專(zhuān)利名稱(chēng)：機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)及其探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種激光雷達(dá)，具體是一種機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)雷達(dá)及其探測(cè)方法。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)是以激光為光源，通過(guò)探測(cè)激光與大氣相互作用的輻射信號(hào)來(lái)遙感大氣。激光與大氣的相互作用，產(chǎn)生包含氣體分子和氣溶膠粒子有關(guān)信息的輻射信號(hào)，利用反演的方法就可以從中得到關(guān)于氣體分子和氣溶膠粒子的信息。
目前，探測(cè)大氣的激光雷達(dá)都是地基式但地基激光雷達(dá)獲取大氣的反饋信息有限，不能及時(shí)反映大氣地區(qū)分布的特點(diǎn)。尤其在大氣層結(jié)不穩(wěn)定的情況下，氣溶膠污染物的分布情況更加復(fù)雜，由地基激光雷達(dá)獲得的信息并不能正確地反映大氣快速變化的過(guò)程，機(jī)載激光雷達(dá)有效地彌補(bǔ)了地基激光雷達(dá)的這一缺陷。中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所發(fā)展的機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)是我國(guó)首次研制成功、用于大氣環(huán)境探測(cè)并獲得定量結(jié)果的主動(dòng)探測(cè)工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)及其探測(cè)方法，可用于白天和夜間進(jìn)行大氣邊界層結(jié)構(gòu)及氣溶膠時(shí)空分布的探測(cè)；提出了適合本機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)反演方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)，包括有飛機(jī)平臺(tái)，接收望遠(yuǎn)鏡，和望遠(yuǎn)鏡側(cè)臂上安裝有532nm波長(zhǎng)的NdYAG激光器及其供電與冷卻單元，其特征在于在激光器發(fā)射口安裝有擴(kuò)束鏡，望遠(yuǎn)鏡的保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，主、副鏡上則鍍有532nm波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，望遠(yuǎn)鏡接收的光的焦點(diǎn)處安裝有最小視場(chǎng)角為0.5mrad的光闌，光闌后依次安裝有一會(huì)聚透鏡、濾光片，濾光片后的光路中安裝有一小會(huì)聚透鏡，該會(huì)聚透鏡后安裝有R7400U型光電倍增管，光電倍增管的輸出信號(hào)接入信號(hào)采集與處理設(shè)備。
機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)的探測(cè)方法，其特征在于由532nm波長(zhǎng)的NdYAG激光器向天空發(fā)射經(jīng)過(guò)擴(kuò)束的激光，與激光方向平行的望遠(yuǎn)鏡接收激光的后向散射光，在望遠(yuǎn)鏡的保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，在主、副鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，后向散射光經(jīng)過(guò)主、副鏡反射，在焦點(diǎn)處再經(jīng)過(guò)光闌除雜光，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡準(zhǔn)直和中心波長(zhǎng)為532nm、帶寬為0.3nm的濾光片過(guò)濾，再經(jīng)過(guò)另一會(huì)聚透鏡后，到達(dá)R7400U型光電倍增管的陰極面上，光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后，輸送到信號(hào)采集與處理設(shè)備處理分析；反演氣溶膠消光系數(shù)使用的是Fernald方法，飛行高度以下的對(duì)流層中假設(shè)一標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定點(diǎn)消光系數(shù)可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示為σm=exp[(S-Sm)/k]-12k∫rbrmexp[(S-Sm)/k]dr′---(1)]]>其中S(r)＝ln(P(r)r2)，表示距離平方校正信號(hào)的對(duì)數(shù)值；此處取k＝1；(rb，rm)則表示消光系數(shù)近似不變的一層大氣，也即S(r)曲線(xiàn)中斜率相對(duì)不變的一段區(qū)域，后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)BER)取標(biāo)準(zhǔn)值0.03。
機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用技術(shù)方面具備以下主要特點(diǎn)1)激光器背負(fù)在望遠(yuǎn)鏡上，激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，背負(fù)在望遠(yuǎn)鏡側(cè)臂上，使用前只需一次性對(duì)光，保證激光束與望遠(yuǎn)鏡接收主軸平行，嚴(yán)格固定它們之間的相互位置。激光用擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束處理，利于白天探測(cè)，也可保護(hù)“人眼安全”。
2)望遠(yuǎn)鏡根據(jù)需要自己設(shè)計(jì)，保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，主副鏡上則鍍有同波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，因此后繼光路不用再加532nm波長(zhǎng)的全反鏡，簡(jiǎn)化了后繼光路的結(jié)構(gòu)；使用鋼件結(jié)構(gòu)，并在負(fù)載的承重點(diǎn)打上加固箍，這樣即使在機(jī)載平臺(tái)上也能保證整個(gè)發(fā)射光路與接收光路非常穩(wěn)定。
3)A/D和光子計(jì)數(shù)技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到105個(gè)數(shù)量級(jí)，保證機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)即使采用單通道采集，也能滿(mǎn)足整個(gè)低對(duì)流層回波信號(hào)的探測(cè)要求。
4)完備的本發(fā)明激光雷達(dá)的控制采集程序，使用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)，顯示回波信號(hào)曲線(xiàn)，還以圖的方式連續(xù)顯示距離平方校正過(guò)的回波信號(hào)，從而直觀(guān)表達(dá)了氣溶膠隨時(shí)空的演變情況；設(shè)定成定時(shí)采集的方式，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的工作方式，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。垂直分辨率為7.5m、水平分辨率為60m的情況下，也能保證探測(cè)高度范圍上有足夠的信噪比。
5)適合于本機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)反演方法，保證獲得正確的大氣邊界層及氣溶膠消光系數(shù)時(shí)空分布曲線(xiàn)。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是2005年11月8日和11日下午的飛行航行圖。
圖32005年11月8日15:50時(shí)及11日15:58時(shí)真實(shí)回波信號(hào)和模擬回波信號(hào)比較。
圖42005年11月8日從青島到渤海飛行路徑上本發(fā)明激光雷達(dá)得到的RCS圖和15:10的消光垂直廓線(xiàn)。
圖52005年11月11日從青島到渤海飛行路徑上本發(fā)明激光雷達(dá)得到的RCS圖和13:14的消光垂直廓線(xiàn)。
圖62005年11月11日從B36到日照飛行路徑上本發(fā)明激光雷達(dá)得到的RCS圖和15:10的消光垂直廓線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)附圖。
飛機(jī)平臺(tái)綜合考慮各種因素，租用中國(guó)海監(jiān)的CMS-3807飛機(jī)作為本發(fā)明激光雷達(dá)機(jī)載平臺(tái)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。CMS-3807飛機(jī)機(jī)艙地板左前方和左后方各有一個(gè)360*360mm和530*530mm的裸露通道，由于本發(fā)明激光雷達(dá)的激光器背負(fù)在直徑為200mm望遠(yuǎn)鏡側(cè)臂上，總跨度320mm，因此機(jī)艙左前方通道被用做本發(fā)明激光雷達(dá)的發(fā)射與接收窗口。飛機(jī)和本發(fā)明激光雷達(dá)之間采用方鋼框架做接口。
表1 CMS-3807飛機(jī)主要參數(shù)機(jī)長(zhǎng) 14.86m翼展 17.235m飛行高度 5000m實(shí)際飛行高度 3540m續(xù)行能力 1440km載重能力 0.7ton最大起飛承重 5.3ton飛機(jī)凈重 4.6ton巡航速度 ～300km/h實(shí)際巡航速度 ～220km/h激光雷達(dá)主體表2本發(fā)明激光雷達(dá)激光雷達(dá)的主要參數(shù)發(fā)射光學(xué)單元激光器 NdYAG(QuantelBrilliant Ultra)波長(zhǎng)(nm) 532脈沖能量(mJ) 30脈沖工作頻率(Hz) 20光束發(fā)散角(mrad) 1.5脈沖寬度(ns) ＜7擴(kuò)束鏡倍率 5擴(kuò)束后的激光發(fā)散角(mrad) 0.3接收光學(xué)單元接收望遠(yuǎn)鏡 Cassegrain直徑(mm) 200光闌視場(chǎng)(mrad) 2.5濾光片中心波長(zhǎng) 532帶寬(nm) 0.3信號(hào)探測(cè)單元光電倍增管 PM-HV-20(Hamamatsu)量子效率 25％暗計(jì)數(shù)(CPS)3000信號(hào)采集單元類(lèi)型 瞬態(tài)記錄儀(TR)信號(hào)最小時(shí)間分辨率 1/20second(30m vertical by 3m horizontal)信號(hào)處理時(shí)間分辨率 10second(30m vertical by 600m horizontal)激光雷達(dá)系統(tǒng) 激光雷達(dá)主體激光供電致冷單元 TR重量 20kg 15kg7.5kg功耗 500W200W尺寸 850×200(+120) 190×370×360 342×311×177本發(fā)明激光雷達(dá)使用工作波長(zhǎng)532nm、脈沖能量30mJ、重復(fù)頻率20Hz的Big Sky Ultra系列NdYAG激光器，除了一個(gè)總重為1.25kg的激光頭及倍頻頭，還有一個(gè)閉合回路的水致冷供電單元。激光頭諧振腔采用折疊式平-平腔，并使用單棒設(shè)計(jì)。折疊式設(shè)計(jì)有利于縮短諧振腔長(zhǎng)度，提高激光頭機(jī)械穩(wěn)定度，而且使全反鏡與透出鏡靠近，便于諧振腔的調(diào)整；平-平腔設(shè)計(jì)一方面便于諧振腔的調(diào)整，另一方面利于激光模式的選擇；而單棒設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了激光器的操作與維護(hù)。上述設(shè)計(jì)使得整個(gè)激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在飛機(jī)平臺(tái)上使用。1.5mrad的光束發(fā)散角用于白天探測(cè)會(huì)造成很強(qiáng)的背景光，同時(shí)從“人眼安全”的角度考慮，在激光器發(fā)射口用5倍擴(kuò)束鏡對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束處理。激光器的工作狀態(tài)完全由計(jì)算機(jī)通過(guò)R232串口進(jìn)行控制。
卡塞格林望遠(yuǎn)鏡直徑200mm，焦距f/10，保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，主副鏡上則鍍有同波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，使用鋼件結(jié)構(gòu)，并在望遠(yuǎn)鏡負(fù)載的承重點(diǎn)打上加固箍，這樣即使在機(jī)載平臺(tái)上也能保證整個(gè)發(fā)射光路與接收光路非常穩(wěn)定。望遠(yuǎn)鏡接收的光通過(guò)置于焦點(diǎn)處、最小視場(chǎng)角為0.5mrad的光闌后，被中心波長(zhǎng)為532nm、帶寬為0.3nm的濾光片過(guò)濾，很好地抑制了背景光。本發(fā)明激光雷達(dá)使用光子計(jì)數(shù)的R7400U型光電倍增管，它具有暗噪聲低、高增益等特點(diǎn)，對(duì)532nm波長(zhǎng)的光量子效率可以達(dá)到25％，為了使回波信號(hào)完全進(jìn)入8mm的陰極探測(cè)面，在其前面放置有短焦距的會(huì)聚透鏡。
信號(hào)采集設(shè)備本發(fā)明采用的瞬態(tài)記錄儀由一個(gè)采集頻率40MHz的A/D轉(zhuǎn)換器、采集頻率250MHz的光子鑒別器、多通道前置放大器、累加平均器和電壓轉(zhuǎn)換電路集合而成。A/D轉(zhuǎn)換器用于近距離較強(qiáng)信號(hào)的采集，而光子鑒別器則用于遠(yuǎn)距離較弱信號(hào)的采集，最終輸出的是完整的回波信號(hào)，A/D和光子計(jì)數(shù)技術(shù)結(jié)合使用保證瞬態(tài)記錄儀信號(hào)探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到105個(gè)數(shù)量級(jí)；電壓轉(zhuǎn)換電路給光電倍增管提供所需的高壓；瞬態(tài)記錄儀的觸發(fā)信號(hào)直接取自于激光器的Q-Switch同步輸出，采集到的回波信號(hào)則通過(guò)RJ45口從瞬態(tài)記錄儀的緩存?zhèn)鬏斎胗?jì)算機(jī)磁盤(pán)。
本發(fā)明激光雷達(dá)的控制采集程序使用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)，在Windows XP操作系統(tǒng)中運(yùn)行。采集到的數(shù)據(jù)被累加平均后，與實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、經(jīng)緯度、探測(cè)波長(zhǎng)、探測(cè)時(shí)刻等信息被保存在控制計(jì)算機(jī)磁盤(pán)中；控制采集程序圖形界面上除了顯示回波信號(hào)曲線(xiàn)，還以圖的方式連續(xù)顯示距離平方校正過(guò)的回波信號(hào)，從而直觀(guān)表達(dá)了氣溶膠隨時(shí)空的演變情況；控制采集程序可以設(shè)定成定時(shí)采集的方式，采集的時(shí)間間隔可以自由選擇，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明激光雷達(dá)無(wú)人值守的工作方式，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。
供電單元為了防止強(qiáng)弱電設(shè)備之間相互干擾，對(duì)本發(fā)明激光雷達(dá)的供電電源預(yù)備了兩套方案。一種是直接使用CMS-3807上的24DCV輸出；另一種是用6塊105Ah、12DCV的蓄電池組供電，其中4塊用于強(qiáng)電設(shè)備，2塊用于弱電設(shè)備，一次充電可以保證本發(fā)明激光雷達(dá)持續(xù)使用8小時(shí)左右，長(zhǎng)于CMS-3807飛機(jī)的續(xù)行時(shí)間。直流電源分兩路經(jīng)過(guò)兩個(gè)24V輸入的逆變器后，轉(zhuǎn)化為220V-50Hz正弦波2KVA輸出，再經(jīng)穩(wěn)壓器，分別供電于激光器和瞬態(tài)記錄儀。
數(shù)據(jù)反演方法反演氣溶膠消光系數(shù)使用的是Fernald方法，飛行高度以下的對(duì)流層中假設(shè)一標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定點(diǎn)消光系數(shù)可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示為σm=exp[(S-Sm)/k]-12k∫rbrmexp[(S-Sm)/k]dr′---(1)]]>其中S(r)＝ln(P(r)r2)，表示距離平方校正信號(hào)的對(duì)數(shù)值；此處取k＝1；(rb，rm)則表示消光系數(shù)近似不變的一層大氣，也即S(r)曲線(xiàn)中斜率相對(duì)不變的一段區(qū)域。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于白天大氣的強(qiáng)烈混合，這種近似均勻的垂直大氣層是存在的。后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)BER)取標(biāo)準(zhǔn)值0.03。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在不違反航空管制的情況下，為了研究不同下墊面對(duì)大氣氣溶膠時(shí)空分布產(chǎn)生的影響，本發(fā)明激光雷達(dá)飛行路徑主要采用南北走向，探測(cè)區(qū)域位于北緯35 °-38°，東經(jīng)119.5°-120.5°之間。這一區(qū)域主要包括青島地區(qū)及周邊海域，含蓋了城市、丘陵、海陸交界區(qū)及海區(qū)等多種不同下墊面。在所有飛行過(guò)程中，飛機(jī)傾斜角不得超過(guò)2度，航高起伏不得超過(guò)10米，這就要求有較好的飛行條件，因此飛行計(jì)劃要求隨氣象條件做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為保證有足夠的信噪比，本發(fā)明激光雷達(dá)回波信號(hào)每200個(gè)脈沖做一次平均，探測(cè)垂直分辨率30m，水平分辨率600m。圖2是2005年11月8日(路徑1)和11日(路徑2)的飛行路徑。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值模擬計(jì)算回波信號(hào)既是研制激光雷達(dá)時(shí)確定各主要技術(shù)參數(shù)的手段，也是判斷真實(shí)回波信號(hào)是否正確的依據(jù)。圖3中的黑虛線(xiàn)是用本發(fā)明激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模式1計(jì)算得到的模擬回波信號(hào)，淺實(shí)線(xiàn)和深實(shí)線(xiàn)分別是2005年11月8日和11日實(shí)際回波信號(hào)中任意選出的兩組。從圖中可以看出，實(shí)際回波信號(hào)和模擬回波信號(hào)有非常一致的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明實(shí)際回波信號(hào)是正確的。近地面實(shí)際回波信號(hào)較模擬回波信號(hào)大，這是青島地區(qū)近地面比較臟的緣故所引起，在北京、南京等城市做地基探測(cè)時(shí)也出現(xiàn)這種現(xiàn)象。另外，雖然與地基激光雷達(dá)一樣，離激光發(fā)射口越遠(yuǎn)回波信號(hào)越小，但是由于越接近地面氣溶膠分布越密，致使隨距離增大回波信號(hào)衰減的速度變小，因此回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍也變小，這對(duì)于解決探測(cè)器飽和的問(wèn)題是很有益的。
11月8日的飛行路徑為南北走向，北京時(shí)間14:10飛機(jī)在青島滄口機(jī)場(chǎng)起飛，從龍口方向出渤海6km左右，再按原來(lái)的路徑于16:10返回滄口機(jī)場(chǎng)，飛行路徑如圖2中的Leg1所示。圖4是去程上得到的距離平方校正過(guò)的回波信號(hào)(range corrected signal，簡(jiǎn)稱(chēng)RCS)圖和15:10的消光垂直廓線(xiàn)，飛行路徑上大氣下墊面經(jīng)過(guò)了一個(gè)從城市到丘陵再到海洋的變化。飛行期間青島地區(qū)被高壓控制，因此天氣晴朗，同時(shí)伴有偏北方向的微風(fēng)。機(jī)場(chǎng)地面能見(jiàn)度為10km左右，地面溫度高達(dá)28℃。
從圖4左邊的RCS圖可以看到，1km以下高度，隨著下墊面的不同，飛行路徑上色彩出現(xiàn)從黃綠→綠→藍(lán)綠的漸變過(guò)程，表明離城市越遠(yuǎn)，氣溶膠分布越少；在1.2km-1.9km高度上，有一層氣溶膠粒子在海風(fēng)的作用下從海洋向陸地?cái)U(kuò)散，經(jīng)過(guò)丘陵地區(qū)的山脈時(shí)，因逆風(fēng)波被抬升，越過(guò)山峰后，又因順風(fēng)坡而向下沉降，它與人為生產(chǎn)的城市氣溶膠共同造成了氣溶膠呈現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的特點(diǎn)；除此之外，從圖中可以確定這天的大氣邊界層在2km左右，但因?yàn)楹^(qū)的溫度較城區(qū)低，以及山脈海風(fēng)的作用，使得山峰以后的飛行路徑上大氣邊界層呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，夾卷層厚度也明顯變小，尤其在山峰的峰頂出現(xiàn)了很大的降幅。圖4右邊的消光垂直廓線(xiàn)與同一時(shí)刻RCS圖所反應(yīng)氣溶膠和邊界層結(jié)構(gòu)完全一致，其中的虛線(xiàn)表示氣溶膠層所在的位置。
11月11日11月11日的飛行路徑如圖2中的Leg2所示，北京時(shí)間12:30仍然從青島滄口機(jī)場(chǎng)起飛，經(jīng)蓬萊出海10km，返回滄口機(jī)場(chǎng)，再往北經(jīng)青島港、膠州彎、黃島、靈山島、齋堂島、(B36-日照往返兩次)，于北京時(shí)間16:30再返回滄口機(jī)場(chǎng)。圖5和圖6分別是青島-蓬萊-渤海及B36-日照兩段飛行路徑上所得到的RCS圖和消光垂直廓線(xiàn)。這天的地面氣象場(chǎng)與11月8日的不同，盡管在高壓的控制下，天氣依舊保持晴朗，但伴隨的是偏南微風(fēng)，與11月8日相比出現(xiàn)大的降溫現(xiàn)象，地面氣溫只有10℃左右，近地層大氣相對(duì)濕度變大，達(dá)到85％，使青島地區(qū)及周邊海域出現(xiàn)大范圍降霧，尤其是黃海海域更加嚴(yán)重。受大霧影響，機(jī)場(chǎng)地面能見(jiàn)度不到4km。
從圖5中的RCS圖可以看出，雖然這段飛行路徑和11月8日基本相同，但由于期間出現(xiàn)明顯的降溫過(guò)程，使得垂直方向上氣溶膠分布有很大差別，出現(xiàn)多層分布的現(xiàn)象，這就表明在垂直方向上溫度、濕度也呈多層非均勻分布，并且極有可能出現(xiàn)多層風(fēng)切變。與11月8日相比，這天此飛行路徑上大氣邊界層降低不少，大約在1.2km處，而且由于氣溫比較低，大氣相對(duì)濕度又比較大，邊界層頂?shù)膴A卷現(xiàn)象并不顯著。大氣邊界層內(nèi)氣溶膠仍然呈現(xiàn)離城市越遠(yuǎn)越少的分布趨勢(shì)，這說(shuō)明青島地區(qū)邊界層氣溶膠的發(fā)生源主要在城市，同時(shí)逆風(fēng)坡的抬升和順風(fēng)坡的沉降作用清晰可見(jiàn)，而且山脈對(duì)氣溶膠從城市向海區(qū)傳輸?shù)淖钃踝饔梅浅Ｃ黠@。在1.8km-2.6km高度存在較厚的一層氣溶膠，在它的內(nèi)部可以清楚看到次的分層現(xiàn)象，從圖5右邊的消光垂直廓線(xiàn)可以更加清楚地看到這一點(diǎn)(圖中虛線(xiàn)為各氣溶膠層所在高度)，但從圖5中看不出下墊面及地面氣象要素對(duì)這層氣溶膠結(jié)構(gòu)存在明顯的影響。由于探測(cè)資料有限、垂直氣象場(chǎng)信息又很缺乏，目前還不能對(duì)這種現(xiàn)象的物理機(jī)制做出解釋?zhuān)瑢?duì)這層氣溶膠的發(fā)生源也無(wú)法做出正確判斷。3km高度處的氣溶膠層相對(duì)來(lái)說(shuō)比較薄，從變化趨勢(shì)可以確定這層氣溶膠正從海洋向陸地傳輸，而且質(zhì)量也比較大，因?yàn)檩斔瓦^(guò)程中出現(xiàn)明顯的分離和下沉現(xiàn)象，我們認(rèn)為極有可能是附著海鹽粒子的氣溶膠。
圖6的飛行路徑上大氣下墊面主要為近陸地的海面，而且大霧籠罩。同樣受明顯天氣過(guò)程的影響，海區(qū)氣溶膠在垂直方向上仍然呈多層分布的現(xiàn)象，但與圖5相比，每層氣溶膠所在的高度相較偏低，存在明顯的沉降現(xiàn)象，大氣邊界層的高度也明顯下降，大約在0.8km處。由于海陸之間的充分對(duì)流及單一的下墊面，使得海區(qū)的大氣水平分布比較均勻，各層氣溶膠的厚度和所處高度隨路徑?jīng)]有較大變化，這正是海洋大氣水平分布的典型特點(diǎn)。帖著海面顏色較淺的一層并不表示此處的大氣比較干凈，主要是激光穿過(guò)大霧時(shí)能量衰減很快所致。同樣，圖6右邊的消光垂直廓線(xiàn)和同一時(shí)刻RCS反應(yīng)的大氣氣溶膠消光垂直垂直分布非常吻合，而且更加細(xì)致，虛線(xiàn)為各氣溶膠層所在的高度。
權(quán)利要求
1.機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)，包括有飛機(jī)平臺(tái)，接收望遠(yuǎn)鏡，和望遠(yuǎn)鏡側(cè)臂上安裝有532nm波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器及其供電與冷卻單元，其特征在于在激光器發(fā)射口安裝有擴(kuò)束鏡，望遠(yuǎn)鏡的保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，主、副鏡上則鍍有532nm波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，望遠(yuǎn)鏡接收的光的焦點(diǎn)處安裝有最小視場(chǎng)角為0.5mrad的光闌，光闌后依次安裝有一會(huì)聚透鏡、濾光片，濾光片后的光路中安裝有一小會(huì)聚透鏡，該會(huì)聚透鏡后安裝有R7400U型光電倍增管，光電倍增管的輸出信號(hào)接入信號(hào)采集與處理設(shè)備。
2.機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)的探測(cè)方法，其特征在于由532nm波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器向天空發(fā)射經(jīng)過(guò)擴(kuò)束的激光，與激光方向平行的望遠(yuǎn)鏡接收激光的后向散射光，在望遠(yuǎn)鏡的保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，在主、副鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，后向散射光經(jīng)過(guò)主、副鏡反射，在焦點(diǎn)處再經(jīng)過(guò)光闌除雜光，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡準(zhǔn)直和中心波長(zhǎng)為532nm、帶寬為0.3nm的濾光片過(guò)濾，再經(jīng)過(guò)另一會(huì)聚透鏡后，到達(dá)R7400U型光電倍增管的陰極面上，光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后，輸送到信號(hào)采集與處理設(shè)備處理分析；反演氣溶膠消光系數(shù)使用的是Fernald方法，飛行高度以下的對(duì)流層中假設(shè)一標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定點(diǎn)消光系數(shù)可由斜坡法(Slope Method)求得，用公式表示為σm=exp[(S-Sm)/k]-12k∫rbrmexp[(S-Sm)/k]dr]]>(1)其中S(r)＝ln(P(r)r2)，表示距離平方校正信號(hào)的對(duì)數(shù)值；此處取k＝1；(rh，rm)則表示消光系數(shù)近似不變的一層大氣，也即S(r)曲線(xiàn)中斜率相對(duì)不變的一段區(qū)域，后向散射消光比(Backscatter Extinction Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)BER)取標(biāo)準(zhǔn)值0.03。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)載大氣環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)，包括有飛機(jī)平臺(tái)，接收望遠(yuǎn)鏡，和望遠(yuǎn)鏡側(cè)臂上安裝有532nm波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器及其供電與冷卻單元，在激光器發(fā)射口安裝有擴(kuò)束鏡，望遠(yuǎn)鏡的保護(hù)鏡上鍍有532nm波長(zhǎng)的增透膜，主、副鏡上則鍍有532nm波長(zhǎng)的介質(zhì)全反膜，望遠(yuǎn)鏡接收的光的焦點(diǎn)處安裝有最小視場(chǎng)角為0.5mrad的光闌，光闌后依次安裝有一會(huì)聚透鏡、濾光片，濾光片后的光路中安裝有一小會(huì)聚透鏡，該會(huì)聚透鏡后安裝有R7400U型光電倍增管，光電倍增管的輸出信號(hào)接入信號(hào)采集與處理設(shè)備。本發(fā)明還公開(kāi)了該雷達(dá)的探測(cè)方法。探測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到10
文檔編號(hào)G01W1/00GK1982916SQ20061003979
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者毛敏娟, 方海濤, 戚福弟, 邵石生, 岳古明, 張寅超, 周軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所