CN201607407U - 智能化离轴拉曼激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
一种具有自动低云探测及光束控制技术的抗损伤的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其包括激光器、用于将激光器的输出光信号进行扩束和准直的光学扩束器、作为光学信号接收器的望远镜、回波信号分离设备以及数据采集及处理单元，其进一步包括与计算机连接的低空云层自动探测单元和自动光束扫描及控制系统，所述低空云层自动探测单元探测回波信号，自动光束扫描及控制系统控制望远镜光轴，并使发射光束中心与望远镜光轴的距离可调节。本实用新型可以根据实际大气状况自动调整系统结构参数，从而有效预防信号饱和对光电探测器的永久损伤，实现一种智能化的离轴拉曼激光雷达系统。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种大气探测系统，尤其是指大气探测激光雷达系统，其主要用于探测对流层水汽分布廓线、气溶胶消光系数、后向散射系数、激光雷达比等大气参数。
【背景技术】
用于大气气溶胶参数和水汽廓线测量的拉曼激光雷达系统，一般由高功率激光器、激光发射及接收单元、信号探测单元、数据采集及处理单元组成。激光束经过发射单元射向大气目标，接收单元收集来自云层、气溶胶和水汽等大气目标的后向散射光，经高速数据采集及处理单元处理后就可以对大气目标的高度及含量分布进行定量监测。
由于拉曼散射截面很小，因此目前多采用大脉冲能量的固体或准分子激光器作为光源，大口径望远镜作为接收单元以接收尽可能多的回波光，同时多个回波信号的分离和强背景噪声的抑制等都是关键的技术。但是，由于较大的发射能量和接收望远镜口径，当低空有云存在时，弹性后向散射信号将会十分强烈，极有可能对探测器造成永久性的损伤。因此，如何实现低空云层的自动探测，并在低云存在的情况下控制光束接收参数从而防止探测器损伤已日益引起研究人员的关注。
如图1所示，为已有拉曼激光雷达的系统示意图，其公开在Appl.Opt.期刊2002年41卷36期第7657-7666页上，论文题目为“组合拉曼激光雷达测量大气温度、水汽、粒子消光系数和粒子后向散射系数”(Combined Raman Lidarfor the Measurement of Atmospheric Temperature，Water Vapor，ParticleExtinction Coefficient，and Particle Backscatter Coefficient)，作者A.Behrendt，T.Nakamura等，该系统采用Nd:YAG固体激光器经倍频激发的532.11nm波长的激光作为唯一主发射波长，脉冲能量600mJ，重复频率50Hz，出射的激光经伽利略望远镜扩束8倍后由光束转向镜垂直射入大气。与该Nd:YAG固体激光器并置的还有一个发射589nm波长激光的激光器，其发射的光束同样由转向镜垂直射入大气，用于中层大气中Na原子共振荧光信号的探测。来自目标的后向散射回波信号由直径820mm的牛顿望远镜接收，转入具有5个信号通道的多色仪，此多色仪内置多组窄带干涉滤光片、光束分离器、衰减器及光电倍增管系统，用以将各个波长的回波信号分离后导入各自的探测通道，经鉴别器甄选后，由计算机对多通道信号采集卡采集的数字信号进行处理分析，获得所需大气参数。为防止近场信号饱和，该系统在拉曼通道和弹性通道的探测器前安置衰减片，以对总体回波信号进行衰减。
图2为另一拉曼激光雷达系统的示意图，其公开在Appl.Phys.B期刊1992年55卷第18-28页上，论文题目为“组合弹性后向散射-拉曼激光雷达探测水汽、气溶胶消光系数、后向散射和激光雷达比的竖直廓线”(CombinedRaman Elastic-Backscatter LIDAR for Vertical Profiling of Moisture，AerosolExtinction，Backscatter，and LIDAR ratio)，作者A.Ansmann，M.Riebesell等，该系统采用XeCl准分子激光器发出的308nm激光作为发射波长，脉冲能量270mJ，最大重复频率250Hz，使用竖直指向的无聚焦牛顿望远镜作为激光雷达发射器及接收器，输出的激光束经10倍扩束后射入大气，大气目标散射的回波光信号由直径800mm的望远镜接收，一个可旋转的900转向镜置于主镜中心用于将光束转入两个多色仪之一。一个多色仪是二色分光镜与干涉滤光片系统，用于分离弹性散射信号及氮气和水汽的拉曼信号；另一个光栅多色仪用于分离二氧化碳、氧气和水的拉曼信号，分离后的不同波长的回波信号分别进入各自的探测通道，经鉴别器甄选后由光子计数器计数，然后由计算机对采集到的信号进行处理分析，获得大气目标参数。
为了获得足够强的拉曼信号，上述两例均采用了较大的激光发射能量和接收望远镜口径，此类系统的限制在于：
由于缺乏低空云层的自动探测系统及相应的光束控制技术，加之大的发射能量和固定不变的收发系统离轴距离，在低云存在的情况下，此类系统极易因强烈的低空后向散射信号造成探测器的永久损伤。系统1中衰减片对整体回波信号的衰减虽然能在一定程度上防止探测器的过饱和损伤，但在低空云层存在的情况下，过于强烈的后向散射信号使这种方法难以满足实际的探测要求，同时对整体回波信号的衰减也降低了信噪比，造成了高能激光的浪费。另外，收发系统的离轴距离固定不变也难以适应多变的大气状况的探测要求。
【实用新型内容】
本实用新型的目的在于提供一种可根据实际大气状况自动调整系统结构参数，可有效预防光电探测器永久损坏的智能化离轴拉曼激光雷达系统。
为实现本实用新型目的，提供以下技术方案：
本实用新型智能化离轴拉曼激光雷达系统，其包括：
激光器，经倍频和三倍频后分别输出波长为532nm和355nm的激光束；
光学扩束器，用其将所述激光器输出的倍频和三倍频光信号进行扩束和准直，并输出高斯光强分布的平行光信号；
作为光学信号接收器的望远镜；
低空云层自动探测单元、自动光束扫描及控制系统，其与计算机连接，其中该自动光束扫描及控制系统是有三个直线轴、两个转动轴的五轴光束扫描及控制系统；
回波信号分离设备，其包括多个二色分束镜、滤波器、光栅多色仪和探测器，用于将所需波长的回波信号分离并导入各自探测通道。其作用是滤掉望远镜接收的回波光信号中其他波长的背景杂散光，分离弹性散射信号和水汽拉曼信号及氮气拉曼信号，并在拉曼信号通道中获得足够的弹性散射信号压缩比。其中滤波器一般采用窄带干涉滤光片。
以及高速数据采集及处理单元，用以完成对光电转换后的电信号的采集、模数转换、存储及数据处理工作。
所述低空云层自动探测单元探测回波信号，自动光束扫描及控制系统可控制望远镜光轴，并使发射光束中心与望远镜光轴的距离可调节。
还可以进一步辅之以与计算机连接的可调光阑，由计算机控制该可调光阑的改变，其可改变望远镜的视场，从而对近场或远场目标进行选择性测量，该可调光阑可在0.2-3mrad之间改变接收视场角，从而在低空云层存在时可辅助自动光束扫描及控制系统限制探测器的信号饱和。
该回波信号分离设备包括两组由二色分束镜和滤波器组成的散射探测通道，以及置于光栅多色仪前的机械快门，该机械快门与计算机连接。根据该散射探测通道探测到的不同波长的弹性散射信号，由多通道信号采集卡采集后输入计算机，计算机进行数据处理后将当前云层参数与模拟数据库中已有的各类云层信号的特征参数进行比较后自动选择优化的控制参数，并由计算机驱动自动光束扫描及控制系统自动调节接收望远镜离轴距离及接收视场角等各项系统结构参数，使探测效果达到最优，之后开启机械快门，进行大气拉曼散射信号探测。
所述的激光器是Nd:YAG固体激光器，脉冲能量为100～300mJ，重复频率为10～50Hz。
所述的激光器的输出光信号经扩束和准直后的光束直径为25～60mm，所述的接收望远镜为牛顿望远镜，直径为300～600mm。
所述的自动光束扫描及控制系统的直线轴移动距离在100～150mm，转动轴旋转角度范围在±30°。该自动光束扫描及控制单元可根据低空云层自动探测单元获得的预警信号特征，自动改变发射光束中心与接收望远镜光轴的距离，从而有效预防信号饱和，保护光电探测器。
本实用新型的具有自动低云探测及光束控制技术的抗损伤的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其主要优点如下：
(1)系统采用离轴设计，且可自动调节发射光束中心与接收望远镜光轴的距离，减小了近场回波信号较强时对高灵敏度探测器长时间照射所产生的损伤，同时亦减小了近场信号饱和的风险；
(2)特有的低空云层自动探测系统可迅速捕捉到大气中的云层信息，并将之反馈到光束控制终端，结合模拟数据库中已有的各类云层信号的特征参数，自动光束扫描及控制系统可自动地优化选择发射光束中心与接收望远镜光轴的距离和望远镜视场光阑孔径大小，从而有效消除低空云层存在时强回波信号对探测器造成的永久损伤，并可在避免近场信号饱和的情况下达到最佳的大气探测效果；
(3)与收发系统离轴距离固定不变的离轴激光雷达系统相比，本实用新型所涉及的系统能够根据实际大气状况自动选择最适合的系统结构参数，更好地满足了长期、全自动化大气测量的要求。
下面结合附图就本实用新型的最佳实施例详细说明如下：
【附图说明】
图1为已有技术之一的拉曼激光雷达系统示意图；
图2为已有技术之二的拉曼激光雷达系统示意图；
图3为本发明智能化离轴拉曼激光雷达系统示意图；
图4为模拟数据库中选取的几组收发视场几何因子随探测高度的典型变化曲线；
图5为不同系统参数条件下探测器接收到的回波信号强度廓线，曲线1代表共轴激光雷达采集到的信号，曲线2和4代表没有光束控制系统、系统参数固定的两种离轴激光雷达系统采集到的信号，曲线3代表具有自动低云探测和光束控制系统的离轴激光雷达系统在调整系统结构参数后采集到的信号。
【具体实施方式】
本发明提出的具有自动低云探测和光束控制技术的智能化离轴拉曼激光雷达系统的结构如图3所示，从固体Nd:YAG激光器1输出的二倍频(532nm)和三倍频(355nm)激光束，经扩束器2进行扩束和准直后，产生一高斯光强分布的激光束射向大气目标。返回的混合散射光(含弹性及拉曼散射信号)由牛顿望远镜3接收后耦合进入导光光纤4，再分别送入由二色分束器5、窄带干涉滤光片7组成的355nm弹性米散射探测通道及由二色分束器6、窄带干涉滤光片8组成的532nm弹性米散射探测通道，经凸透镜聚焦到探测器9、10进行光电信号转换。元件11是由计算机控制的机械快门，此时处于关闭状态，以防止低空云层存在的情况下过强的近场回波信号损伤高灵敏度的探测器14、15。
探测器9及10探测到的不同波长的弹性散射信号由多通道信号采集卡采集后输入计算机16，计算机进行数据处理后将当前云层参数与模拟数据库中已有的各类云层信号的特征参数进行比较后自动选择优化的控制参数，并由计算机驱动光束扫描及控制单元12自动调节接收望远镜离轴距离及接收视场角等各项系统结构参数，使探测效果达到最优。图4给出模拟数据库中几组典型的收发视场几何因子随探测高度的变化曲线，由图可见通过改变望远镜离轴距离和接收视场角，激光束开始进入望远镜视场时的高度及激光束发射视场与望远镜接收视场的重叠速率均会不同，以此为依据可控制系统仪器参数，给系统提供有效的防护。图5为不同系统参数条件下探测器接收到的弹性回波信号强度廓线，假设低空云层的云底高度150m，厚度100m，地面能见度10km。为作对比，曲线1给出了共轴激光雷达采集到的信号，曲线2和4给出了没有光束控制系统、系统参数固定的两种离轴激光雷达系统采集到的信号，其中曲线2取离轴距离为425mm、望远镜视场角1.5mrad，曲线4取离轴距离为475mm、望远镜视场角1.5mrad；观察各回波信号曲线可见，曲线1和2的信号最大值均超过了探测器饱和阈值，直接造成了探测器损伤，曲线4的信号强度虽低于饱和阈值，但信号总体强度过小、信噪比较低，增大了测量误差，且低空较长一段距离内接收到的回波信号均为零，造成了近场信号的丢失，使得探测得到的各大气参数不完整；曲线3给出了具有自动低云探测和光束控制系统的离轴激光雷达系统在调整系统结构参数后采集到的信号，其最大值低于探测器饱和阈值，不会对探测器造成损伤，同时探测器量程范围内较高的回波信号强度也提高了信噪比，保证了近场大气状况的探测。经分析，与共轴结构的激光雷达相比，离轴激光雷达不容易在近场造成信号饱和；相对于离轴距离和望远镜视场光阑固定的离轴激光雷达，我们的系统可以更灵活地选择合适的系统结构参数以适应当前的大气状况，从而使探测效果达到最优化。
自动低云探测和光束控制过程完成后，快门11开启，此时开始正式的大气拉曼散射信号探测。光栅型多色仪13将回波混合光信号中分别由氮分子及水汽产生的387.0nm及407.9nm的窄带拉曼散射信号分离后分别导入高灵敏度的光子计数光电探测器14、15，经探测器9、10、14、15转换后的电信号由安装在电子计算机16中的多通道信号采集卡进行采集、模数转换及存储，最后由计算机对获得的时间分辨信号进行数字信号处理得到大气中水汽分布廓线、气溶胶消光系数、后向散射系数、激光雷达比等大气参数。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能化离轴拉曼激光雷达系统，其包括激光器、用于将激光器的输出光信号进行扩束和准直的光学扩束器、作为光学信号接收器的望远镜、回波信号分离设备以及数据采集及处理单元，其特征在于，其进一步包括与计算机连接的低空云层自动探测单元和自动光束扫描及控制系统，所述低空云层自动探测单元探测回波信号，自动光束扫描及控制系统控制望远镜光轴，并使发射光束中心与望远镜光轴的距离可调节。
2.如权利要求1所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，其进一步包括与计算机连接的可改变望远镜视场的可调光阑。
3.如权利要求2所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该可调光阑可在0.2-3mrad之间改变接收视场角。
4.如权利要求1所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该回波信号分离设备包括二色分束镜、滤波器、光栅多色仪和探测器。
5.如权利要求4所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该回波信号分离设备包括两组由二色分束镜和滤波器组成的散射探测通道。
6.如权利要求5所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该回波信号分离设备还包括置于光栅多色仪前的机械快门，该机械快门与计算机连接。
7.如权利要求1所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该激光器是Nd:YAG固体激光器，其脉冲能量为100～300mJ，重复频率为10～50Hz。
8.如权利要求1所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该激光器的输出光信号经扩束和准直后的光束直径为25～60mm，所述的接收望远镜为牛顿望远镜，直径为300～600mm。
9.如权利要求1所述的智能化离轴拉曼激光雷达系统，其特征在于，该自动光束扫描及控制系统的直线轴移动距离在100～150mm，转动轴旋转角度范围在±30°。
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