CN1945356A - 多功能大气激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多功能大气激光雷达，包括向大气发射1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的激光发射器、接收大气中对激光发射器发射的脉冲激光束产生的回波散射光的光学接收器、对光学接收器接收的回波散射光信号进行处理的光电探测器；激光发射器由激光器、反射棱镜和三维调节棱镜架组成；激光器输出端与反射棱镜输入端相连，反射棱镜安装在三维调节棱镜架上；激光器为可同时输出1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的Nd:YAG激光器。本发明安装于激光雷达台站中。采用本发明可以获得大气气溶胶和云、大气密度、大气湿度、臭氧等的空间分布和时间演化参数，为大气研究和相应的气象环保应用服务。

Description

多功能大气激光雷达
技术领域
本发明涉及一种可以对各种重要大气参数进行测量的多功能大气激光雷达。
背景技术
大气气溶胶和云、痕量气体如臭氧、以及水蒸气对整个地-气系统的辐射收支平衡、全球环境和全球气候变化都有强烈的影响。因此，对上述大气参数特性的探测和研究是大气科学中的重要课题。同时，对上述大气参数的空间分布和时间变化的探测研究，在大气光学特性研究、激光大气传输和卫星遥感资料的大气订正等实际应用领域也有着重要的意义。目前出现了一些对大气参数进行探测的微波雷达和激光雷达，但它们只能对单一大气参数进行测量，不能同时对多种大气参数进行测量，这样在数据源提供上存在欠缺。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种多功能大气激光雷达。通过对大气气溶胶和云、臭氧、大气密度、水蒸气(湿度)的空间分布和时间变化进行测量，可更加全面地提供各种大气参数。该技术方案的特点是采用了多功能方案，与发展几个不同单一功能的激光雷达相比，可大大地降低仪器的成本，减少体积和重量，提高可靠性。
本发明提供的技术方案是：多功能大气激光雷达，包括向大气发射1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的激光发射器、接收大气中对激光发射器发射的脉冲激光束产生的回波散射光的光学接收器、对光学接收器接收的回波散射光信号进行处理的光电探测器；激光发射器由激光器、反射棱镜和三维调节棱镜架组成；激光器输出端与反射棱镜输入端相连，反射棱镜安装在三维调节棱镜架上；激光器为可同时输出1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的Nd:YAG激光器。
所述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、短波长准直光学透镜、分光波长为400nm分色片、分光波长为800nm的分色片、分光波长为280nm的分色片、分光波长为288nm的分色片、分光波长为272nm的分色片和长波长准直光学透镜组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与短波长准直光学透镜输入端相连，短波长准直光学透镜输出端与分光波长为400nm分色片输入端相连，400nm分色片的一个输出端与长波长准直光学透镜输入端相连，长波长准直光学透镜输出端与分光波长为800nm的分色片输入端相连，400nm分色片的另一个输出端与分光波长为280nm的分色片的输入端相连，280nm的分色片的一个输出端与分光波长为272nm的分色片的输入端相连，280nm的分色片的另一个输出端与分光波长为288nm的分色片的输入端相连。
所述光电探测器由透射波长为294nm的滤光片、透射波长为283nm的滤光片、透射波长为277nm的滤光片、透射波长为266nm的滤光片、透射波长为532nm的滤光片、透射波长为1064nm的滤光片、第一光电倍增管模块、第二光电倍增管模块、第三光电倍增管模块、第四光电倍增管模块、第五光电倍增管模块、雪崩二极管模块、第一光子计数器、第二光子计数器、第三光子计数器、模数转换板、GPIB接口卡和计算机组成；透射波长为294nm的滤光片的输出端与第一光电倍增管模块输入端相连，第一光电倍增管模块输出端与第一光子计数器输入端相连；透射波长为283nm的滤光片的输出端与第二光电倍增管模块输入端相连，第二光电倍增管模块输出端与第二光子计数器输入端相连；透射波长为277nm的滤光片的输出端与第三光电倍增管模块输入端相连，第三光电倍增管模块输出端与第三光子计数器输入端相连；第一光子计数器、第二光子计数器和第三光子计数器的GPIB接口同时与GPIB接口卡的GPIB接口相连，GPIB接口卡通过PCI接口与计算机相连；透射波长为266nm的滤光片的输出端与第四光电倍增管模块输入端相连，第四光电倍增管模块输出端与模数转换板第一输入端口相连，透射波长为532nm的滤光片的输出端与第五光电倍增管模块输入端相连，第五光电倍增管模块输出端与模数转换板第二输入端口相连，透射波长为1064nm的滤光片的输出端与雪崩二极管模块输入端相连，雪崩二极管模块输出端与模数转换板第三输入端口相连，模数转换板通过PCI接口与计算机相连。
本发明安装于激光雷达台站中。其通过激光发射器垂直向上对大气中同时发射三束不同波长(266nm、532nm和1064nm)的脉冲激光束，当不同波长激光脉冲遇到大气中的不同成分时，由于米氏散射原理和拉曼散射原理会产生不同波长的回波散射光，该系统的光学接收器接收到这些散射光信号，经过整形后在空间上将回波光信号按波长不同分为六个部分，这六部分光信号分别经滤光、光电转换、放大、模数转换或光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存。这六个波长的信号光分别为：波长为1064nm、532nm和266nm的米氏散射，波长为294nm的水蒸气拉曼散射，波长为283nm的氮气拉曼散射和波长为277nm的氧气拉曼散射。三个波长的米氏散射可提供气溶胶颗粒大小信息；氮气拉曼散射可提供大气密度信息；米氏散射与氮气拉曼散射的组合可提供精确气溶胶光学参数；氮气拉曼散射和氧气拉曼散射的组合可用于以差分吸收方式探测臭氧；水蒸气拉曼散射和氮气拉曼散射的组合可提供大气湿度信息。此激光雷达从而可以得到大气气溶胶和云、大气密度、大气湿度、臭氧等的空间分布和时间演化参数，为大气研究和相应的气象环保应用服务。
附图说明
图1是本发明中多功能大气激光雷达原理框图；
图2是本发明中多功能大气激光雷达的激光发射器部分结构原理图；
图3是本发明中多功能大气激光雷达的光学接收器部分结构原理图；
图4是本发明中多功能大气激光雷达的光电探测器结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明中的多功能大气激光雷达，主要包括：激光发射器1、光学接收器2、光电探测器3。
参见图2，激光发射器1由激光器4(Continuum，型号Powerlite-9020)、反射棱镜5(Newport，型号10SR20)和三维调节棱镜架6(Newport，型号UGP-1)组成；激光器4输出端与反射棱镜5输入端相连，反射棱镜5安装在三维调节棱镜架6上。激光器4的配置中加入倍频和三倍频(激光器4自带的附件)，激光器4输出1064nm、532nm和266nm的脉冲激光束，反射棱镜5将激光束偏折90°使之垂直向上发射，三维调节棱镜架6带动反射棱镜5，可调节激光束的发射方向。
参见图3，光学接收器2由接收望远镜7(Meade，型号LX200GPS-16Inch)、视场光阑8、短波长准直光学透镜9、长通滤光片10(Newport，分光波长400nm)、12(Newport，分光波长800nm)、13(Newport，分光波长280nm)、14(Newport，分光波长288nm)、15(Newport，分光波长272nm)和长波长准直光学透镜11组成；接收望远镜7输出端与视场光阑8输入端相连，视场光阑8输出端与短波长准直光学透镜9输入端相连，短波长准直光学透镜9输出端与长通滤光片10输入端相连，长通滤光片10的一个输出端与长波长准直光学透镜11输入端相连，长波长准直光学透镜11输出端与长通滤光片12输入端相连，长通滤光片10的另一个输出端与长通滤光片13输入端相连，长通滤光片13的一个输出端与长通滤光片15的输入端相连，长通滤光片13的另一个输出端与长通滤光片14的输入端相连。从大气散射的光回波信号经接收望远镜7收光聚焦以后，采用视场光阑8将接收视场控制在合适的视场角范围内，经过短波长准直光学透镜9将回波光信号整理成平行光后，经长通滤光片10进行波长分光，波长大于400nm的光信号透过长通滤光片10，再经过长波长准直光学透镜11整形，再通过长通滤光片12分光，波长大于800nm的光信号透过长通滤光片12(其中包括需要的1064nm波长的气溶胶米氏散射光信号)，波长在400nm-800nm之间的光信号被长通滤光片12反射(其中包括需要的532nm波长的气溶胶米氏散射光信号)，波长小于400nm的光信号被长通滤光片10反射，此光信号被长通滤光片13再次分光，其中波长在280nm-400nm的光透过长通滤光片13，被长通滤光片14进一步分为288nm-400nm(透射，其中包括需要的294nm波长的水蒸气拉曼散射光信号)和280nm-288nm(反射，其中包括需要的283nm波长的氮气拉曼散射光信号)，从长通滤光片13上反射的280nm以下的光信号被长通滤光片15进一步分为272nm以下(反射，其中包括需要的266nm波长的气溶胶米氏散射光信号)和272nm-280nm之间(透射，其中包括需要的277nm波长的氧气拉曼散射光信号)。
参见图4，光电探测器3由滤光片16(Newport，透射波长294nm)、17(Newport，透射波长283nm)、18(Newport，透射波长277nm)、19(Newport，透射波长266nm)、20(Newport，透射波长532nm)、21(Newport，透射波长1064nm)，光电倍增管模块22、23、24、25(Hamamatsu，型号H9656-06)、26(Hamamatsu，型号H9656-04)，雪崩二极管模块27(Hamamatsu，型号C5331-04)，光子计数器28、29、30(SRS，型号SR-430)，模数转换板31(研华，型号PCI-1714)，GPIB接口卡32(研华，型号PCI-1670)和计算机33组成；滤光片16的输出端与光电倍增管模块22输入端相连，光电倍增管模块22输出端与光子计数器28输入端相连，滤光片17的输出端与光电倍增管模块23输入端相连，光电倍增管模块23输出端与光子计数器29输入端相连，滤光片18的输出端与光电倍增管模块24输入端相连，光电倍增管模块24输出端与光子计数器30输入端相连，光子计数器28、29、30的GPIB接口同时与GPIB接口卡32的GPIB接口相连，GPIB接口卡32插在计算机33中，通过PCI接口与计算机33相连；滤光片19的输出端与光电倍增管模块25输入端相连，光电倍增管模块25输出端与模数转换板31输入1号端口相连，滤光片20的输出端与光电倍增管模块26输入端相连，光电倍增管模块26输出端与模数转换板31输入2号端口相连，滤光片21的输出端与雪崩二极管模块27输入端相连，雪崩二极管模块27输出端与模数转换板31输入3号端口相连，模数转换板31插在计算机33中，通过PCI接口与计算机33相连。经相应波长的滤光片滤光后，波长分别为294nm(水蒸气拉曼散射)、283nm(氮气拉曼散射)和277nm(氧气拉曼散射)的光信号经相应光电倍增管模块进行光电转换后，再通过相应光子计数器进行光子计数后，经GPIB接口卡送入计算机；经相应波长的滤光片滤光后，波长分别为266nm(266nm米氏散射)和532nm(532nm米氏散射)的光信号经相应光电倍增管模块进行光电转换后，再通过相应模数转换卡上转换通道变成数字信号后，送入计算机；经相应波长的滤光片滤光后，波长为1064nm(1064nm米氏散射)的光信号经雪崩二极管模块进行光电转换后，再通过相应模数转换卡上转换通道变成数字信号后，也送入计算机；总共有六路信号进入计算机进行数据处理，分析和存储。

Claims (3)

1.多功能大气激光雷达，包括向大气发射1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的激光发射器、接收大气中对激光发射器发射的脉冲激光束产生的回波散射光的光学接收器、对光学接收器接收的回波散射光信号进行处理的光电探测器；激光发射器由激光器、反射棱镜和三维调节棱镜架组成；激光器输出端与反射棱镜输入端相连，反射棱镜安装在三维调节棱镜架上；激光器为可同时输出1064nm、532nm和355nm脉冲激光束的Nd:YAG激光器。
2.根据权利要求1所述的多功能大气激光雷达，其特征在于：所述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、短波长准直光学透镜、分光波长为400nm分色片、分光波长为800nm的分色片、分光波长为280nm的分色片、分光波长为288nm的分色片、分光波长为272nm的分色片和长波长准直光学透镜组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与短波长准直光学透镜输入端相连，短波长准直光学透镜输出端与分光波长为400nm分色片输入端相连，400nm分色片的一个输出端与长波长准直光学透镜输入端相连，长波长准直光学透镜输出端与分光波长为800nm的分色片输入端相连，400nm分色片的另一个输出端与分光波长为280nm的分色片的输入端相连，280nm的分色片的一个输出端与分光波长为272nm的分色片的输入端相连，280nm的分色片的另一个输出端与分光波长为288nm的分色片的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的多功能大气激光雷达，其特征在于：所述光电探测器由透射波长为294nm的滤光片、透射波长为283nm的滤光片、透射波长为277nm的滤光片、透射波长为266nm的滤光片、透射波长为532nm的滤光片、透射波长为1064nm的滤光片、第一光电倍增管模块、第二光电倍增管模块、第三光电倍增管模块、第四光电倍增管模块、第五光电倍增管模块、雪崩二极管模块、第一光子计数器、第二光子计数器、第三光子计数器、模数转换板、GPIB接口卡和计算机组成；透射波长为294nm的滤光片的输出端与第一光电倍增管模块输入端相连，第一光电倍增管模块输出端与第一光子计数器输入端相连；透射波长为283nm的滤光片的输出端与第二光电倍增管模块输入端相连，第二光电倍增管模块输出端与第二光子计数器输入端相连；透射波长为277nm的滤光片的输出端与第三光电倍增管模块输入端相连，第三光电倍增管模块输出端与第三光子计数器输入端相连；第一光子计数器、第二光子计数器和第三光子计数器的GPIB接口同时与GPIB接口卡的GPIB接口相连，GPIB接口卡通过PCI接口与计算机相连；透射波长为266nm的滤光片的输出端与第四光电倍增管模块输入端相连，第四光电倍增管模块输出端与模数转换板第一输入端口相连，透射波长为532nm的滤光片的输出端与第五光电倍增管模块输入端相连，第五光电倍增管模块输出端与模数转换板第二输入端口相连，透射波长为1064nm的滤光片的输出端与雪崩二极管模块输入端相连，雪崩二极管模块输出端与模数转换板第三输入端口相连，模数转换板通过PCI接口与计算机相连。
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