观测激光雷达系统具有可使得由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光至少两次通过所述第1滤光器结构。

再有，最好使应透过所述第1滤光器的第1中心频率分量，比应透过所述第2滤光器的第2中心频率分量设定在更接近所述激光的规定中心频率的位置。

更好的是使应透过所述第1滤光器的第1中心频率分量和应透过所述第2滤光器的第2中心频率分量分别设定在以频率位置为中心的两侧，其中该频率位置是根据规定的瑞利散射频谱函数的对于瑞利散射频谱中的温度变化，其频谱能量的变化量最小的频率位置。

具体来说，所述应透过的所述第1滤光器的第1中心频率设定为约1.0〔GHz〕，所述应透过的所述第2滤光器的第2中心频率设定为约3.5〔GHz〕。

另外，本发明的气象观测激光雷达系统还包括：监视装置，监视由所述激光装置发射的激光的输出；控制部件，根据所述监视装置监视的所述激光的输出，控制所述激光的输出，使得所述激光的中心频率一定。

在此，所述激光装置具有根据规定的施加电压将种子光源(seeder)光提供给连杆的种子光源；所述控制部件，控制对所述种子光源的施加电压。

而且，前述监视装置包括：第3滤光器，选择性地透过规定中心频率的光；第1光检测器，将从所述激光装置发射的激光作为第1监视信号检测；第2光检测器，将透过所述第3的滤光器的光作为第2监视信号检测；峰值检测部件，分别检测第1峰值和第2峰值，其中第1峰值是根据由所述第1光检测器检测出的第1监视信号来进行频谱分析得到的频谱能量，第2峰值是根据由所述第2光检测器检测出的第2监视信号来进行频谱分析得到的频谱能量。

再有，在将透过所述第3的滤光器的光的中心频率设为ν0，将透过所述第3的滤光器的光的频谱中的半光谱幅值设为Δν时，根据由所述峰值检测部件检测出的第1峰值和第2峰值，所述控制部件控制对所述种子光源的施加电压，使得所述激光的中心频率成为ν0+Δν/2。

而且，最好所述激光装置是Nd:YAG激光装置，具有由规定的光学原件取出生成的激光的第3高次谐波分量并发射的结构。

再有，本发明的气象观测激光雷达系统还包括：分析部件，根据分别由所述第1到第4光检测部件检测出的应答信号，进行规定的分析处理。

在此，根据分别由所述第1光检测部件和所述第3光检测部件检测出的应答信号，前述分析部件求浮游粉尘的分布状态。

另外，所述分析部件根据分别由所述第1光检测部件和所述第2光检测部件检测出的应答信号，根据规定的瑞利散射激光雷达方程式，求规定的应答函数和规定的气温计测灵敏度，根据所述求得的规定的应答函数和规定的气温计测灵敏度，求大气温度的分布状态。

另外，所述分析部件根据基于由所述第1光检测部件检测出的应答信号的规定的瑞利散射激光雷达方程式和基于由所述第4光检测部件检测出的应答信号的规定的拉曼散射激光雷达方程式，求水蒸气的分布状态。

再有，所述分析部件根据预先收集的噪声数据，校正所述应答信号。

在本说明书中，所谓“部件”并不单单是物理上的部件的含义，也包括通过软件(程序)在计算机中实现具有该部件的功能的情况。而且，也可以是通过2个以上的物理的部件实现1个部件具有的功能，和通过1个物理部件实现2个以上部件具有的功能。

另外，以上系统的发明，可以作为方法的发明进行掌握。而且可以将各部件作为通过程序在计算机中实现的各功能进行把握。

附图说明

图1是表示本发明的一实施例的气象观测激光雷达系统的基本结构的概略图。

图2是表示本发明的一实施例的频率监控装置的结构图。

图3是用于说明通过在实际的观测中使用的激光和滤光器得到的激光和频率频谱的关系的图。

图4是用于说明本发明的一实施例的分光系统的结构的图。

图5是用于说明本发明的一实施例的2重通过(pass)分光方式的图。

图6是用于说明本发明的一实施例的气象观测激光雷达系统的处理流程的流程图。

图7是用于说明对激光的中心频率进行初期调整处理的流程图。

图8是用于说明本发明的一实施例的气象观测激光雷达系统的处理流程的流程图。

图9是说明本发明的一实施例的浮游粉尘分布的分析处理的流程的流程图。

图10是说明本发明的一实施例的大气温度分布的分析处理的流程的流程图。

图11是说明本发明的一实施例的水蒸气分布的分析处理的流程的流程图。

具体实施方式

接着参照附图说明本发明的实施例。以下的实施例是用于说明本发明的示例，并没有将本发明仅限定于该实施例的含义。本发明在不脱离其宗旨的情况下，可以各种形式实施。

图1是表示本实施例的气象观测激光雷达系统的基本结构的概略图。本气象观测激光雷达系统由以下部分构成：发送系统1，产生适应于激光雷达观测的单一脉冲激光，向观测区域的大气中(观测对象)发射该激光；接收系统2，将从发送系统1发射的激光的反射光(散射光)作为应答信号(激光雷达信号)接收；分光系统3，将由接收系统2接收的应答信号各自分光为各种激光雷达观测所必需的应答信号并检测；控制/处理系统4，控制构成各系统的机器，同时根据由分光系统3检测的应答信号，对观测区域的各观测要素进行分析处理。在本实施例中，将大气温度、水蒸气量和浮游粉尘作为观测对象来观测。

发送系统1的核心的激光装置11是具有提供激光的种子光源12的Q切换Nd:YAG激光器。本例的激光装置11的平均输出功率的变动(输出功率的容许值)被抑制在±5％。而且激光装置11如后所述，具有对种子光源12控制来自外部的施加电压的反馈控制，因而可以产生稳定的振荡频率的激光。激光装置11由未图示的非线性光学元件取出所生成的高频率脉冲的激光的第3高次谐波分量(λ＝355nm)，以输出能量E0向外部射出。这样，在本实施例中，将考虑了眼安全特性的激光作为光源使用。

在由激光装置11射出的激光的光路上设置分光镜13。分光镜13将激光分光为用于激光雷达观测的主激光和用于对生成的激光的振荡频率进行稳定化控制的激光(以下称为“监视用激光”)。主激光通过光束扩展器14形成合适的束径后，从规定的位置向大气发射。另一方面，由分光镜13取出的监视用激光由光纤维引导到频率监控装置15。在频率监控装置15中设置高分辨能力的滤光器。频率监控装置15为了监视目前生成的激光的频率频谱，将被引导的监视用激光分为2通道(通过滤光器的和不通过滤光器的)，由未图示的2个光检测器分别检测，其检测结果被送到控制/处理系统4。在控制/处理系统4中，计算机16根据频率监控装置15送出的检测结果，控制对种子光源12的施加电压，使得激光的振荡周期频率稳定化。

接收系统2是将向大气发射的激光的反射光(散射光)聚光的反射望远镜。在本实施例中，使用对于有效径250mm，焦距3000mm，波长λ＝355nm反射率在90％以上的反射望远镜。由该反射望远镜聚光的观测光(应答信号)通过光纤维引导到分光系统3。

分光系统3构成为将从接收系统2通过光纤维导入的应答信号分别分光为各种激光雷达观测，即瑞利散射激光雷达、拉曼散射激光雷达和米氏散射激光雷达3种激光雷达观测所必需的信号，并可以检测。由分光系统3的各光检测部件(未图示)分别检测出的应答信号被发送到控制/处理系统4并被分析处理。由此，得到大气温度，水蒸气量和浮游粉尘的分布等。

控制/处理系统4以计算机16为中心，由显示器17，键盘18和打印机19等构成。在该计算机16中设置输入输出接口，计算机16通过该输入输出接口分别接收构成各系统的机器发出的信号，而且分别对机器输出控制信号。计算机16的基本作用是在对本气象观测激光雷达系统的总体的控制下，根据来自频率监控装置15的监视信号控制对种子光源12的施加电压，使得激光的振荡频率稳定化，以及根据来自分光系统3的各光检测部件的应答信号，分析大气的气温和水蒸气等的状态。

图2是表示本实施例的频率监控装置15的结构的图。如图所示，频率监控装置15包括作为高分辨能力滤光器的标准具(etalon)21。标准具21是结构为仅使特定的频率的整数倍光选择性的透过的滤光器。最好在标准具21中设置用于消除由于连续运转的温度变化引起的频率透过特性的不稳定性的温度控制器(未图示)。

通过光纤维导入频率监控装置15的监视用激光，进一步由内部的分光镜22分光。其中一路通过聚光透镜直接射入第1光检测器23a。第1光检测器23a是光电二极管(PD)，将入射的激光变换为第1电信号。变换后的第1电信号输入到峰值检测器24。另外，由分光镜22分光的另一路激光入射到标准具21，通过标准具21以后，通过聚光透镜入射到第2光检测器23b。光检测器23b也是光电二极管，由此变换的第2电信号被输入到峰值检测器24。

峰值检测器24在每个脉冲对输入的第1电信号和第2电信号分别检测功率的最大值(峰值)。检测出的第2电信号的最大值与标准具21的透过率函数成比例。由峰值检测器24检测出的各个峰值，在所述每个脉冲发送到计算机16。

这样，频率监控装置15具有分别对于实际观测中使用的激光和通过标准具21得到的激光，检测其峰值的2通路的结构。

计算机16根据输入的各个峰值，对种子光源12的施加电压进行反馈控制。即，利用由来自外部的施加电压可使种子光源12的中心频率变动的特性，如图3(a)所示，计算机16进行控制使得实际观测中使用的激光的中心频率靠近标准具21的透过频谱宽度的半光谱幅值的附近。在该图中，当将标准具21的透过频谱的中心频率设为ν0，其半值的全部宽度设为Δν时，计算机16控制激光的中心频率直到成为半值半宽度Δν/2。因此，实际观测中使用的激光中心频率为ν0+Δν/2。更具体来说，如该图的(b)所示，2个峰值比的变化率Si(Si＝dRi/dν)在激光的中心频率越靠近标准具21的透过频谱的半光谱幅值就越大，越远离就越小，在半光谱幅值时最大。在此，在本实施例中，计算机16控制对种子光源12的施加电压，使得2个峰值比的变化率Si的绝对值变为最大，控制使得实际观测中使用的激光的中心频率靠近标准具21的透过频谱宽度的半光谱幅值附近。

这样，从频率监控装置15得到的2个峰值的比仅依赖于标准具21的透过率的变化，而不依赖于激光的输出功率的变化，所以根据这些进行对种子光源12的反馈控制，可去除由激光装置11输出的激光的输出功率变动导致的对峰值的影响。

图4是用于说明本发明的一实施例的分光系统3的结构的图。分光系统3将一个观测光(应答信号)分光为用于各种激光雷达观测，即瑞利散射激光雷达、拉曼散射激光雷达和米氏散射激光雷达3种激光雷达观测所必需的光并检测。

从接收系统2发出的通过光纤维引导的观测光，通过透镜L1入射到衍射光栅41，将每个规定的波长的光反射到规定的方向。衍射光栅41的衍射光利用透镜L2将每个规定波长范围的光向规定的方向聚光，由反射镜M1和反射镜M2分别取出激光的波长范围的光和除此之外的波长范围的光。由反射镜M1取出的瑞利散射光、米氏散射光和355nm波长附近的背景光所重叠成的光，通过透镜L3入射到带通滤光器42，带通滤光器42将其中的背景光遮挡。带通滤光器42是在截止频谱分布广的背景光中使用的滤光器，一般来说，其透过频谱宽度设计得比标准具的透过频谱宽度广得多。通过带通滤光器42的光，在分光器BS1中被分为两路，其中一路光由分光器BS2进一步分离为两路。

由分光器BS2分离的光，分别入射到标准具44a和标准具44b。标准具44a和标准具44b是分别使不同频率的光选择性透过的滤光器。最好在标准具44a和标准具44b中设置用于消除由于连续运转引起的温度变化导致的频率透过特性的不稳定性的温度控制器(未图示)。

透过标准具44a的光的中心频率(以下称为“透过中心频率”)ν1设定为比标准具44b的透过中心频率ν2更靠近米氏散射频谱的中心频率ν0。最好如图5(a)所示，在根据依赖于温度的瑞利散射频谱函数的瑞利散射频谱(这形成高斯分布曲线。)中，以对于温度变化其频谱功率的变化量成为最小的频率f为中心，在其两侧设定标准具44a和标准具44b各自的透过中心频率ν1和ν2。

即，如图5(b)所示，根据依赖于温度的瑞利散射频谱函数的瑞利散射频谱，对于温度的变化以频率f作为大致的中心，形成表示逆变化特性的高斯分布曲线。具体来说，在大气温度在-50～30〔℃〕的范围内变化时，其频谱功率的变化量成为最小的频率f，成为瑞利散射频谱的半值半宽度(HWHM)约为1.7～1.95〔GHz〕的范围。在此，本实施例中，标准具44a中的透过光的中心频率ν1设定为1.0〔GHz〕，标准具44b中的透过光的中心频率ν2设定为3.5〔GHz〕。

从分光器BS2向标准具44a入射、通过这里的光由棱镜45偏转，不重合地再一次通过标准具44a。因此，标准具44a采用大口径的标准具，使得为了激光雷达观测而检测出的光可以不重合地至少通过2次。使成为检测出的光至少在标准具44a中通过2次的分光方式称为2重通过分光方式。

如上所述，因为标准具44a的通过中心频率ν1接近米氏散射频谱的中心频率，所以虽然标准具44a中光仅通过1次使米氏散射的遮挡率不足，但由于2重通过分光方式使米氏散射的遮挡率有飞跃地提高。

再次通过标准具44a的光，通过反射镜M3和透镜L4由第1光电倍增管(PMT)43a入射，变换为电信号。另外，从分光器BS2向标准具44b入射通过这里的光，通过透镜L5由第2光电倍增管43b入射，变换为电信号。

另外，由分光器BS1分离的一路光，通过透镜L6向第3光电倍增管43c入射，根据散射信号光子数变换为电信号。

在图4所示的衍射光栅41的衍射光中，通过透镜L2由反射镜M2取出的光，通过透镜L7向干涉滤光器46入射。通过干涉滤光器46的光，通过透镜L8向第4光电倍增管43d入射，变换为电信号。

由各个光电倍增管43a～43d检测出的应答信号被输入到计算机16，在A/D转换后，对每个观测要素适当选择使用，进行分析处理。

即，对按照高度区分的大气温度，计算机16根据由标准具44a和标准具44b分别分光的2通道的应答信号，通过解瑞利散射激光雷达方程式求出。而且，对于按照高度区分的水蒸气量，计算机16根据由衍射光栅41和干涉滤光器46分光的1通道的应答信号和由标准具44a分光的1通道的瑞利散射应答信号，解振动拉曼散射激光雷达方程式。另外，对于按照高度区分的浮游粉尘，计算机16根据由衍射光栅41分光的1通道的应答信号和由标准具44a分光的1通道的应答信号，解米氏散射激光雷达方程式。

更具体来说，可按下面那样求出大气温度、水蒸气量和浮游粉尘的状态。

即，按照一般的激光雷达方程式，以下式表示相当于光电倍增管43的栅极时间的散射信号光子数N(z)

$N\left(z\right)=\left(\frac{K}{z^2}\right)\mathrm{q\β}\left(z\right)f_d\exp (-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(1\right)$

$K=\left(\frac{E_0}{\mathrm{hv}}\right)\mathrm{A\ΔzY}\left(z\right)---\left(2\right)$

在此，

E₀：激光装置的输出功率

Y(z)：距离z中接收发送光学系统的视野的重叠函数

q：对应的通道的效率(光学系统的效率×PMT的量子效率)

α(z)：大气的消散系数

β(z)：体积后方散射系数(散射体密度和散射断面积的函数)

f_d：滤光器的透过函数

A：接收系统的开口面积

Z：高度

Δz：高度分辨能力

h：普郎克常数

ν：振动数

其中，除了大气的消散系数α(z)和体积后方散射系数β(z)以外的参数是系统提供的已知值。

由光电倍增管43a～43d检测出的瑞利散射光、米氏散射光和振动拉曼散射光，分别以下面那样的激光雷达方程式表示。

首先，为光电倍增管43a和43b的瑞利散射通道的接收光子数N₁(z)和N₂(z)以下式表示：

$N_i\left(z\right)=\left(\frac{K}{z^2}\right)q_i{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)f_i(T,P)\exp (-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz})$ i＝1，2                  …(3)

f_i(T，P)＝∫R(v，T，P)F_i(v)B(v)dv           …(4)

R(ν，T，P)：瑞利散射频谱函数(T：大气温度、P：气压)

F_i：各浮游粉尘的透过频谱函数

B(ν)：带通滤光器的透过频谱函数

β_m(z)：大气分子的散射系数

其中，各浮游粉尘的透过频谱函数F_i和带通滤光器的透过频谱函数B(ν)是系统给出的已知值。

另外，为光电倍增管43c的能量通道的接收光子数N₃(z)以下式表示：

$N_3\left(z\right)=\frac{K}{z^2}{q}_3({\mathrm{\β}}_m\left(z\right)+{\mathrm{\β}}_0\left(z\right))\exp (-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(5\right)$

β_a(z)：浮游粉尘的散射系数

再有，为光电倍增管43d的水蒸气拉曼散射通道的接收光子数N₄(z)可以用下式表示：

$N_4\left(z\right)=\frac{K}{z^2}{q}_4{\mathrm{\β}}_{H_{2}O}\left(z\right)\exp (-{\∫}_0^z({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}0}\left(z\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λH}}_{2}O}\left(z\right))\mathrm{dz})---\left(6\right)$

β_H2O(z)：水蒸气的散射系数。

在米氏散射和瑞利散射中的散射系数，如下面那样导出。即，由式3和式5米氏散射和瑞利散射的散射比S(z)以下式表示：

$S\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_a\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)}=\frac{q_1{f}_1{N}_3\left(z\right)-q_3{N}_1\left(z\right)}{q_3{N}_1\left(z\right)}---\left(7\right)$

$\frac{{\mathrm{\α}}_m\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)}=\frac{8\mathrm{\π}}{3}---\left(8\right)$

如果将该式8代入i＝1时的式3，则瑞利散射中的大气分子的散射系数β_m(z)成为下式：

${\mathrm{\β}}_m\left(z\right)=\frac{N_1\left(z\right)z^2}{K{q}_1{f}_1}{[1-\frac{16\mathrm{\π}}{3K{q}_1{f}_1}{\∫}_0^z{N}_1\left(z\right)z^2\mathrm{dz}]}^{-1}---\left(9\right)$

而且，如果将由此式得到的β_m(z)代入式7，则米氏散射中的浮游粉尘的散射系数β_a(z)成为下式：

${\mathrm{\β}}_a\left(z\right)=\frac{q_1{f}_1{N}_3\left(z\right)-q_3{N}_1\left(z\right)}{q_3{N}_1\left(z\right)}{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)---\left(10\right)$

其中：f1：由系统的校正得到的参数

根据这样得到的激光雷达方程式，可如下导出大气温度。首先，应答函数R_s和气温计测灵敏度S_T以下式表示：

$R_s(z,T,P)=\frac{a\·N_1(z,T)-N_2(z,T)}{N_1(z,T)+N_2(z,T)}---\left(11\right)$

$S_T=\frac{1}{R_s}\frac{{\∂R}_s}{\∂T}---\left(12\right)$

a：标准具44a和44b对米氏散射分量的透过率的比，是由系统的校正得到的参数。

这样，在本实施例中，由具有相互逆变化特性的散射信号光子数N₁和散射信号光子数N₂的差分求出应答函数R_s，所以可以使系统的S/N比增大，而且可以使米氏散射的遮挡率进一步提高。也可以使气温观测灵敏度Sr随之增大。

另外，大气的绝对气温T(z)成为下式：

$T\left(z\right)=T\left(z_0\right)+\frac{R_s\left(z\right)-R_s\left(z_0\right)}{S_T}---\left(13\right)$

在此，T(z₀)是基准温度(高度z₀中的气温)。

另外，应答函数R_s和气温计测灵敏度S_T最好根据由其他的计测计(例如使用气球的无线电探空仪)进行的校正实验得到的数据进行校正。

另外，水蒸气密度的高度分布如下导出。即，由与水蒸气的振动拉曼散射相关的式6和与大气分子的瑞利散射相关的式3，通过求出2个通道的输出比，得出下式：

$\frac{N_1\left(z\right)}{N_4\left(z\right)}=\frac{q_1{f}_1{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)}{q_4{\mathrm{\β}}_{H_{2}O}\left(z\right)}\exp [-{\∫}_0^z({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}0}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{H_{2}O}\left(z\right))\mathrm{dz}]---\left(14\right)$

而且，由于可以假定α_λ0和α_H2O(z)基本相等，所以水蒸气的散射系数β_H2O成为下式：

${\mathrm{\β}}_{H_{2}O}\left(z\right)=\frac{q_1{f}_1{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)}{q_4}\frac{N_4\left(z\right)}{N_1\left(z\right)}---\left(15\right)$

而且，水蒸气密度的高度分布n_H2O(z)成为下式：

$n_{H_{2}O}\left(z\right)=\frac{q_1}{q_4}{f}_1{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)\frac{N_4\left(z\right)}{N_1\left(z\right)}/{\left(\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{d\Ω}}\right)}_{H_{2}O}---\left(16\right)$

这样，在本实施例中，通过解大气分子的瑞利散射激光雷达方程式(式3)之外，还解水蒸气的拉曼散射激光雷达方程式(式6)，可以求出水蒸气密度的高度分布。因此，与过去的水蒸气拉曼散射激光雷达中必需利用氮分子的振动拉曼散射的情况相比，本实施例通过利用高输出的瑞利散射，可以进行高精度并且长距离的持久观测。

接着，参照图6～图8所示的流程图，说明如上那样构成的气象观测激光雷达系统的处理流程。

使用本气象观测激光雷达系统的气象观测，可分为准备.观测处理的阶段和分析处理收集的观测数据的阶段。图6用由于说明气象观测激光雷达系统中准备.观测处理的流程图。

如果向气象观测激光雷达系统中接通电源，各机器开始工作。这时，最好给在激光装置11和各机器中设置的温度调节器充分的预热。接通电源的计算机16，首先受理计测高度、分辨能力、抽样时间、累积次数、对光电倍增管43的施加电压等的计测条件的设定(STEP601)。接着，计算机16进行激光装置11的激光的中心频率和标准具21的透过中心频率的初期调整(STEP602)。

图7是用于说明激光装置11的激光的中心频率和标准具21的透过中心频率的调整处理的流程图。计算机16收集由激光装置11发射激光时的第1光检测器23a和23b的输出电压V_i，计算其平均值(STEP701)。在此，将激光发射100次的输出电压V_i的平均值作为求出的值。接着，计算机16计算光检测器23a和光检测器23b的输出电压比R_i(STEP702)，计算对种子光源12的偏移电压ΔV(STEP703)。偏移电压ΔV以下式求出：

ΔV＝ΔV0+δV这里，ΔV0是对种子光源12的初期施加电压，δV是相对于种子光源12的漂移电压，δV＜＜ΔV0。另外，接通电源以后，偏移电压ΔV为ΔV0。

计算机16累计例如100次发射的光检测器23a和23b的输出电压V_i+1(STEP704)，算出光检测器23a和光检测器23b的输出电压比R_i+1(STEP705)。接着计算机16计算输出电功率比的变化率S_i(STEP706)。输出电功率比的变化率S_i以下式求出：

$S_i=\left|\frac{R_{i+1}-R_i}{\mathrm{\δV}}\right|---\left(17\right)$

进一步计算现在得到的电压比的变化率R_i和由标准具21的透过特性的结构得到的设定变化率S0之间的差分，判断该差分值是否实质上为0，即是否收敛到规定的容许值以内(STEP707)。具体来说，计算机16判断现在得到的输出电压比的变化率S_i和由结构得到的设定变化率S0之间的差分是否在5％以下。计算机16在判断没有收敛到5％以内时，接着判断输出电压比R_i+1和输出电压比R_i哪一个大(STEP708)。

计算机16在判断输出电压比Ri+1大时(STEP708的“是”)，将输出电压比Ri作为输出电压比Ri+1(STEP709)，使现在的偏移电压ΔV仅提高δV，并返回STEP703。另一方面，在判断输出电压比Ri+1小时(STEP708的“否”)，计算机16将现在的偏移电压ΔV仅下调δV(STEP710)，并返回STEP704。

如上所述，计算机16进行对种子光源12的偏移电压ΔV的初期调整直至收敛到系统的容许值内以后，系统的计测开始运转。计算机16在系统的运转中，稳定地施加对种子光源12一定的偏移电压ΔV。

计算机16在结束激光的中心频率的初期调整时，关断激光(STEP603)，开始接收4通道来自各光电倍增管43a～43d的信号，并将其作为噪声数据存储(STEP604)。所谓激光的关断，是虽然激光仍然发射，但它并不向观测对象发射的状态。这是为了接收系统中潜在的暗电流和背景光，将其用于噪声的降低处理。

这样收集、存储了噪声数据后，计算机16向观测对象实际照射激光(STEP605)，一边计时一边接收来自4通道的各光电倍增管43a～43d的信号，并将其作为观测数据存储起来(STEP606)。即，该观测数据是作为时间-电功率表现的数据列。

在收集、存储了必需的观测数据以后，计算机16根据先前收集、存储的噪声数据，对观测数据进行降低噪声的处理(图8的STEP801)。在本例中，计算机16计算噪声数据和观测数据之间的差分。接着，计算机16根据高度分辨能力进行数据的平滑化处理(STEP802)。在本例中，计算机16在将收集、存储的时间轴区域的观测数据由光速c变换为高度轴区域的数据以后，计算按照规定的采样间隔平滑重叠的数据个数，进一步通过使用移动平均法，使作为高度-电功率波形的数据平滑化。接着，计算机16校正Y(z)和z²(STEP803)，在此，Y(z)是距离z中发送接收系统的视野的重叠函数。

在准备了由激光雷达方程式进行分析所必需的数据的阶段，计算机16在进行了浮游粉尘分析处理(STEP804)，大气温度分析处理(STEP805)后，进行水蒸气分析处理(STEP806)。

图9是说明浮游粉尘分布的分析处理的流程的流程图。如图所示，计算机16读出由光电倍增管43a和43c收集的观测数据(STEP901)。计算机16算出瑞利散射中的散射系数β_m(z)(STEP902)，同时使用大气分子的散射断面积的平均值，算出平均大气分子密度n(STEP903)。接着，计算机16在对大气的消散系数α(z)进行校正处理以后(STEP904)，算出米氏散射中的散射系数βa(z)(STEP905)，将算出的瑞利散射中的散射系数β_m(z)、米氏散射中的散射系数βa(z)和平均大气分子密度n作为分析结果输出(STEP906)。

图10是说明大气温度分布的分析处理的流程的流程图。计算机16读出由光电倍增管43a和43b从瑞利散射通道收集、存储的数据(STEP1001)，对其进行用于遮挡米氏散射的影响的校正(STEP1002)。接着计算机16在求取应答函数ΔRS和R_S以后(STEP1003)，求取大气温度T和ΔT，并将其作为分析结果输出(STEP1004)。

图11是说明水蒸气分布的分析处理的流程的流程图。计算机16读出由光电倍增管43d从拉曼散射通道收集、存储的数据(STEP1101)，对其进行系统参数的校正(STEP1102)。接着，计算机16在进行消散系数的校正后(STEP1103)，使用瑞利散射通道的数据求取水蒸气密度n_H2O(z)，将其作为分析结果输出(STEP1104)。

另外，在这些流程图中，按顺序构成处理的流程，但并不特别限定于此，只要不与处理的结果产生矛盾，适当调换处理的顺序或具有并行处理的结构也可以。

如上所述，按照本实施例，由于使用标准具分光器代替碘吸收滤光器，所以可以更稳定并且有效的将米氏散射信号分量和瑞利散射信号分量分光。并且，按照本发明，为了对应处理新产生的由于仅使用标准具的这样的物理分光方法不能充分遮挡米氏散射信号分量的课题，进一步对2通道的瑞利散射信号进行差分处理，所以可以以非常高的遮挡率遮挡米氏散射分量。

另外，按照本实施例，在过去的气象观测激光雷达系统中没有出现过，实现了考虑到眼安全特性的将一个激光作为光源同时进行各种激光雷达观测的气象观测激光雷达系统。

按照本发明，实现了由一个激光同时进行各种激光雷达观测，可以以极高的效率分析各种观测要素的状态的气象观测激光雷达系统。

Claims (16)

1、一种气象观测激光雷达系统，照射来自激光装置的具有规定的中心频率的脉冲状的激光，观测该反射光，包括：

分光器，将观测到的反射光分光为所述激光的波长范围的光和所述激光的波长范围以外的波长范围的光；

第1滤光器，在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，使以第1频率分量为中心的光选择性地透过；

第1光检测部件，检测透过所述第1滤光器的所述第1频率分量的光；

第2滤光器，在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，使以第2频率分量为中心的光选择性地透过；

第2光检测部件，检测透过所述第2滤光器的所述第2频率分量的光；

第3光检测部件，检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光；

第4光检测部件，检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围以外的波长范围的光，其特征在于，

其结构可使得由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光至少两次通过所述第1滤光器。

2、如权利要求1所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

使应透过所述第1滤光器的第1中心频率分量，比应透过所述第2滤光器的第2中心频率分量设定在更接近所述激光的规定中心频率的位置。

3、如权利要求2所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

使应透过所述第1滤光器的第1中心频率分量和应透过所述第2滤光器的第2中心频率分量分别设定在以频率位置为中心的两侧，其中该频率位置是根据规定的瑞利散射频谱函数的对于瑞利散射频谱中的温度变化，其频谱能量的变化量最小的频率位置。

4、如权利要求3所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述应透过所述第1滤光器的第1中心频率设定为约1.0〔GHz〕，所述应透过所述第2滤光器的第2中心频率设定为约3.5〔GHz〕。

5、如权利要求1所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于，还包括：

监视装置，监视由所述激光装置发射的激光的输出；

控制部件，根据所述监视装置监视的所述激光的输出，控制所述激光的输出，使得所述激光的中心频率一定。

6、如权利要求5所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述激光装置具有根据规定的施加电压将种子光源光提供给连杆的种子光源；

所述控制部件，控制对所述种子光源的施加电压。

7、如权利要求6所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于，所述监视装置包括：

第3滤光器，选择性地透过规定中心频率的光；

第1光检测器，将从所述激光装置发射的激光作为第1监视信号检测；

第2光检测器，将透过所述第3滤光器的光作为第2监视信号检测；

峰值检测部件，分别检测第1峰值和第2峰值，其中第1峰值是根据由所述第1光检测器检测出的第1监视信号来进行频谱分析得到的频谱能量，第2峰值是根据由所述第2光检测器检测出的第2监视信号来进行频谱分析得到的频谱能量。

8、如权利要求7所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

在将透过所述第3滤光器的光的中心频率设为v0，将透过所述第3滤光器的光的频谱中的半光谱幅值设为Δv时，根据由所述峰值检测部件检测出的第1峰值和第2峰值，所述控制部件控制对所述种子光源的施加电压，使得所述激光的中心频率成为v0+Δv/2。

9、如权利要求8所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述控制部件控制对所述种子光源的施加电压，使得所述第1峰值和所述第2峰值之比的变化率的绝对值成为最大。

10、如权利要求1至9的任意一项所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述激光装置是Nd:YAG激光装置，由规定的光学元件取出生成的激光的第3高次谐波分量并发射。

11、如权利要求1所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：还包括

分析部件，根据分别由所述第1到第4光检测部件检测出的应答信号，进行规定的分析处理。

12、如权利要求11所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

根据分别由所述第1光检测部件和所述第3光检测部件检测出的应答信号，所述分析部件求浮游粉尘的分布状态。

13、如权利要求12所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述分析部件根据分别由所述第1光检测部件和所述第2光检测部件检测出的应答信号，根据规定的瑞利散射激光雷达方程式，求规定的应答函数和规定的气温计测灵敏度，根据所述求得的规定的应答函数和规定的气温计测灵敏度，求大气温度的分布状态。

14、如权利要求13所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述分析部件根据基于由所述第1光检测部件检测出的应答信号的规定的瑞利散射激光雷达方程式和基于由第4光检测部件检测出的应答信号的规定的拉曼散射激光雷达方程式，求水蒸气的分布状态。

15、如权利要求13所述的气象观测激光雷达系统，其特征在于：

所述分析部件根据预先收集的噪声数据，校正所述应答信号。

16、一种使用气象观测激光雷达系统的气象观测方法，该气象观测激光雷达系统照射来自激光装置的具有规定中心频率的脉冲状的激光，观测其反射光，该气象观测方法包括以下步骤：

由分光器将观测到的反射光分光为所述激光的波长范围的光和所述激光的波长范围以外的波长范围的光；

在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，由第1滤光器选择性地提取、检测以第1频率分量为中心的光；

在由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光中，由第2滤光器选择性地提取、检测以第2频率分量为中心的光；

检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光；

检测由所述分光器分光的所述激光的波长范围以外的光，其特征在于，

使得由所述分光器分光的所述激光的波长范围的光至少两次通过所述第1滤光器。

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