專利名稱：雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷達(dá)探測領(lǐng)域，具體的說是一種雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其探測方法。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。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，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。
激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光問世后的第二年，即1961年，科學(xué)家就提出了激光雷達(dá)的設(shè)想，并開展了研究工作，40多年來，隨著激光技術(shù)日新月異的發(fā)展，先進(jìn)的信號探測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，激光雷達(dá)以它的高測量精度、精細(xì)的時間和空間分辨率以及大的探測跨度而成為一種重要的主動遙感工具。
目前，探測對流層氣溶膠的米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)一般存在以下三個方面的不足首先是系統(tǒng)比較復(fù)雜、體積較大、重量較重、不易移動和運輸，限制了它的應(yīng)用區(qū)域范圍；其次探測高度有限，大部分局限在5～6km以下的邊界層內(nèi)，白天探測高度更低，第三長時間連續(xù)運行往往可靠性較差。
為了克服常規(guī)米散射激光雷達(dá)的上述缺點和不足，國際上，一種微脈沖激光雷達(dá)(Micro Pulse Lidar，簡稱MPL)問世。但是由于其輸出能量在μJ量級，依靠高重復(fù)率(數(shù)千Hz)提高探測信噪比，因此探測時間長，白天探測高度也僅6km，而且如果其過長的幾何重疊因子(4km左右)不能精確確定，會給氣溶膠探測結(jié)果帶來較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有可靠性強和準(zhǔn)確度高的雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)及探測方法。
本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)
一種雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、后繼光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元；所述的激光發(fā)射單元包括Nd:YAG激光器，激光器發(fā)射出532nm及1064nm兩個波長的激光脈沖，與激光器的輸出光軸平行的光軸上設(shè)置有回波信號接收單元，所述的回波信號接收單元包括直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡和直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡，直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡的后繼光路上依次排列有小孔光闌、反射鏡、目鏡和分束鏡；分束鏡后光路分為兩路，一路通過1064nm窄帶濾光片連接光子計數(shù)探測器，光子計數(shù)探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器VT120，放大器VT120的輸出電路上設(shè)置有光子計數(shù)卡MCS，光子計數(shù)卡MCS把采集到的信號送至計算機進(jìn)行處理；另一路通過532nm窄帶濾光片連接模擬探測器，模擬探測器的后繼光路上設(shè)置有放大器777，放大器777的輸出電路上設(shè)置有A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡把采集到的數(shù)字信號送至計算機進(jìn)行處理；直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡的后繼光路上依次排列有小孔光闌和目鏡；目鏡通過光纖把信號傳送給分束鏡，分束鏡后光路分為兩路，一路通過1064nm窄帶濾光片連接光子計數(shù)探測器，光子計數(shù)探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器VT120，放大器VT120的輸出電路上設(shè)置有光子計數(shù)卡MCS，光子計數(shù)卡MCS把采集到的信號送至計算機進(jìn)行處理；另一路通過532nm窄帶濾光片連接模擬探測器，模擬探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器777，放大器777的輸出電路上設(shè)置有A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡把采集到的數(shù)字信號送至計算機進(jìn)行處理。
雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的探測方法，其特征在于，包括激光發(fā)射單元回波信號接收單元、后繼光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元；所述的激光發(fā)射單元采用Nd:YAG激光器，同時發(fā)射532nm及1064nm兩個波長的激光脈沖，由直徑分別為400mm和200mm的兩個接收望遠(yuǎn)鏡接收；直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌，由反射鏡反射到目鏡后平行射出，經(jīng)過分束鏡后分成兩束光，一束為1064nm波長反射光，另一束為532nm波長透射光；98％的1064nm波長反射光通過1064nm窄帶濾波片濾波后由光子計數(shù)探測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器VT120放大后由光子計數(shù)卡MCS采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；85％的532nm波長透射光通過532nm窄帶濾波片濾波后由模擬探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過放大器777放大后由A/D數(shù)據(jù)采集卡采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌后，通過目鏡匯聚耦合送至光纖，經(jīng)過分束鏡分成兩束光，一束為1064nm波長反射光，另一束為532nm波長透射光，98％的1064nm波長反射光通過1064nm窄帶濾波片濾波后由光子計數(shù)探測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器VT120放大后由光子計數(shù)卡MCS采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；85％的532nm波長透射光通過532nm窄帶濾波片濾波后由模擬探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過放大器777放大后由A/D數(shù)據(jù)采集卡采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；計算機通過RS232串口控制激光器出光，激光器輸出的Q-Switch同步信號通過主波發(fā)生器，產(chǎn)生主波信號，其中4路分別送至兩個光子計數(shù)卡MCS和兩個A/D數(shù)據(jù)采集卡，作為4個采集板卡的觸發(fā)信號，另外2路分別送至直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡后的光子計數(shù)探測器和模擬探測器，作為兩個探測器的門控信號。
所述的直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡采用小視場，其視場大小由小孔光闌調(diào)節(jié)，接收高層大氣后向散射回波信號。
所述的直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡采用大接收視場。
以下是本發(fā)明雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)


本發(fā)明具有以下特點1.雙接收通道分別用于高低層532nm及1064nm的同時探測，每個通道有各自獨立的視場，可以兼顧低層大視場角低探測盲區(qū)和高層小視場角度探測高度的要求；2.高低層同時探測，有效地縮短了獲取大氣信息的時間；3.低層接收通道可以進(jìn)行水平探測，能夠修正重疊因子和探測大氣水平能見度；4.分別探測532nm及1064nm大氣氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線和連續(xù)分布，以及水平消光系數(shù)連續(xù)分布，通過分析能夠獲得大氣氣溶膠的各種光學(xué)參數(shù)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡后繼光學(xué)系單元另一光路圖；圖3為直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡后繼光學(xué)系單元另一光路圖；圖4為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)工作流程圖；圖5為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測到的532nm波長實際回波信號圖；圖6為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測到的1064nm波長實際回波信號圖；圖7為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測到的532nm實際大氣后向散射回波信號與數(shù)值模擬計算信號的比較圖；圖8為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)大氣后向散射回波信號線性度的測試結(jié)果圖；
圖9為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測到的532nm和1064mm波長的大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線圖；圖10為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)(DWL)與偏振米散射激光雷達(dá)(PML)探測大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線對比圖；圖11為2007年1月9日17:00至10日18:00連續(xù)25小時探測大氣消化系數(shù)變化圖；圖12為2007年1月9日17:00至10日18:00連續(xù)25小時，雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)與Vaisala探測大氣水平能見度變化對比圖；圖13為1月8日10:00至14:00，雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)與太陽輻射計探測大氣光學(xué)厚度的對比結(jié)果圖；具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖，圖中包括激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、后繼光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元。激光發(fā)射單元包括Nd:YAG激光器，回波信號接收單元包括直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡和直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡。
圖2為本發(fā)明中直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡后繼光學(xué)系單元光路圖，在圖中直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡采用小視場(視場大小由小孔光闌調(diào)節(jié))，接收高層大氣后向散射回波信號，能夠壓制白天強烈的天空背景噪聲，提高雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的探測高度。由接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌后，由反射鏡反射至目鏡后平行出射，經(jīng)過分束鏡后，98％的1064nm波長反射光通過1064nm窄帶濾光片后由光子計數(shù)探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大器放大后由光子計數(shù)卡采集；85％的532nm波長透射光經(jīng)過532nm窄帶濾光片后，由模擬探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)放大器放大后由A/D數(shù)據(jù)采集卡采集。
圖3為本發(fā)明中直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡后繼光學(xué)單元光路圖，在圖中直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡采用大接收視場，接收低層大氣后向散射回波信號，可以降低探測的盲區(qū)，提高雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測近地面大氣氣溶膠消光系數(shù)的準(zhǔn)確性。由接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌后，通過目鏡會聚耦合至光纖，再經(jīng)過球面反射鏡與兩個反射鏡后，由分束鏡分成兩束光，與高層相同，98％的1064nm波長反射光和85％的532nm波長透射光分別經(jīng)由相應(yīng)的窄帶濾光片、探測器和采集卡后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
圖4為本發(fā)明雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作流程圖，本系統(tǒng)中的計算機控制單元可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲，并實時計算與顯示測量數(shù)據(jù)。探測大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線時，先將兩個接收望遠(yuǎn)鏡垂直放置。開啟雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)軟件后，進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，并對光子計數(shù)卡、A/D數(shù)據(jù)采集卡和激光器進(jìn)行初始化，正確初始化完畢，根據(jù)需要對探測參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包含測量的組數(shù)與每組的采集的激光脈沖數(shù)，設(shè)置完畢后給激光器與數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出開始工作指令，激光器出光后便開始采集，直至完成設(shè)定的組數(shù)后，激光器停止出光，同時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和實時顯示。
圖5和圖6分別為2006年6月10日22:14，雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測到的532nm和1064nm波長的實際回波信號。累計激光脈沖均為10000個，實線和虛線分別表示兩個波長的高層和低層，532nm波長的高層門控位置設(shè)置在3.57km，1064nm波長的高層門控設(shè)置在1.56km。
圖7是雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測得到的532nm實際大氣后向散射回波信號(實線)與數(shù)值模擬計算信號(虛線)比較結(jié)果，可以看出從6km至26km范圍內(nèi)完全相同。近地面至6km范圍內(nèi)，由于受地面人類活動與大氣運動影響，實際探測的大氣后向散射回波與數(shù)值模擬計算值不完全重合，但兩條曲線的趨勢基本一致。
圖8是雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)大氣后向散射回波信號線性度測試結(jié)果。實線是在532nm波長低層通道的濾光片前插入與未插入50％的中性衰減片后探測得到的大氣后向散射回波信號的比值，虛線是將激光器能量降低75％與激光器能量正常時探測得到的大氣后向散射回波信號的比值，可以看出兩條曲線值分別在0.5與0.75左右，表明了雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)大氣后向散回波射信號的強度未造成探測器的飽和或者失真狀況，良好的線性度表明了該激光雷達(dá)探測獲得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
圖9為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)在2006年12月29日8:51探測到的532nm(實線)和1064nm波長(虛線)的大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線，點劃線是大氣分子Rayleigh消光系數(shù)垂直廓線。從圖中可以看出兩個波長的消光系數(shù)探測結(jié)果符合波長指數(shù)關(guān)系。
為了檢測雙波長雙視場米散射激光類探測大氣氣溶膠消光系數(shù)的性能及其可靠性，2007年1月10日夜晚，與另一臺偏振米散射激光雷達(dá)同時進(jìn)行了大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的探測。
圖10為雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)(實曲線)和偏振米散射激光雷達(dá)(虛曲線)同時探測的532nm波長大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的比較結(jié)果。圖中的點劃線是大氣分子Rayleigh消光系數(shù)垂直廓線。顯然，兩個激光雷達(dá)系統(tǒng)探測的對流層大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線是相當(dāng)一致的，同一高度區(qū)域上細(xì)微的結(jié)構(gòu)也基本相似。大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的探測高度白天大于10km，夜晚大于15km。
圖11是2007年1月9日17:00至10日18:00連續(xù)25小時內(nèi)，雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)探測得到的532nm波長大氣氣溶膠消光系數(shù)變化情況。圖12是相同時間內(nèi)雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)(實心)與Vaisala(空心)探測大氣水平能見度變化對比情況。從圖中可以看出兩個系統(tǒng)探測的大氣水平能見度變化趨勢基本一致，9日17:00至18:00大氣水平能見度急劇降低，由18km降低至5km左右，隨后一直緩緩下降，至10日9:00達(dá)到最低值3km。之后大氣水平能見度逐漸升高，直至15:00后大氣水平能見度逐漸下降。雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)具有自動連續(xù)觀測的能力。
圖13是2007年1月8日四個小時內(nèi)，雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)(實心)與太陽輻射計(空心)探測大氣光學(xué)厚度的對比結(jié)果，可以看出兩個系統(tǒng)探測的結(jié)果完全一致。雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)具有探測大氣光學(xué)厚度的能力。
權(quán)利要求
1.一種雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、后繼光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元；所述的激光發(fā)射單元包括Nd:YAG激光器，激光器發(fā)射出532nm及1064nm兩個波長的激光脈沖，與激光器的輸出光軸平行的光軸上設(shè)置有回波信號接收單元，所述的回波信號接收單元包括直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡和直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡，直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡的后繼光路上依次排列有小孔光闌、反射鏡、目鏡和分束鏡；分束鏡后光路分為兩路，一路通過1064nm窄帶濾光片連接光子計數(shù)探測器，光子計數(shù)探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器VT120，放大器VT120的輸出電路上設(shè)置有光子計數(shù)卡MCS，光子計數(shù)卡MCS把采集到的信號送至計算機進(jìn)行處理；另一路通過532nm窄帶濾光片連接模擬探測器，模擬探測器的后繼光路上設(shè)置有放大器777，放大器777的輸出電路上設(shè)置有A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡把采集到的數(shù)字信號送至計算機進(jìn)行處理；直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡的后繼光路上依次排列有小孔光闌和目鏡；目鏡通過光纖把信號傳送給分束鏡，分束鏡后光路分為兩路，一路通過1064nm窄帶濾光片連接光子計數(shù)探測器，光子計數(shù)探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器VT120，放大器VT120的輸出電路上設(shè)置有光子計數(shù)卡MCS，光子計數(shù)卡MCS把采集到的信號送至計算機進(jìn)行處理；另一路通過532nm窄帶濾光片連接模擬探測器，模擬探測器的輸出電路上設(shè)置有放大器777，放大器777的輸出電路上設(shè)置有A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡把采集到的數(shù)字信號送至計算機進(jìn)行處理。
2.雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的探測方法，其特征在于，包括激光發(fā)射單元回波信號接收單元、后繼光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元；所述的激光發(fā)射單元采用NdYAG激光器，同時發(fā)射532nm及1064nm兩個波長的激光脈沖，由直徑分別為400mm和200mm的兩個接收望遠(yuǎn)鏡接收；直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌，由反射鏡反射到目鏡后平行射出，經(jīng)過分束鏡后分成兩束光，一束為1064nm波長反射光，另一束為532nm波長透射光；98％的1064nm波長反射光通過1064nm窄帶濾波片濾波后由光子計數(shù)探測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器VT120放大后由光子計數(shù)卡MCS采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；85％的532nm波長透射光通過532nm窄帶濾波片濾波后由模擬探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過放大器777放大后由A/D數(shù)據(jù)采集卡采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡接收的光經(jīng)過小孔光闌后，通過目鏡匯聚耦合送至光纖，經(jīng)過分束鏡分成兩束光，一束為1064nm波長反射光，另一束為532nm波長透射光，98％的1064nm波長反射光通過1064nm窄帶濾波片濾波后由光子計數(shù)探測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器VT120放大后由光子計數(shù)卡MCS采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；85％的532nm波長透射光通過532nm窄帶濾波片濾波后由模擬探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過放大器777放大后由A/D數(shù)據(jù)采集卡采集送至計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存，處理和實時顯示；計算機通過RS232串口控制激光器出光，激光器輸出的Q-Switch同步信號通過主波發(fā)生器，產(chǎn)生主波信號，其中4路分別送至兩個光子計數(shù)卡MCS和兩個A/D數(shù)據(jù)采集卡，作為4個采集板卡的觸發(fā)信號，另外2路分別送至直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡后的光子計數(shù)探測器和模擬探測器，作為兩個探測器的門控信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的直徑400mm接收望遠(yuǎn)鏡采用小視場，其視場大小由小孔光闌調(diào)節(jié)，接收高層大氣后向散射回波信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的直徑200mm接收望遠(yuǎn)鏡采用大接收視場。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙波長雙視場米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其探測方法，包括激光發(fā)射單元回波信號接收單元、后續(xù)光學(xué)單元、信號探測和采集單元及控制單元；所述的激光發(fā)射單元采用Nd:YAG激光器，同時發(fā)射532nm及1064nm兩個波長的激光脈沖，由直徑分別為400mm和200mm的兩個接收望遠(yuǎn)鏡接收，兩個接收望遠(yuǎn)鏡后是后續(xù)光學(xué)單元，后續(xù)光學(xué)單元出來的光信號由信號探測和采集單元及控制單元接收。雙接收通道分別用于高低層532nm及1064nm的同時探測，每個通道有各自獨立的視場，可以兼顧低層大視場角低探測盲區(qū)和高層小視場角度探測高度的要求；分別探測532nm及1064nm大氣氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線和連續(xù)分布，以及水平消光系數(shù)連續(xù)分布，通過分析能夠獲得大氣氣溶膠的各種光學(xué)參數(shù)。
文檔編號G01S7/481GK101071171SQ200710023308
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者劉博 , 鐘志慶, 遲如利, 范愛媛, 黃威, 王珍珠, 戚福弟, 周軍 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所