CN1982916A - 机载大气环境探测激光雷达及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载大气环境探测激光雷达，包括有飞机平台，接收望远镜，和望远镜侧臂上安装有532nm波长的Nd:YAG激光器及其供电与冷却单元，在激光器发射口安装有扩束镜，望远镜的保护镜上镀有532nm波长的增透膜，主、副镜上则镀有532nm波长的介质全反膜，望远镜接收的光的焦点处安装有最小视场角为0.5mrad的光阑，光阑后依次安装有一会聚透镜、滤光片，滤光片后的光路中安装有一小会聚透镜，该会聚透镜后安装有R7400U型光电倍增管，光电倍增管的输出信号接入信号采集与处理设备。本发明还公开了该雷达的探测方法。探测信号的动态范围达到10⁵个数量级，保证机载大气环境探测激光雷达即使采用单通道采集，也能满足整个低对流层回波信号的探测要求。

Description

机载大气环境探测激光雷达及其探测方法

技术领域

本发明属于一种激光雷达，具体是一种机载大气环境探测雷达及其探测方法。

背景技术

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，产生包含气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用反演的方法就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。

目前，探测大气的激光雷达都是地基式：

但地基激光雷达获取大气的反馈信息有限，不能及时反映大气地区分布的特点。尤其在大气层结不稳定的情况下，气溶胶污染物的分布情况更加复杂，由地基激光雷达获得的信息并不能正确地反映大气快速变化的过程，机载激光雷达有效地弥补了地基激光雷达的这一缺陷。中国科学院安徽光机所发展的机载大气环境探测激光雷达是我国首次研制成功、用于大气环境探测并获得定量结果的主动探测工具。

发明内容

本发明提供一种机载大气环境探测激光雷达及其探测方法，可用于白天和夜间进行大气边界层结构及气溶胶时空分布的探测；提出了适合本机载大气环境探测激光雷达的数据反演方法。

本发明的技术方案如下：

机载大气环境探测激光雷达，包括有飞机平台，接收望远镜，和望远镜侧臂上安装有532nm波长的Nd：YAG激光器及其供电与冷却单元，其特征在于在激光器发射口安装有扩束镜，望远镜的保护镜上镀有532nm波长的增透膜，主、副镜上则镀有532nm波长的介质全反膜，望远镜接收的光的焦点处安装有最小视场角为0.5mrad的光阑，光阑后依次安装有一会聚透镜、滤光片，滤光片后的光路中安装有一小会聚透镜，该会聚透镜后安装有R7400U型光电倍增管，光电倍增管的输出信号接入信号采集与处理设备。

机载大气环境探测激光雷达的探测方法，其特征在于由532nm波长的Nd：YAG激光器向天空发射经过扩束的激光，与激光方向平行的望远镜接收激光的后向散射光，在望远镜的保护镜上镀有532nm波长的增透膜，在主、副镜上镀有532nm波长的介质全反膜，后向散射光经过主、副镜反射，在焦点处再经过光阑除杂光，经过会聚透镜准直和中心波长为532nm、带宽为0.3nm的滤光片过滤，再经过另一会聚透镜后，到达R7400U型光电倍增管的阴极面上，光电倍增管将光信号转化成电信号后，输送到信号采集与处理设备处理分析；反演气溶胶消光系数使用的是Fernald方法，飞行高度以下的对流层中假设一标定点，标定点消光系数可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\exp [(S-S_m)/k]-1}{\frac{2}{k}{\∫}_{r_b}^{r_m}\exp [(S-S_m)/k]{\mathrm{dr}}^{\′}}---\left(1\right)$

其中：S(r)＝ln(P(r)r²)，表示距离平方校正信号的对数值；此处取k＝1；(r_b，r_m)则表示消光系数近似不变的一层大气，也即S(r)曲线中斜率相对不变的一段区域，后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，简称BER)取标准值0.03。

机载大气环境探测激光雷达在结构设计和采用技术方面具备以下主要特点：

1)激光器背负在望远镜上，激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑稳定的优点，背负在望远镜侧臂上，使用前只需一次性对光，保证激光束与望远镜接收主轴平行，严格固定它们之间的相互位置。激光用扩束镜进行扩束处理，利于白天探测，也可保护“人眼安全”。

2)望远镜根据需要自己设计，保护镜上镀有532nm波长的增透膜，主副镜上则镀有同波长的介质全反膜，因此后继光路不用再加532nm波长的全反镜，简化了后继光路的结构；使用钢件结构，并在负载的承重点打上加固箍，这样即使在机载平台上也能保证整个发射光路与接收光路非常稳定。

3)A/D和光子计数技术相结合，探测信号的动态范围达到10⁵个数量级，保证机载大气环境探测激光雷达即使采用单通道采集，也能满足整个低对流层回波信号的探测要求。

4)完备的本发明激光雷达的控制采集程序，使用LabVIEW语言编写，显示回波信号曲线，还以图的方式连续显示距离平方校正过的回波信号，从而直观表达了气溶胶随时空的演变情况；设定成定时采集的方式，可以实现无人值守的工作方式，提高了系统的自动化程度。垂直分辨率为7.5m、水平分辨率为60m的情况下，也能保证探测高度范围上有足够的信噪比。

5)适合于本机载大气环境探测激光雷达的数据反演方法，保证获得正确的大气边界层及气溶胶消光系数时空分布曲线。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是2005年11月8日和11日下午的飞行航行图。

图32005年11月8日15:50时及11日15:58时真实回波信号和模拟回波信号比较。

图42005年11月8日从青岛到渤海飞行路径上本发明激光雷达得到的RCS图和15:10的消光垂直廓线。

图52005年11月11日从青岛到渤海飞行路径上本发明激光雷达得到的RCS图和13:14的消光垂直廓线。

图62005年11月11日从B36到日照飞行路径上本发明激光雷达得到的RCS图和15:10的消光垂直廓线。

具体实施方式

参见附图。

飞机平台

综合考虑各种因素，租用中国海监的CMS-3807飞机作为本发明激光雷达机载平台，其主要参数见表1。CMS-3807飞机机舱地板左前方和左后方各有一个360*360mm和530*530mm的裸露通道，由于本发明激光雷达的激光器背负在直径为200mm望远镜侧臂上，总跨度320mm，因此机舱左前方通道被用做本发明激光雷达的发射与接收窗口。飞机和本发明激光雷达之间采用方钢框架做接口。

表1 CMS-3807飞机主要参数

机长：             14.86m

翼展：             17.235m

飞行高度：         5000m

实际飞行高度：     3540m

续行能力：         1440km

载重能力：         0.7ton

最大起飞承重：     5.3ton

飞机净重：         4.6ton

巡航速度：         ～300km/h

实际巡航速度       ～220km/h

激光雷达主体

表2本发明激光雷达激光雷达的主要参数

发射光学单元

激光器          Nd：YAG(Quantel：Brilliant Ultra)

波长(nm)                   532

脉冲能量(mJ)               30

脉冲工作频率(Hz)           20

光束发散角(mrad)           1.5

脉冲宽度(ns)               ＜7

扩束镜倍率                 5

扩束后的激光发散角(mrad)   0.3

接收光学单元

接收望远镜                 Cassegrain

直径(mm)                   200

光阑视场(mrad)             2.5

滤光片

中心波长                   532

带宽(nm)                   0.3

信号探测单元

光电倍增管                 PM-HV-20(Hamamatsu)

量子效率                   25％

暗计数(CPS)                3000

信号采集单元

类型                       瞬态记录仪(TR)

信号最小时间分辨率         1/20second

                           (30m vertical by 3m horizontal)

信号处理时间分辨率         10second

                           (30m vertical by 600m horizontal)

激光雷达系统     激光雷达主体    激光供电致冷单元       TR

重量                 20kg              15kg            7.5kg

功耗                                   500W            200W

尺寸                 850×200(+120)     190×370×360     342×311×177

本发明激光雷达使用工作波长532nm、脉冲能量30mJ、重复频率20Hz的Big Sky Ultra系列Nd：YAG激光器，除了一个总重为1.25kg的激光头及倍频头，还有一个闭合回路的水致冷供电单元。激光头谐振腔采用折叠式平-平腔，并使用单棒设计。折叠式设计有利于缩短谐振腔长度，提高激光头机械稳定度，而且使全反镜与透出镜靠近，便于谐振腔的调整；平-平腔设计一方面便于谐振腔的调整，另一方面利于激光模式的选择；而单棒设计简化了激光器的操作与维护。上述设计使得整个激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑稳定等优点，特别适合在飞机平台上使用。1.5mrad的光束发散角用于白天探测会造成很强的背景光，同时从“人眼安全”的角度考虑，在激光器发射口用5倍扩束镜对激光进行扩束处理。激光器的工作状态完全由计算机通过R232串口进行控制。

卡塞格林望远镜直径200mm，焦距f/10，保护镜上镀有532nm波长的增透膜，主副镜上则镀有同波长的介质全反膜，使用钢件结构，并在望远镜负载的承重点打上加固箍，这样即使在机载平台上也能保证整个发射光路与接收光路非常稳定。望远镜接收的光通过置于焦点处、最小视场角为0.5mrad的光阑后，被中心波长为532nm、带宽为0.3nm的滤光片过滤，很好地抑制了背景光。本发明激光雷达使用光子计数的R7400U型光电倍增管，它具有暗噪声低、高增益等特点，对532nm波长的光量子效率可以达到25％，为了使回波信号完全进入8mm的阴极探测面，在其前面放置有短焦距的会聚透镜。

信号采集设备：本发明采用的瞬态记录仪由一个采集频率40MHz的A/D转换器、采集频率250MHz的光子鉴别器、多通道前置放大器、累加平均器和电压转换电路集合而成。A/D转换器用于近距离较强信号的采集，而光子鉴别器则用于远距离较弱信号的采集，最终输出的是完整的回波信号，A/D和光子计数技术结合使用保证瞬态记录仪信号探测动态范围达到10⁵个数量级；电压转换电路给光电倍增管提供所需的高压；瞬态记录仪的触发信号直接取自于激光器的Q-Switch同步输出，采集到的回波信号则通过RJ45口从瞬态记录仪的缓存传输入计算机磁盘。

本发明激光雷达的控制采集程序使用LabVIEW语言编写，在Windows XP操作系统中运行。采集到的数据被累加平均后，与实验地点、经纬度、探测波长、探测时刻等信息被保存在控制计算机磁盘中；控制采集程序图形界面上除了显示回波信号曲线，还以图的方式连续显示距离平方校正过的回波信号，从而直观表达了气溶胶随时空的演变情况；控制采集程序可以设定成定时采集的方式，采集的时间间隔可以自由选择，从而实现了本发明激光雷达无人值守的工作方式，提高了系统的自动化程度。

供电单元

为了防止强弱电设备之间相互干扰，对本发明激光雷达的供电电源预备了两套方案。一种是直接使用CMS-3807上的24DCV输出；另一种是用6块105Ah、12DCV的蓄电池组供电，其中4块用于强电设备，2块用于弱电设备，一次充电可以保证本发明激光雷达持续使用8小时左右，长于CMS-3807飞机的续行时间。直流电源分两路经过两个24V输入的逆变器后，转化为220V-50Hz正弦波2KVA输出，再经稳压器，分别供电于激光器和瞬态记录仪。

数据反演方法

反演气溶胶消光系数使用的是Fernald方法，飞行高度以下的对流层中假设一标定点，标定点消光系数可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\exp [(S-S_m)/k]-1}{\frac{2}{k}{\∫}_{r_b}^{r_m}\exp [(S-S_m)/k]{\mathrm{dr}}^{\′}}---\left(1\right)$

其中：S(r)＝ln(P(r)r²)，表示距离平方校正信号的对数值；此处取k＝1；(r_b，r_m)则表示消光系数近似不变的一层大气，也即S(r)曲线中斜率相对不变的一段区域。通过分析实验数据发现，由于白天大气的强烈混合，这种近似均匀的垂直大气层是存在的。后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，简称BER)取标准值0.03。

实验设计

在不违反航空管制的情况下，为了研究不同下垫面对大气气溶胶时空分布产生的影响，本发明激光雷达飞行路径主要采用南北走向，探测区域位于北纬35 °-38°，东经119.5°-120.5°之间。这一区域主要包括青岛地区及周边海域，含盖了城市、丘陵、海陆交界区及海区等多种不同下垫面。在所有飞行过程中，飞机倾斜角不得超过2度，航高起伏不得超过10米，这就要求有较好的飞行条件，因此飞行计划要求随气象条件做适当的调整。为保证有足够的信噪比，本发明激光雷达回波信号每200个脉冲做一次平均，探测垂直分辨率30m，水平分辨率600m。图2是2005年11月8日(路径1)和11日(路径2)的飞行路径。

实验结果

数值模拟计算回波信号既是研制激光雷达时确定各主要技术参数的手段，也是判断真实回波信号是否正确的依据。图3中的黑虚线是用本发明激光雷达主要技术参数和美国标准大气模式1计算得到的模拟回波信号，浅实线和深实线分别是2005年11月8日和11日实际回波信号中任意选出的两组。从图中可以看出，实际回波信号和模拟回波信号有非常一致的变化趋势，这说明实际回波信号是正确的。近地面实际回波信号较模拟回波信号大，这是青岛地区近地面比较脏的缘故所引起，在北京、南京等城市做地基探测时也出现这种现象。另外，虽然与地基激光雷达一样，离激光发射口越远回波信号越小，但是由于越接近地面气溶胶分布越密，致使随距离增大回波信号衰减的速度变小，因此回波信号动态范围也变小，这对于解决探测器饱和的问题是很有益的。

11月8日的飞行路径为南北走向，北京时间14:10飞机在青岛沧口机场起飞，从龙口方向出渤海6km左右，再按原来的路径于16:10返回沧口机场，飞行路径如图2中的Leg1所示。图4是去程上得到的距离平方校正过的回波信号(range corrected signal，简称RCS)

图和15:10的消光垂直廓线，飞行路径上大气下垫面经过了一个从城市到丘陵再到海洋的变化。飞行期间青岛地区被高压控制，因此天气晴朗，同时伴有偏北方向的微风。机场地面能见度为10km左右，地面温度高达28℃。

从图4左边的RCS图可以看到，1km以下高度，随着下垫面的不同，飞行路径上色彩出现从黄绿→绿→蓝绿的渐变过程，表明离城市越远，气溶胶分布越少；在1.2km-1.9km高度上，有一层气溶胶粒子在海风的作用下从海洋向陆地扩散，经过丘陵地区的山脉时，因逆风波被抬升，越过山峰后，又因顺风坡而向下沉降，它与人为生产的城市气溶胶共同造成了气溶胶呈现上述变化趋势的特点；除此之外，从图中可以确定这天的大气边界层在2km左右，但因为海区的温度较城区低，以及山脉海风的作用，使得山峰以后的飞行路径上大气边界层呈现下降的趋势，夹卷层厚度也明显变小，尤其在山峰的峰顶出现了很大的降幅。图4右边的消光垂直廓线与同一时刻RCS图所反应气溶胶和边界层结构完全一致，其中的虚线表示气溶胶层所在的位置。

11月11日

11月11日的飞行路径如图2中的Leg2所示，北京时间12:30仍然从青岛沧口机场起飞，经蓬莱出海10km，返回沧口机场，再往北经青岛港、胶州弯、黄岛、灵山岛、斋堂岛、(B36-日照往返两次)，于北京时间16:30再返回沧口机场。图5和图6分别是青岛-蓬莱-渤海及B36-日照两段飞行路径上所得到的RCS图和消光垂直廓线。这天的地面气象场与11月8日的不同，尽管在高压的控制下，天气依旧保持晴朗，但伴随的是偏南微风，与11月8日相比出现大的降温现象，地面气温只有10℃左右，近地层大气相对湿度变大，达到85％，使青岛地区及周边海域出现大范围降雾，尤其是黄海海域更加严重。受大雾影响，机场地面能见度不到4km。

从图5中的RCS图可以看出，虽然这段飞行路径和11月8日基本相同，但由于期间出现明显的降温过程，使得垂直方向上气溶胶分布有很大差别，出现多层分布的现象，这就表明在垂直方向上温度、湿度也呈多层非均匀分布，并且极有可能出现多层风切变。与11月8日相比，这天此飞行路径上大气边界层降低不少，大约在1.2km处，而且由于气温比较低，大气相对湿度又比较大，边界层顶的夹卷现象并不显著。大气边界层内气溶胶仍然呈现离城市越远越少的分布趋势，这说明青岛地区边界层气溶胶的发生源主要在城市，同时逆风坡的抬升和顺风坡的沉降作用清晰可见，而且山脉对气溶胶从城市向海区传输的阻挡作用非常明显。在1.8km-2.6km高度存在较厚的一层气溶胶，在它的内部可以清楚看到次的分层现象，从图5右边的消光垂直廓线可以更加清楚地看到这一点(图中虚线为各气溶胶层所在高度)，但从图5中看不出下垫面及地面气象要素对这层气溶胶结构存在明显的影响。由于探测资料有限、垂直气象场信息又很缺乏，目前还不能对这种现象的物理机制做出解释，对这层气溶胶的发生源也无法做出正确判断。3km高度处的气溶胶层相对来说比较薄，从变化趋势可以确定这层气溶胶正从海洋向陆地传输，而且质量也比较大，因为输送过程中出现明显的分离和下沉现象，我们认为极有可能是附着海盐粒子的气溶胶。

图6的飞行路径上大气下垫面主要为近陆地的海面，而且大雾笼罩。同样受明显天气过程的影响，海区气溶胶在垂直方向上仍然呈多层分布的现象，但与图5相比，每层气溶胶所在的高度相较偏低，存在明显的沉降现象，大气边界层的高度也明显下降，大约在0.8km处。由于海陆之间的充分对流及单一的下垫面，使得海区的大气水平分布比较均匀，各层气溶胶的厚度和所处高度随路径没有较大变化，这正是海洋大气水平分布的典型特点。帖着海面颜色较浅的一层并不表示此处的大气比较干净，主要是激光穿过大雾时能量衰减很快所致。同样，图6右边的消光垂直廓线和同一时刻RCS反应的大气气溶胶消光垂直垂直分布非常吻合，而且更加细致，虚线为各气溶胶层所在的高度。

Claims (2)

1、机载大气环境探测激光雷达，包括有飞机平台，接收望远镜，和望远镜侧臂上安装有532nm波长的Nd:YAG激光器及其供电与冷却单元，其特征在于在激光器发射口安装有扩束镜，望远镜的保护镜上镀有532nm波长的增透膜，主、副镜上则镀有532nm波长的介质全反膜，望远镜接收的光的焦点处安装有最小视场角为0.5mrad的光阑，光阑后依次安装有一会聚透镜、滤光片，滤光片后的光路中安装有一小会聚透镜，该会聚透镜后安装有R7400U型光电倍增管，光电倍增管的输出信号接入信号采集与处理设备。

2、机载大气环境探测激光雷达的探测方法，其特征在于由532nm波长的Nd:YAG激光器向天空发射经过扩束的激光，与激光方向平行的望远镜接收激光的后向散射光，在望远镜的保护镜上镀有532nm波长的增透膜，在主、副镜上镀有532nm波长的介质全反膜，后向散射光经过主、副镜反射，在焦点处再经过光阑除杂光，经过会聚透镜准直和中心波长为532nm、带宽为0.3nm的滤光片过滤，再经过另一会聚透镜后，到达R7400U型光电倍增管的阴极面上，光电倍增管将光信号转化成电信号后，输送到信号采集与处理设备处理分析；反演气溶胶消光系数使用的是Fernald方法，飞行高度以下的对流层中假设一标定点，标定点消光系数可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\exp [(S-S_m)/k]-1}{\frac{2}{k}{\∫}_{r_b}^{r_m}\exp [(S-S_m)/k]\mathrm{dr}}$

(1)

其中：S(r)＝ln(P(r)r²)，表示距离平方校正信号的对数值；此处取k＝1；(r_h，r_m)则表示消光系数近似不变的一层大气，也即S(r)曲线中斜率相对不变的一段区域，后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，简称BER)取标准值0.03。

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