CN1316262C - 利用激光Raman－Mie散射探测大气信号的方法及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明是一种Raman-Mie散射激光大气信号的探测方法及激光雷达，是通过设置输出二倍频532nm和三倍频355nm激光的激光器，将532nm、15%的355nm激光向天空发射，85%的355nm激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光进入望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，通过分色镜处理，将407nm、386nm、532nm的散射光分开成三束，532nm的散射光再分开成15%与85%二束，这分开的四束散射光分别被光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据采集与处理。可进行大气水平能见度、整个对流层气溶胶和卷云消光系数垂直廓线、近地面至对流层中低部水汽混合比的探测。水平能见度的探测误差15%；气溶胶消光系数和水汽混合比垂直廓线的探测误差20%。

Description

利用激光Raman-Mie散射探测大气信号的方法及激光雷达

技术领域

本发明涉及探测大气水平能见度、大气气溶胶和水汽空间分布的方法及车载式激光雷达。

技术背景

激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。激光与大气的相互作用，产生包含大气气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用合适反演方法结合雷达方程就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。

激光雷达是传统雷达探测技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年，即1961年，科学家就提出了激光雷达的设想，并开展了研究工作，40多年来，随着激光技术日新月异的发展，先进的信号探测和数据采集系统的应用，激光雷达以它的高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及广阔的扫描范围而成为一种重要的主动遥感工具。

目前，探测对流层大气气溶胶和水汽的激光雷达系统一般存在以下四个方面的不足：首先，鉴于激光雷达探测功能的增加会使得雷达系统比较复杂、体积较大、重量较重、不易移动和运输，限制了它的应用区域范围；其次为探测高度有限，对于大气气溶胶的探测大部分局限在5~6km以下的边界层内，而水汽由于其本身的在大气中的含量很少，同时与激光发生的Raman散射回波信号很弱，其测量高度也仅仅在5km以下。此外受到雷达几何因子的限制，对近地面水汽和气溶胶的精确测量也显得比较困难；第三，由于太阳强烈背景辐射的影响，对于各种激光雷达在白天的测量无疑是一种挑战；第四，在多波长，多探测功能激光雷达系统中，对如何解决不同探测波长间的干扰以及如何保证整个系统长期工作的稳定性和可靠性都提出很高的要求。

在国际上，现在对于测量水汽的Raman-Mie散射激光雷达主要有以下几种：

1.美国NASA Goddard空间飞行中心(Space flight center)于1990年建造的的SRL(Scanning Raman Lidar)激光雷达。该雷达具有直径为0.76m，相对孔径为f/4.8的Dall-Kirkham望远镜系统，采用XeF激光器，其波长为351nm，重复频率为400Hz，功率为24W。

2.美国能源部(DOE/ARM)建于1995年的CART激光雷达。其使用Nd:YAG激光器，输出三倍频激光355nm，重复频率为30Hz，单脉冲能量为400mJ，接收望远镜为0.61m口径。

3.美国“科学与工程服务公司”(Science and Engineering Services.Inc.)研制的CRL(CompactRaman Lidar)激光雷达。该雷达采用二极管泵浦输出的四倍频Nd:YAG激光器，其输出波长为266nm，单脉冲能量为1mJ，重复频率为1KHz。使用直径为35cm、相对孔径为f/10.2的卡塞格林型望远镜。其中使用先进的Solarblind探测器、高截止的窄带滤光片及可调的小孔光阑，使得白天测量水汽变为可能。但由于其采用波长为266nm的激光作为发射源，因此必须考虑O₃吸收的订正。这样就会给水汽测量的结果带来一定的误差。

4.美国NASA Goddard空间飞行中心(Space flight center)近期建造的RASL(Raman AirborneSpectroscopic Lidar)为一种新型的Raman激光雷达。该雷达主要用于测量水汽、气溶胶、云、液态水以及温度。

国内进行此类研究的主要为中科院安徽光机所大气光学中心于1995年建造的L625多功能激光雷达，此雷达于1999年增加了测量水汽的Raman通道，但鉴于雷达本身的限制只能进行1~5km水汽的测量，并且仅仅限于夜晚观测。

发明内容

本发明的目的是研制一种能够同时进行水平大气能见度和垂直水汽，云与大气气溶胶测量的Raman-Mie散射激光大气信号探测方法及车载式Raman-Mie散射激光雷达，并且要求在白天也可以进行上述观测。为达到以上测量要求，采用独特的发射和接收光学单元设计，大部分元器件都尽可能的采用轻小型全固化或模式化结构，使其具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、工作稳定可靠等优点。

Raman-Mie散射激光大气信号的探测方法，是通过设置输出二倍频532nm和三倍频355nm激光的激光器，将532nm、15％的355nm激光向天空发射，85％的355nm激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做进行俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光经望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，经分色镜处理，将407nm、386nm、532nm的散射光分开成三束，532nm的散射光再分开成15％与85％二束，这分开的四束散射光分别经光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据收集与处理。

Raman-Mie散射激光雷达，该激光雷达由四部分组成：

(1)、发射单元：采用激光器作为激光发射源，在激光器前端安装分色镜，分色镜前端安装有由全反射镜组成的发射镜片组，分色镜对激光器发出的532nm的光全透，355nm光15％透，85％的355nm光反射至全反射镜上，经355nm波长扩束镜射向天空，激光器通过发射镜片组及扩束镜射向天空的光束与雷达望远镜的接收光轴平行；

(2)、雷达接收与后继光学单元：包括活动安装的可进行俯仰运动的卡塞格林型望远镜，卡塞格林型望远镜的后端依次安装有遮光筒、可调节视场光阑(1)、目镜、分色镜(1)及分束镜(1)、分束镜(2)。分色镜(1)对407nm、386nm的光全反，对532nm的光全透，分色镜(1)后407nm、386nm的激光回波光路中依次安装有由全反射镜组成的对接镜组、透镜组、光阑(2)、分色镜(2)。407nm、386nm的光经分色镜(2)分开后，分别被光电倍增管接收，并分别经放大器放大后送往光子计数器1、光子计数器2；532nm的光其中85％经分束镜(1)透射、分束镜(2)反射由光电倍增管接收，其中15％由分束镜(1)反射后由光电倍增管接收，并送往放大器放大；

(3)、数据采集单元：由光电倍增管、放大器、A/D采集卡和光子计数器组成；

(4)、光电倍增管的门控电路、信号延迟脉冲发生器、主波发生器和工控机构成数据存储与控制单元。

激光器采用powerlite8020型号Nd:YAG激光器，分别输出二倍频532nm和三倍频355nm激光；扩束镜为3倍扩束镜。

在具体技术实施中，对以上四部分单元分别采用相应的设计方案和合适的元器件。

本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达系统主要部件技术指标：

单元名称	技术参数
					激光发射单元激光器发射波长(nm)单脉冲能量(mJ)/稳定性(％)重复频率(Hz)激光发散角(mrad)扩束镜扩束倍数	532150±3.520＜0.45无		355300±4.020＜0.453
雷达接收和光学后继单元接收望远镜口径(mm)焦距(mm)接收视场(mrad)滤光片中心波长/波长漂移(nm)带宽/波长漂移(nm)中心透过率(％)其它波长抑制比	卡塞格林型406.440640.3-3
					532.0±0.050.3±0.05＞4510-7@200-1200nm	407.8±0.74.5±0.09＞301012@532&355nm106@200-1200nm108@375&387&580&607nm		386.6±0.74.5±0.09＞301012@532&355106@200-1200nm

数据采集单元光电倍增管波长响应范围(nm)峰值波长(nm)峰值波长量子效率(％)增益暗电流(nA)放大器放大增益带宽(MHz)线性度(％)噪声电压采集卡采样速率采样精度	Hamamatsu H7680/H7680-01300-650420＞255×10610PHILLIPS MODEL7772-50200±1525μVCompuScope161010M/s16bit	EMI9813B290-630360＞30140×10610VT12020010-350±10MCS-pci150M
			数据存储和控制单元信号延迟发生器主波整形驱动工控机	4-5μs可调50μsTTL电平威达电WS-855

在发射单元，为同时测量水汽、气溶胶和云以及能见度，该雷达采用美国Continuum公司生产的powerlite8020型号Nd:YAG激光器，分别输出二倍频532nm和三倍频355nm激光。其中前者主要用于大气水平能见度和垂直大气气溶胶与卷云的测量，而后者用于测量水汽垂直分布。为消除波长间的相互干扰和减小发射激光发散角，同时降低发射光路上各种反射镜片的激光抗损伤阈值要求，本发明采用两套发射光路。其一为355发射通道，集中了85％的355能量，通过两块反射镜片和3倍扩束镜直接将激光垂直发射到大气中，对1km以上的高层水汽进行测量。该通道中扩束镜的主要目的是减小激光发散角，提高雷达白天的探测能力；其二为532发射通道，除了全部的532nm激光，还包含剩余的15％的355激光。此通道的激光经过一系列反射镜，最终通过望远镜转轴上的反射镜片发射到大气中。随着望远镜的俯仰运动，转轴上的发射镜可以将激光在垂直和水平方向上发射，以便低层水汽、气溶胶垂直分布和水平能见度的测量。

在雷达接收和后继光学单元中，采用直径为400mm的卡塞格林型号望远镜，其主副镜片具有HUTC超高反射率镀膜，使得对386、407和532nm探测波长的反射均在65％以上。考虑后继光路的光斑和发散角的要求，整个接收望远镜的倍率定位为X35。同时为方便进行白天观测，在望远镜主副镜和目镜的共同焦点处设置孔径可变的小孔光阑和遮光筒，以改变接收视场角FOV，减小白天背景辐射，提高白天的测量高度。此外，为了满足同时进行水平能见度和垂直气溶胶的观测，该雷达系统将测量气溶胶的后继光路和探测器综合为一整体，通过法兰盘与望远镜连接，使其可以随望远镜作俯仰运动，而发射532nm激光则通过望远镜转轴始终保持与望远镜接收光轴方向平行。被望远镜接收到的后向散射光首先经过分色镜(1)将其分别导入水汽探测和气溶胶探测通道，然后经过相应的滤光片，最后被各自的光电倍增管探测完成光电转换。对于整个对流层高度范围内的气溶胶和10km高度以下的水汽，雷达接收到的回波信号的动态范围分别达到7个量级和5个量级以上，为满足上述大动态范围的信号采集和避免近距离强回波信号导致的光电倍增管饱和失真，对其回波信号进行高低层分段测量方法。对于水汽测量通道，由于其整个光程较长，同时与望远镜接收单元为两体结构，因此在通道中增加一比一的透镜组，起到束缚斜程光束和辅助望远镜的定位的作用，有利于近距离水汽信号的探测。此外，考虑氮气和水汽Raman回波信号位于白天太阳光谱内，为有效减小白天背景辐射的影响，采用两块镀有合适反射膜层的对接镜和截止镜片，增加白天水汽的探测能力。

信号探测和数据采集单元的主要功能是对接收的光信号进行探测、前置放大和数据采集。由于气溶胶和能见度的回波信号较强而水汽回波较弱，因此分别采用A/D模拟采集和光子计数两种方式。同时鉴于气溶胶探测器必须与望远镜构成一整体，因此采用体积小，重量轻同时适合高低分层测量的光电倍增管。而对于水汽弱信号探测，选用了带有风冷装置的光电倍增管，大大降低探测器本身热噪声，从而有利于弱信号光子计数的测量。经过光电倍增管探测到的回波光信号被转化成电信号，在利用采集卡进行采集之前必须针对采集卡的输入要求进行前置放大，为避免在放大过程中信号的失真，选择合适的放大倍数，线性范围和带宽。由于该系统为车载式，为减小系统体积，模拟和光子计数采集卡均采用计算机PCI插槽式，易于和工控机组成一整体。

综上所述，要将以上这些分单元的各部件有条不紊的运作，还需要控制与存储单元。这里除了工控机，还主要包括光电倍增管的门控、信号延迟脉冲发生器和主波发生器。由于激光雷达采用类似于激光测距原理的脉冲激光进行测量，其起始时刻主要受雷达系统的主波信号控制。当一激光脉冲从发射光路发射到大气中的一刹那，被安装在发射光路上的光电探测器感应产生脉冲信号，再通过主波发生器对该信号进行整形放大即转换为雷达系统的主波信号。另外，不论是对于大气气溶胶，还是对于水汽，该雷达均采用分层探测，即低层测量时常开型的光电倍增管不需任何触发信号便可以对回波光信号进行采集，而高层测量时则需要在光电倍增管的门控电路上加以门控脉冲信号，使其在关闭一定距离后才开始对信号进行采集。这里的门控信号主要是根据雷达控制时序图，由主波信号脉冲和从激光器谐振腔提取的脉冲经过信号延迟脉冲发生器相与后产生的，同时该门控信号的脉宽可以根据实际测量的要求而改变。

本发明的效果：

本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达系统具有以下特点：

1.可进行大气水平能见度、整个对流层气溶胶和卷云消光系数垂直廓线、近地面至对流层中低部水汽混合比的探测。水平能见度的探测误差15％；气溶胶消光系数和水汽混合比垂直廓线的探测误差20％。

2.对于水平能见度、气溶胶和卷云实现了白天和夜晚的连续观测。通常晴好天气条件下，不论白天或夜晚，水平探测距离为10km；垂直探测高度夜晚达到18km，白天为10km左右。

3.对于水汽混合比，首次实现从近地面至对流层中部8km以上高度的夜晚探测，在傍晚和凌晨时分背景光辐射较弱情况下，实现近地面至边界层高度内的水汽测量。

4.具有快速连续探测的特点，通常天气条件下，大气水平能见度的探测周期为3分钟，气溶胶和卷云消光系数垂直廓线的探测周期为8分钟，水汽混合比垂直廓线的探测周期为30分钟。

5.该雷达系统为车载式，结构紧凑便于移动，适用于外场实验使用。

附图说明：

图1为本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达系统结构示意图。

图2为本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达探测的水平回波信号Ln(P(R)R²)和距离R的关系曲线。

图3本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达气溶胶实测回波信号(实曲线)和模拟信号的比较结果。

图4为本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达实测气溶胶消光系数白天和夜晚测量结果。

图5本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达对高层卷云的典型测量结果。

图6本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达与L625雷达测量水汽混合比的比较。

图7本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达与气象探空数据测量水汽混合比的比较。

图8本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达白天和夜晚水汽混合比探测结果。

具体实施方式：

本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达系统的机构示意图如图1所示。

Raman-Mie散射激光雷达，该激光雷达由四部分组成：

(1)、发射单元：采用激光器作为激光发射源，在激光器前端安装分色镜，分色镜前端安装有由全反射镜组成的发射镜片组，分色镜对激光器发出的532nm的光全透，355nm光15％透，85％的355nm光反射至全反射镜上，经355nm波长扩束镜射向天空，激光器通过发射镜片组及扩束镜射向天空的光束与雷达望远镜的接收光轴平行；

(2)、雷达接收与后继光学单元：包括活动安装的可进行俯仰运动的卡塞格林型望远镜，卡塞格林型望远镜的后端依次安装有遮光筒、可调节视场光阑1、目镜、分色镜1及分束镜1、分束镜2。分色镜1对407nm、386nm的光全反，对532nm的光全透，分色镜1后407nm、386nm的探测光路中依次安装有由全反射镜组成的对接镜组、透镜组、光阑2、分色镜2。407nm、386nm的光经分色镜2分开后，分别被光电倍增管接收，并分别经放大器放大后送往光子计数器1、光子计数器2；532nm的光，其中85％经分束镜1透射、分束镜2反射由光电倍增管接收，其中15％由分束镜1反射后由光电倍增管接收，并送往放大器放大；

简言之，Raman-Mie散射激光大气回波信号的探测方法，是通过设置输出二倍频532nm和三倍频355nm激光的激光器，将532nm、15％的355nm激光向天空发射，85％的355nm激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做进行俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光经望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑后和凸透镜后，经分色镜处理，将407nm、386nm、532nm的散射光分开成三束，532nm的散射光再分开成15％与85％二束，这分开的四束散射光分别经光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据收集与处理。

在发射单元，激光器产生的355和532nm双波长激光脉冲经过发射光路射向大气中。为方便探测大气能见度、气溶胶和水汽的要求，本发明采用双光路发射。其一为测量水平能见度、垂直气溶胶和低层水汽的发射光路，主要将全部的532nm和15％的355nm激光最终通过望远镜转轴上的镜片反射到大气中，此举的目的可以使532nm激光随着望远镜俯仰进行垂直和水平发射，便于测量垂直气溶胶和水平能见度。同时较低355nm波长能量激光可以很好的避免近距离强回波信号致使光电倍增管饱和效应的产生，影响水汽测量结果。其二为测量水汽高层的激光发射通道，在将85％的355nm激光脉冲进行3倍扩束后发射到大气中。扩束的主要目的是减小激光发散角，有利于采用较小的雷达接收视场来降低天空背景光辐射，从而增加测量信噪比，进一步提高夜晚水汽的探测高度和白天测量的可行性。发射到大气中的532nm激光脉冲分别与大气中的分子和气溶胶发生瑞利(Rayleigh)和米(Mie)散射，产生带有大气气溶胶光学特性的532nm回波信号；355nm激光脉冲则与大气中的氮气和水气发生拉曼(Raman)散射，分别产生带有各自光学特性的386.7和407.8nm的回波信号。接收望远镜和后继光路单元的主要目的便是尽可能高效率的接收以上三个波长的回波信号，并将其分入各自的探测通道。望远镜接收的回波光信号首先经过遮光筒和小孔光阑，这两个部件的目的都是限制接收视场外杂散光对有用信号的干扰；然后经过目镜、分色镜1，探测水汽所需要的386.7和407.8nm波长回波信号被反射到水汽探测通道，而532nm波长回波信号则透过分色镜1进入气溶胶探测通道。

在气溶胶探测通道，15％的532nm回波信号被分束镜1反射到低层气溶胶探测通道，剩余透过的回波信号被分束镜2全部反射到高层气溶胶探测通道，再经过相应滤光片后分别被H7680常开型和H7680-01常闭型光电倍增管探测，回波光信号被转变成电流信号随后进入Phillips777放大器进行放大，最终被安装在工控机内的双通道CompuScope1610型AD采集卡采集，存储并实时显示。

在水汽探测通道，386.7和407.8nm波长回波信号首先进入两块对接镜，该镜片独有的膜层只对该两个波长间回波信号高反，其它波长高透，起到消除杂散光提高探测信噪比的作用；其次进入一比一的透镜组和遮光光阑，众所周知具有一定接收视场的斜平行光进入望远镜后输出的仍为斜平行光，并且光束的发散角变大为乘以望远镜倍率后的数值。因此对于光程较远的后继光路必须考虑发散角引起的光斑偏移，否则会导致后继光路上镜片的挡光甚至接收不到任何回波信号。本发明中的一比一透镜组便是起到消除光斑偏移的功能，根据设计光路上各种参数的详细计算使得接收视场3mrad的斜入射光均可以不遮拦的进入光电倍增管阴极面，从而实现近距离水汽的探测。遮光光阑的作用主要是进一步限制背景杂散光和用于水汽后继光路的对光；然后两波长回波信号被分色镜2分别导入相应波长探测通道，由EMI9813B光电倍增管将光信号转变为电信号。这里值得一提的是，为消除近距离两通道间的光路差别，必须采用同时测量氮气拉曼回波信号进行通道订正。因此分色镜2将12％的氮气回波信号反射到水汽407通道，剩余88％透射到氮气386通道。另外，为方便更换高低层测量对应使用的不同衰减片和订正用滤光片，光路上的衰减片和滤光片都采用燕尾插槽方式；最终两通道的回波电信号由VT120前置放大器进行放大处理后，被安置在工控机内的MCS-pci光子计数卡采集、累加、存储和显示。本发明的车载式Raman-Mie散射激光雷达的具体技术参数如表1所示。

2.本发明测量实例

a.大气水平能见度测量实例

使用斜率法(slope)对便携式米散射激光雷达的探测数据进行处理即可得到大气水平能见度。图2给出2004年12月22日下午17:49点Raman-Mie散射激光雷达探测的Ln(P(R)R²)和距离R的关系曲线。其中，P(R)为便携式米散射激光雷达探测到的距离R处的大气后向散射回波信号。图中圆点为测量值，直线为最小二乘法拟合的结果。从图2中可以看出，在2~7km范围内，Ln(P(R)R2)和R呈很好的线性关系。虽然，随着探测距离R的增加，接收的大气后向散射回波信号的信噪比变小，回波信号起伏逐渐增加，但都围绕拟合直线上下起伏。Ln(P(R)R2)和R的相关系数在99.59％，拟合直线的标准误差在0.145，反映该天的大气气溶胶水平均匀性很好。回归直线斜率的一半即为532nm波长的大气水平消光系数α_H＝0.496km¹，对应当时的大气水平能见度R_v为7.89km。

b.大气气溶胶和卷云消光系数的垂直廓线测量实例

为了检测该激光雷达探测大气气溶胶米散射回波信号的正确性，我们将2004年10月27日22:16点车载式Raman-Mie散射激光雷达实际测量的气溶胶Mie散射回波信号(圆点)和理论模拟信号(实线)进行比较，结果如图3所示。从中可以看出，除了25km以上由于雷达探测信噪比减小引起的回波信号较大离散外，在5km高度以上的实际测量廓线和理论曲线很好的吻合。这主要是由于该高度实际气溶胶含量和理论模式的数值很相近，在激光雷达正测量实际气溶胶回波信号条件下，两者理所当然相一致；5km高度以下的实际测量信号与理论模拟信号的少许差异则是由于对流层低部实际气溶胶含量和理论数值有较大差异造成，该高度范围气溶胶由于受到近地面各种气溶胶来源的影响，在时间和空间尺度上都会有很大的差异，同时也在另一方面说明雷达测量大气气溶胶的必要性和正确性。

对雷达测量的大气气溶胶Mie散射回波信号，结合Fernald方法和雷达方程进行数据处理即可得到对流层气溶胶和卷云消光系数垂直廓线，以下将分别给出较为典型的雷达实际测量结果。

图4为2004年9月11日白天16:36(方点线)和夜晚21:08(圆点线)该雷达测量的大气气溶胶消光系数廓线，而图中一并显示的实线为空气分子消光系数廓线，以方便与气溶胶消光进行比较。可以看出，从近地面到3km高度范围气溶胶消光系数都大于分子的消光系数，说明对流层低层大气中气溶胶的含量很大，是造成大气衰减的主导因素；在3~6km高度范围，气溶胶消光系数和分子消光系数较为接近，说明在对流层中部两者对大气衰减的效果基本相同；在6~16km高度范围，大气气溶胶消光系数明显小于大气分子数值，特别是在10-14km范围，这主要是由于对流层上部气溶胶含量很小的缘故；最后受平流层气溶胶的影响，在16km以上大气气溶胶的消光系数再次增加，直至达到大气分子的消光系数左右。另外，比较白天和夜晚的气溶胶测量结果发现，由于白天强烈背景信号的干扰，白天气溶胶消光系数在8km以上便出现较大的随机起伏，而夜晚则可以达到18km高度。同时两者廓线整体形状的相似性表明该天大气气溶胶垂直分布很稳定。当然，以上仅仅是气溶胶雷达测量的典型结果，随着对流层大气气溶胶含量在时间和空间上分布的不同，雷达测量的气溶胶消光系数廓线结构也会出现差异。

除了测量大气气溶胶消光系数，本发明雷达还可以探测高空卷云。图5便是2004年10月29日夜晚21:04测量的高层卷云典型结果。可以看出在8~10.5km高度范围存在一高层卷云，该卷云的峰值高度为9.51km，消光系数达到0.121km^-1，厚度达到2.5km左右。另外，在3~5km高度范围也存在一低云结构，但无论厚度还是峰值消光系数都小于以上卷云。

c.大气水汽混合比垂直廓线测量实例

利用本发明车载式Raman-Mie散射激光雷达测量的大气水汽和氮气分子对355nm波长激光的拉曼(Raman)散射407.8和386.7回波信号，结合拉曼激光雷达求解方程便可以得出水汽混合比的垂直廓线。

为验证本发明激光雷达测量水汽混合比的正确性，首先给出该雷达与本所自行研制的L625多功能激光雷达在同一时间测量的水汽混合比廓线的比较结果，然后给出与气象探空测量结果的比较，分别如图6和7所示。图6中水汽混合比的采集时间为2004年9月16日夜晚，其中点划线为本发明激光雷达测量结果，实线为L625雷达测量数据。相比较可以看出，两者在0.9~4km高度范围很吻合，甚至其中的微小水汽结构。至于0.9km以下由于L625雷达盲区的影响而没有相应数据，而4km高度以上数据的缺少则是由于该高度雷达回波信号的信噪比太低，达到L625雷达的探测极限所致。由此显示本发明激光雷达探测水汽混合比的高度范围远远大于L625激光雷达，可以从近地面直至8km左右。另一个验证本发明激光雷达探测水汽正确性的方法是与同一时间气象探空数据的比较。图7中数据的采集时间为2004年9月29日夜晚20:00，其中实线为本发明雷达测量的水汽混合比廓线，方点线为探空数据转化成的水汽混合比。同时由于气象探空仪的测湿元件对相对湿度在20％以下的测量精度可能难以保证，因此图中还一并给出了相对湿度为20％对应的水汽混合比廓线(圆点线)以作参考。从图7中的雷达测量和探空数据比较可以看出，在0~10km探测范围内，除去个别区域外，两者的变化趋势较为一致，对该天水汽空间上的结构分布都能够很好的反映。至于个别区域的两者间少许差异主要可能有以下三个原因：其一是气象探空仪的测湿元件肠衣对湿度的响应速度比较慢。特别是从高湿到低湿或低湿到高湿的快变化过程难以快速响应；其二是气象探空仪对相对湿度较低情况下的测量误差较大，在相对湿度为5％以下基本不响应；其三为在高层低湿情况下，雷达接收到的水汽Raman后向散射回波信号变弱，信噪比降低，探测误差也随之增大。

除了夜晚，本发明雷达还对白天水汽特征进行观测。图8给出的便是2004年9月29日下午17:00测量的水汽混合比廓线(点划线)，同时还给出夜晚20:00水汽测量结果已作参考。可以看出，在边界层内白天和夜晚探测的结果较为吻合；但在边界层高度以上，虽然本发明雷达采取了抑制白天背景信号的技术手段，但仍然由于信噪比太差而出现测量数据随机振荡加剧，直至3km高度左右信号无法从背景信号中有效提取出来。

经过以上本发明雷达和L625雷达以及气象探空仪对同一时间水汽混合比探测结果的比较显示，该雷达测量数据稳定可靠，探测的高度范围夜晚可以从近地面直至8km以上，白天凌晨和傍晚时分达到边界层高度以上。

Claims (3)

1、利用激光Raman-Mie散射探测大气信号的方法，是通过设置输出二倍频532nm和三倍频355nm激光的激光器，将532nm激光、15％的355nm激光向天空发射，其余85％的355nm激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光进入望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，通过分色镜处理，将407nm、386nm、532nm的散射光分开成三束，532nm的散射光再分开成15％与85％二束，这分开的四束散射光分别被光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据采集与处理。

2、Raman-Mie散射激光雷达，该激光雷达由四部分组成：

(1)、发射单元：采用激光器作为激光发射源，在激光器前端安装分色镜，分色镜前端安装有由全反射镜组成的发射镜片组，分色镜对激光器发出的532nm的光全透，355nm光15％透，其余85％的355nm光反射至全反射镜上并经355nm波长扩束镜射向天空，激光器通过发射镜片组及扩束镜使得射向天空的光束均与接收望远镜的接收光轴平行：

(2)、雷达接收与后继光学单元：包括活动安装的可进行俯仰运动的卡塞格林型望远镜，卡塞格林型望远镜的后端依次安装有遮光筒、可调节视场光阑1、目镜、分色镜1及分束镜1、分束镜2；分色镜1对407nm、386nm的光全反，对532nm的光全透，在分色镜1反射后的407nm、386nm的双波长同波信号光路中依次安装有全反射镜组成的对接镜组、透镜组、光阑2、分色镜2，407nm、386nm的光经分色镜2分开后，由二个光电倍增管分别接收，并分别经放大器放大后送往光子计数器1、光子计数器2；532nm的光其中15％由分束镜1反射后由低层光电倍增管接收，经过分束镜1透射的其余85％的532nm光信号被分束镜2反射至高层光电倍增管接收，最终送往放大器放大；

(3)、数据采集单元：由上述各光电倍增管、放大器、A/D采集卡和光子计数器组成；

(4)、上述各光电倍增管的门控电路、信号延迟脉冲发生器、主波发生器和工控机构成数据存储与控制单元。

3、根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于激光器采用powerlite8020型号Nd：YAG激光器，分别输出二倍频532nm和三倍频355nm激光；扩束镜为3倍扩束镜。

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