CN208488547U - 一种大气温度探测激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大气温度探测激光雷达系统，包括依次光路相接的激光器；扩束器，滤光片和反射镜，望远镜接收大气后向散射的光信号；光阑防止回波中过多的背景光进入系统并将信号由光纤导入至分光光路中；分光装置将需要的高低阶的转动拉曼光信号分光至相应的探测器中；探测器及采集、处理模块，将光信号转换为电信号并进行采集传输并处理。本实用新型的目的是提供一种快速、有效、连续地获取从近地面到高空的大气温度廓线信息的激光雷达。

Description

一种大气温度探测激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种大气温度探测激光雷达系统。

背景技术

大气温度是大气参数的重量指标之一，在研究天气预报、气候变化、大气污染分布等很多的方面具有重要作用，对于它的实时、准确监测也是气象、环境等相关研究机构的重要研究方向，当前在地表的测温手段已经相当成熟和准确，比较有代表性的测温方法包括玻璃液体温度计、铂电阻测温法和红外测温法等。其中玻璃液体温度计是在玻璃管内封入介质液体，利用介质的热膨胀进行温度测量的；铂电阻测温法是利用金属铂的电阻值随温度变化而变化，同时具有较高的稳定性和重现性的性质来制作铂电阻测温传感器的；红外测温法通过对地表物体辐射的红外能量的测量，通过一定的算法来反演温度。

随着人类对生存环境状况认识的不断深入，对环境的全方位监测也日益成为研究热点，并逐渐的发展了一系列的监测手段，对大气温度的测量也是如此。高空温度场的分布、变化、热量来源、与其他因素(如风、湿、污染物等)的关联、天气预报模型的优化等一系列的研究也迫切需要能够对大气温度场从低空到高空的立体监测手段。

目前对于大气温度的遥感探测主要有卫星探测、飞行器探测、探空仪、微波辐射计等多种手段。其中卫星探测主要利用地球自身的红外热辐射信息结合一定的大气模型来反演温度信息，它较为适合大尺度、宽空间范围的探测，温度反演精度不高；飞行器探测主要采用飞机、无人机等携带温度传感器进行探测，它的精度相对较高，但受限于地理位置、地形、天气等因素的影响；探空仪主要采用放飞气球等携带温度传感器的方法进行遥测，它的精度相对较高，但是受到天气条件、成本、地理位置等因素的影响；微波辐射计主要根据探测区域多年的数据样本结合多通道的热辐射数据进行温度反演，它的精度与温度历史数据有很大关系。

为了能够有效、快速、连续的获取从近地面到高空的大气温度廓线信息，研究人员在不断的探索新的监测手段。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是提供一种快速、有效、连续地获取从近地面到高空的大气温度廓线信息的激光雷达。

本实用新型的一种大气温度探测激光雷达系统，包括依次光路相接的：

激光器；

扩束器，对所述激光器发出的激光进行扩束并压缩发散角；

滤光片，对所述扩束器扩束后的激光进行滤光；

反射镜，对光束转向，使得到达大气中的光束光轴与接收系统光轴重合；

望远镜，接收大气后向散射的光信号；

光阑，防止回波中过多的背景光进入系统并将信号由光纤导入至分光光路中；

分光装置，将需要的高、低阶的转动拉曼光信号分光至相应的探测器中；

探测器及采集、处理模块，将光信号转换为电信号并进行采集、传输、处理及显示。

可选地，还包括一校准温度采样器，将反演到的大气温度廓线进行评估。

可选地，所述分光装置将353.8nm和356.3nm的信号光波分别传输至第一光电倍增管和第二光电倍增管。

可选地，通过光纤出来的光信号通过第一准直透镜后，又经光栅、第一聚焦透镜和切片反射镜将光信号分为两路，每一路光信号再通过各自的准直透镜、窄带滤光片和聚焦透镜分别进入光电倍增管。

可选地，返回的后向散射光信号在进入所述望远镜前先通过光学天窗，所述光学天窗的表面镀有与发射激光波长相对应的增透膜。

可选地，所述望远镜的有效通光口径为200mm～1000mm。

可选地，所述激光器的能量大于50mJ,脉宽小于20ns。

可选地，所述光纤的数值孔径0.03～0.12。

可选地，所述光学窗口上设有视频监控装置。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的一种大气温度探测激光雷达，激光器出射的激光(本实施例选择354.7nm激光)具有高能量(单脉冲能量不低于50mJ)、低重频(重频<200Hz)、窄脉宽(<20ns)、能量稳定性高(>95％)、指向性好的特点，激光通过扩束镜的扩束后经由望远镜前面的反射镜反射到大气中，激光与大气分子(主要是氮气分子和氧气分子)发生作用后回波信号透过光学天窗被望远镜所接收，并被聚焦到光阑处，经过光阑的限制，信号被光纤导入分光装置(本实施例分光装置的核心元件为光栅、窄带滤光片、切光反射片的组合)，分光装置将信号中由激光激发氮气或者氧气分子产生的高低阶转动拉曼信号分开(本实施例选择氮气分子产生的低阶转动拉曼信号波长为353.8nm,高阶转动拉曼信号波长为356.3nm)，并分别接入光电倍增管，光电倍增管将光信号放大后转化为电信号，电信号经过模拟信号放大电路、A/D转换电路、滤波电路等处理后交由数据处理及显示分系统进行温度及其他参数的反演，得到高低阶拉曼信号、距离平方信号、信噪比、温度廓线等数据产品。在整个过程中，同步控制电路主要控制激光器的出光时序和接收电路的接收时序，使得在接收信号的过程中开始从有信号返回的时候开始接收。在反演数据完成后，反演得到的近地面温度会和校准温度采样器采集得到的温度进行对比，当两者相差较大时，会发出警报信息，提醒技术人员进行处理。

本实用新型实施例含有校准温度采样器，可以在单组数据采集完成后对反演的大气温度廓线数据进行评断是否有效，在有效后才会进行显示，如连续几组数据无效将发出报警信息。

本实用新型实施例含有可选的光学天窗状态监控装置，在该装置的辅助下，技术人员能够远程监控光学天窗的实时状态，进而判断光学天窗是否需要进行清洁，是否有损坏的问题。

本实用新型实施例采用的分光装置的核心部件为光栅、窄带滤光片、切光反射片的组合，分光能力更强，对于米散射(即354.7nm的激光)的压制能力也更强，更有利于获得较为纯净的高低阶转动拉曼信号。

本实用新型实施例，在望远镜聚焦的焦点位置紧挨着光阑放置有光纤，光纤能够将望远镜接收到的信号导入到分光装置中，采用光纤大大提升了系统设计的灵活性，有利于减小系统体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的大气温度探测激光雷达系统框图；

图2为图1中分光装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种大气温度探测激光雷达，它包括激光发射光路、信号接收光路、信号处理电路、同步控制电路、数据处理及显示分系统、校准温度采样器等6个部分，具体参见图1所示，它从一个大能量的激光器1开始，本实施例的激光器采用CFR400型激光器，出光波长为354.7nm，频率为10Hz，脉冲能量为90mJ，脉宽为9ns，发散角为1.5mrad，光斑直径为6mm，激光器1出射的激光通过扩束器2，扩束器2将激光光斑直径从6mm扩束到48mm，此后的激光通过滤光片3，滤光片3为有色玻璃滤光片，它仅让275nm～375nm的光波透过，透过率能够达到80％以上，对其他波长的光波高反或者吸收；通过滤光片3的激光经过转向反射镜4和5的反射到达望远镜9前的反射镜6，经过此反射镜6的反射，发射激光到达大气中的光束的光轴与接收系统的光轴重合。激光与大气中的氮气相互作用，产生转动拉曼效应，其中后向散射回波通过光学天窗7后被望远镜9聚焦到光阑10上，光阑10位于望远镜9的焦点上，通过光阑10的限制将大部分背景光滤除，光纤11紧挨着光阑10固定，通过光阑10的信号会经过光纤11传输到分光装置12中，分光装置12将需要的高低阶的转动拉曼光信号分开并由光电倍增管13和14接收，其中光电倍增管13和14分别接收的是激光激发氮气分子产生的转动量子数为-8的波长为353.8nm回波和转动量子数为+16的波长为356.3nm回波，这两个光电倍增管将光信号接收放大并转化为电信号后被模拟信号放大电路15、A/D转换电路16、滤波电路17等接收处理，得到的信号被数据处理及显示分系统19所接收，信号处理经历时序划分、去背景、overlap校正、云校正、平滑滤波、温数据算法反演等过程后得到高低阶拉曼信号、距离平方信号、信噪比、温度廓线等数据产品后交由显示模块进行显示，在大气温度反演中遵循以下的反演公式：

或者

其中P(ν_高,z)为高阶转动量子数信号，P(ν_低,z)为低阶转动量子数信号，T为大气温度，α、β、γ为系统常数。

在实际反演过程中，一般会选取探空气球在某几个高度点的数据对雷达数据进行校准，反演得出α、β、γ的数值。

在这个过程中，光学天窗状态监控装置8主要用来监控光学天窗表面的状态，本实施例采用360智能摄像机防水版(D621型)进行数据监控，即使在夜晚状态下依然能够对其状态进行监控。同步控制电路18主要控制激光器1的出光时序和模拟信号放大电路15的接收时序，使每束激光对应产生的信号能够有序接收，防止采集无效数据。校准温度采样器20主要用来对反演得到的大气温度廓线进行评估，在反演的近地面温度数据与温度采样器采集的温度偏差>3℃时发出报警信息，由技术人员进行处理。

大气温度探测激光雷达系统中的分光装置12的作用非常重要，它的主要作用就在于能够将353.8nm和356.3nm的信号光波分成2路，并由不同的探测器所接收。具体结构如图2所示，其中光纤导入该装置的光首先被第一准直透镜121准直变成平行光(第一准直透镜的焦距为100mm，它的直径为20mm)，平行光到达光栅122，光栅122的刻线数目为2400lines/mm，光栅对平行光产生衍射效应，衍射光被第一聚焦透镜123所聚焦(第一聚焦透镜的直径为30mm)，353.8nm和356.3nm分别被聚焦到不同的位置，353.8nm的光再经过第二准直透镜129的准直后经过窄带滤光片128，窄带滤光片128的带宽为0.3nm，它能够在300nm～500nm范围内将对353.8nm±0.15nm以外的信号产生10⁶倍的压制。通过窄带滤光片128的信号经过第二聚焦透镜127后被聚焦到探测器14上。在第一聚焦透镜123后被聚焦的356.3nm的信号被切片反射镜130反射到另外一个光路中，它被第三准直透镜124准直，并通过窄带滤光片125，该窄带滤光片125的带宽为0.3nm，它能够在300nm～500nm范围内将对356.3nm±0.15nm以外的信号产生10⁶倍的压制。经过窄带滤光片125的信号被第三聚焦透镜126聚焦到探测器13上。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，包括依次光路相接的：

激光器；

扩束器，对所述激光器发出的激光进行扩束并压缩发散角；

滤光片，对所述扩束器扩束后的激光进行滤光；

反射镜，对光束转向，使得到达大气中的光束光轴与接收系统光轴重合；

望远镜，接收大气后向散射的光信号；

光阑，防止回波中过多的背景光进入系统并将信号由光纤导入至分光光路中；

分光装置，将需要的高低阶的转动拉曼光信号分光至相应的探测器中；

探测器及采集、处理模块，将光信号转换为电信号并进行采集传输并处理。

2.根据权利要求1所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，还包括一校准温度采样器，对反演到的大气温度廓线进行评估。

3.根据权利要求1或2所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，所述分光装置将353.8nm和356.3nm的信号光波分别传输至第一光电倍增管和第二光电倍增管。

4.根据权利要求3所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，通过光纤出来的光信号通过第一准直透镜后，又经光栅、第一聚焦透镜和切片反射镜将光信号分为两路，每一路光信号再通过各自的准直透镜、窄带滤光片和聚焦透镜分别进入光电倍增管。

5.根据权利要求1所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，返回的后向散射光信号在进入所述望远镜前先通过光学天窗，所述光学天窗的表面镀有与发射激光波长相对应的增透膜。

6.根据权利要求1所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜的有效通光口径为200mm～1000mm。

7.根据权利要求1所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，所述激光器的能量大于50mJ,脉宽小于20ns。

8.根据权利要求1所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，所述光纤的数值孔径0.03～0.12。

9.根据权利要求5所述的大气温度探测激光雷达系统，其特征在于，所述光学窗口上设有视频监控装置。