專利名稱：多功能大氣激光雷達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可以對各種重要大氣參數進行測量的多功能大氣激光雷達。
背景技術：
大氣氣溶膠和云、痕量氣體如臭氧、以及水蒸氣對整個地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡、全球環(huán)境和全球氣候變化都有強烈的影響。因此，對上述大氣參數特性的探測和研究是大氣科學中的重要課題。同時，對上述大氣參數的空間分布和時間變化的探測研究，在大氣光學特性研究、激光大氣傳輸和衛(wèi)星遙感資料的大氣訂正等實際應用領域也有著重要的意義。目前出現了一些對大氣參數進行探測的微波雷達和激光雷達，但它們只能對單一大氣參數進行測量，不能同時對多種大氣參數進行測量，這樣在數據源提供上存在欠缺。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述問題，提出一種多功能大氣激光雷達。通過對大氣氣溶膠和云、臭氧、大氣密度、水蒸氣(濕度)的空間分布和時間變化進行測量，可更加全面地提供各種大氣參數。該技術方案的特點是采用了多功能方案，與發(fā)展幾個不同單一功能的激光雷達相比，可大大地降低儀器的成本，減少體積和重量，提高可靠性。
本發(fā)明提供的技術方案是多功能大氣激光雷達，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產生的回波散射光的光學接收器、對光學接收器接收的回波散射光信號進行處理的光電探測器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。
所述光學接收器由接收望遠鏡、視場光闌、短波長準直光學透鏡、分光波長為400nm分色片、分光波長為800nm的分色片、分光波長為280nm的分色片、分光波長為288nm的分色片、分光波長為272nm的分色片和長波長準直光學透鏡組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與短波長準直光學透鏡輸入端相連，短波長準直光學透鏡輸出端與分光波長為400nm分色片輸入端相連，400nm分色片的一個輸出端與長波長準直光學透鏡輸入端相連，長波長準直光學透鏡輸出端與分光波長為800nm的分色片輸入端相連，400nm分色片的另一個輸出端與分光波長為280nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的一個輸出端與分光波長為272nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的另一個輸出端與分光波長為288nm的分色片的輸入端相連。
所述光電探測器由透射波長為294nm的濾光片、透射波長為283nm的濾光片、透射波長為277nm的濾光片、透射波長為266nm的濾光片、透射波長為532nm的濾光片、透射波長為1064nm的濾光片、第一光電倍增管模塊、第二光電倍增管模塊、第三光電倍增管模塊、第四光電倍增管模塊、第五光電倍增管模塊、雪崩二極管模塊、第一光子計數器、第二光子計數器、第三光子計數器、模數轉換板、GPIB接口卡和計算機組成；透射波長為294nm的濾光片的輸出端與第一光電倍增管模塊輸入端相連，第一光電倍增管模塊輸出端與第一光子計數器輸入端相連；透射波長為283nm的濾光片的輸出端與第二光電倍增管模塊輸入端相連，第二光電倍增管模塊輸出端與第二光子計數器輸入端相連；透射波長為277nm的濾光片的輸出端與第三光電倍增管模塊輸入端相連，第三光電倍增管模塊輸出端與第三光子計數器輸入端相連；第一光子計數器、第二光子計數器和第三光子計數器的GPIB接口同時與GPIB接口卡的GPIB接口相連，GPIB接口卡通過PCI接口與計算機相連；透射波長為266nm的濾光片的輸出端與第四光電倍增管模塊輸入端相連，第四光電倍增管模塊輸出端與模數轉換板第一輸入端口相連，透射波長為532nm的濾光片的輸出端與第五光電倍增管模塊輸入端相連，第五光電倍增管模塊輸出端與模數轉換板第二輸入端口相連，透射波長為1064nm的濾光片的輸出端與雪崩二極管模塊輸入端相連，雪崩二極管模塊輸出端與模數轉換板第三輸入端口相連，模數轉換板通過PCI接口與計算機相連。
本發(fā)明安裝于激光雷達臺站中。其通過激光發(fā)射器垂直向上對大氣中同時發(fā)射三束不同波長(266nm、532nm和1064nm)的脈沖激光束，當不同波長激光脈沖遇到大氣中的不同成分時，由于米氏散射原理和拉曼散射原理會產生不同波長的回波散射光，該系統(tǒng)的光學接收器接收到這些散射光信號，經過整形后在空間上將回波光信號按波長不同分為六個部分，這六部分光信號分別經濾光、光電轉換、放大、模數轉換或光子計數處理后，送入計算機進行分析和儲存。這六個波長的信號光分別為波長為1064nm、532nm和266nm的米氏散射，波長為294nm的水蒸氣拉曼散射，波長為283nm的氮氣拉曼散射和波長為277nm的氧氣拉曼散射。三個波長的米氏散射可提供氣溶膠顆粒大小信息；氮氣拉曼散射可提供大氣密度信息；米氏散射與氮氣拉曼散射的組合可提供精確氣溶膠光學參數；氮氣拉曼散射和氧氣拉曼散射的組合可用于以差分吸收方式探測臭氧；水蒸氣拉曼散射和氮氣拉曼散射的組合可提供大氣濕度信息。此激光雷達從而可以得到大氣氣溶膠和云、大氣密度、大氣濕度、臭氧等的空間分布和時間演化參數，為大氣研究和相應的氣象環(huán)保應用服務。


圖1是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達原理框圖；圖2是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達的激光發(fā)射器部分結構原理圖；圖3是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達的光學接收器部分結構原理圖；圖4是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達的光電探測器結構原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
參見圖1，本發(fā)明中的多功能大氣激光雷達，主要包括激光發(fā)射器1、光學接收器2、光電探測器3。
參見圖2，激光發(fā)射器1由激光器4(Continuum，型號Powerlite-9020)、反射棱鏡5(Newport，型號10SR20)和三維調節(jié)棱鏡架6(Newport，型號UGP-1)組成；激光器4輸出端與反射棱鏡5輸入端相連，反射棱鏡5安裝在三維調節(jié)棱鏡架6上。激光器4的配置中加入倍頻和三倍頻(激光器4自帶的附件)，激光器4輸出1064nm、532nm和266nm的脈沖激光束，反射棱鏡5將激光束偏折90°使之垂直向上發(fā)射，三維調節(jié)棱鏡架6帶動反射棱鏡5，可調節(jié)激光束的發(fā)射方向。
參見圖3，光學接收器2由接收望遠鏡7(Meade，型號LX200GPS-16Inch)、視場光闌8、短波長準直光學透鏡9、長通濾光片10(Newport，分光波長400nm)、12(Newport，分光波長800nm)、13(Newport，分光波長280nm)、14(Newport，分光波長288nm)、15(Newport，分光波長272nm)和長波長準直光學透鏡11組成；接收望遠鏡7輸出端與視場光闌8輸入端相連，視場光闌8輸出端與短波長準直光學透鏡9輸入端相連，短波長準直光學透鏡9輸出端與長通濾光片10輸入端相連，長通濾光片10的一個輸出端與長波長準直光學透鏡11輸入端相連，長波長準直光學透鏡11輸出端與長通濾光片12輸入端相連，長通濾光片10的另一個輸出端與長通濾光片13輸入端相連，長通濾光片13的一個輸出端與長通濾光片15的輸入端相連，長通濾光片13的另一個輸出端與長通濾光片14的輸入端相連。從大氣散射的光回波信號經接收望遠鏡7收光聚焦以后，采用視場光闌8將接收視場控制在合適的視場角范圍內，經過短波長準直光學透鏡9將回波光信號整理成平行光后，經長通濾光片10進行波長分光，波長大于400nm的光信號透過長通濾光片10，再經過長波長準直光學透鏡11整形，再通過長通濾光片12分光，波長大于800nm的光信號透過長通濾光片12(其中包括需要的1064nm波長的氣溶膠米氏散射光信號)，波長在400nm-800nm之間的光信號被長通濾光片12反射(其中包括需要的532nm波長的氣溶膠米氏散射光信號)，波長小于400nm的光信號被長通濾光片10反射，此光信號被長通濾光片13再次分光，其中波長在280nm-400nm的光透過長通濾光片13，被長通濾光片14進一步分為288nm-400nm(透射，其中包括需要的294nm波長的水蒸氣拉曼散射光信號)和280nm-288nm(反射，其中包括需要的283nm波長的氮氣拉曼散射光信號)，從長通濾光片13上反射的280nm以下的光信號被長通濾光片15進一步分為272nm以下(反射，其中包括需要的266nm波長的氣溶膠米氏散射光信號)和272nm-280nm之間(透射，其中包括需要的277nm波長的氧氣拉曼散射光信號)。
參見圖4，光電探測器3由濾光片16(Newport，透射波長294nm)、17(Newport，透射波長283nm)、18(Newport，透射波長277nm)、19(Newport，透射波長266nm)、20(Newport，透射波長532nm)、21(Newport，透射波長1064nm)，光電倍增管模塊22、23、24、25(Hamamatsu，型號H9656-06)、26(Hamamatsu，型號H9656-04)，雪崩二極管模塊27(Hamamatsu，型號C5331-04)，光子計數器28、29、30(SRS，型號SR-430)，模數轉換板31(研華，型號PCI-1714)，GPIB接口卡32(研華，型號PCI-1670)和計算機33組成；濾光片16的輸出端與光電倍增管模塊22輸入端相連，光電倍增管模塊22輸出端與光子計數器28輸入端相連，濾光片17的輸出端與光電倍增管模塊23輸入端相連，光電倍增管模塊23輸出端與光子計數器29輸入端相連，濾光片18的輸出端與光電倍增管模塊24輸入端相連，光電倍增管模塊24輸出端與光子計數器30輸入端相連，光子計數器28、29、30的GPIB接口同時與GPIB接口卡32的GPIB接口相連，GPIB接口卡32插在計算機33中，通過PCI接口與計算機33相連；濾光片19的輸出端與光電倍增管模塊25輸入端相連，光電倍增管模塊25輸出端與模數轉換板31輸入1號端口相連，濾光片20的輸出端與光電倍增管模塊26輸入端相連，光電倍增管模塊26輸出端與模數轉換板31輸入2號端口相連，濾光片21的輸出端與雪崩二極管模塊27輸入端相連，雪崩二極管模塊27輸出端與模數轉換板31輸入3號端口相連，模數轉換板31插在計算機33中，通過PCI接口與計算機33相連。經相應波長的濾光片濾光后，波長分別為294nm(水蒸氣拉曼散射)、283nm(氮氣拉曼散射)和277nm(氧氣拉曼散射)的光信號經相應光電倍增管模塊進行光電轉換后，再通過相應光子計數器進行光子計數后，經GPIB接口卡送入計算機；經相應波長的濾光片濾光后，波長分別為266nm(266nm米氏散射)和532nm(532nm米氏散射)的光信號經相應光電倍增管模塊進行光電轉換后，再通過相應模數轉換卡上轉換通道變成數字信號后，送入計算機；經相應波長的濾光片濾光后，波長為1064nm(1064nm米氏散射)的光信號經雪崩二極管模塊進行光電轉換后，再通過相應模數轉換卡上轉換通道變成數字信號后，也送入計算機；總共有六路信號進入計算機進行數據處理，分析和存儲。
權利要求
1.多功能大氣激光雷達，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產生的回波散射光的光學接收器、對光學接收器接收的回波散射光信號進行處理的光電探測器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。
2.根據權利要求1所述的多功能大氣激光雷達，其特征在于所述光學接收器由接收望遠鏡、視場光闌、短波長準直光學透鏡、分光波長為400nm分色片、分光波長為800nm的分色片、分光波長為280nm的分色片、分光波長為288nm的分色片、分光波長為272nm的分色片和長波長準直光學透鏡組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與短波長準直光學透鏡輸入端相連，短波長準直光學透鏡輸出端與分光波長為400nm分色片輸入端相連，400nm分色片的一個輸出端與長波長準直光學透鏡輸入端相連，長波長準直光學透鏡輸出端與分光波長為800nm的分色片輸入端相連，400nm分色片的另一個輸出端與分光波長為280nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的一個輸出端與分光波長為272nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的另一個輸出端與分光波長為288nm的分色片的輸入端相連。
3.根據權利要求1或2所述的多功能大氣激光雷達，其特征在于所述光電探測器由透射波長為294nm的濾光片、透射波長為283nm的濾光片、透射波長為277nm的濾光片、透射波長為266nm的濾光片、透射波長為532nm的濾光片、透射波長為1064nm的濾光片、第一光電倍增管模塊、第二光電倍增管模塊、第三光電倍增管模塊、第四光電倍增管模塊、第五光電倍增管模塊、雪崩二極管模塊、第一光子計數器、第二光子計數器、第三光子計數器、模數轉換板、GPIB接口卡和計算機組成；透射波長為294nm的濾光片的輸出端與第一光電倍增管模塊輸入端相連，第一光電倍增管模塊輸出端與第一光子計數器輸入端相連；透射波長為283nm的濾光片的輸出端與第二光電倍增管模塊輸入端相連，第二光電倍增管模塊輸出端與第二光子計數器輸入端相連；透射波長為277nm的濾光片的輸出端與第三光電倍增管模塊輸入端相連，第三光電倍增管模塊輸出端與第三光子計數器輸入端相連；第一光子計數器、第二光子計數器和第三光子計數器的GPIB接口同時與GPIB接口卡的GPIB接口相連，GPIB接口卡通過PCI接口與計算機相連；透射波長為266nm的濾光片的輸出端與第四光電倍增管模塊輸入端相連，第四光電倍增管模塊輸出端與模數轉換板第一輸入端口相連，透射波長為532nm的濾光片的輸出端與第五光電倍增管模塊輸入端相連，第五光電倍增管模塊輸出端與模數轉換板第二輸入端口相連，透射波長為1064nm的濾光片的輸出端與雪崩二極管模塊輸入端相連，雪崩二極管模塊輸出端與模數轉換板第三輸入端口相連，模數轉換板通過PCI接口與計算機相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及多功能大氣激光雷達，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產生的回波散射光的光學接收器、對光學接收器接收的回波散射光信號進行處理的光電探測器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。本發(fā)明安裝于激光雷達臺站中。采用本發(fā)明可以獲得大氣氣溶膠和云、大氣密度、大氣濕度、臭氧等的空間分布和時間演化參數，為大氣研究和相應的氣象環(huán)保應用服務。
文檔編號G01W1/00GK1945356SQ200610124878
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權日2006年10月27日
發(fā)明者龔威, 朱忠敏, 宋沙磊, 劉夢雨, 郝中豫, 馬盈盈, 李俊 申請人:武漢大學