專利名稱：大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-瑞利/米多功能激光雷達測量裝置及探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-瑞利/米多功能激光雷達測量裝置及探測方法，屬激光大氣探測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大氣二氧化硫和臭氧廓線的常規(guī)傳統(tǒng)的測量方法是無線電探空技術(shù)和激光雷達測量。不足和存在的問題無線電探空儀探測的精確度和實際地空間位置坐標存在很大的不確定性；太陽光度計測量的是整層大氣的臭氧和二氧化硫的含量，不能進行空間分辨測量；而激光雷達測量比探空測量方便準確，但是就用激光雷達對大氣臭氧廓線進行測量而言，國內(nèi)外常規(guī)的測量方法是差分吸收激光雷達測量，該方法所需要的激光光源的條件很苛刻，染料壽命很短導(dǎo)致激光光源的能量不穩(wěn)定，而且不經(jīng)濟；最主要的問題采用的波段都是紫外波段，但是在紫外波段臭氧和二氧化硫都存在吸收，這導(dǎo)致臭氧和二氧化硫的探測存在相互的干擾，使測量的結(jié)果不夠精確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-瑞利/米多功能激光雷達測量裝置，該裝置可以用來對影響大氣環(huán)境和氣候的臭氧和二氧化硫進行長期的，較大高度范圍內(nèi)的準確測量，測得的數(shù)據(jù)具有準確性，可靠性，可以用來對大氣環(huán)境和氣候變化的研究。本發(fā)明同時提供一種探測方法，該發(fā)明方法簡單，激光回波能量穩(wěn)定，測量的結(jié)果較常規(guī)差分吸收測量結(jié)果精確。本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-瑞利/米多功能激光雷達測量裝置，該裝置包括光路、數(shù)據(jù)采集單元、主控計算機，所述光路前部依次包括激光發(fā)射器、擴束器、反射鏡、接收望遠鏡和準直鏡，光路的后部接收分別為分色鏡、半反半透鏡(532nm/266nm)和全反鏡(532nm/266nm)；所述分色鏡的分光送入光電探測器A,半反半透(532nm/266nm)鏡的反射光送入光電探測器B，全反鏡(532nm/266nm)的反射光送入光電探測器C，光電探測器A、B經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元與主控制計算機相連，光電探測器C經(jīng)A/D轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)換采集單元與主控計算機相連，所述光電探測器A、B均設(shè)有門控單元，各門控單元分別與主控計算機相連。激光發(fā)射器采用Nd = YAG激光器；光電控制器A、B、C采用光電倍增管，門控單為光 電倍增管門控電路；所述數(shù)據(jù)采集單元為光子計數(shù)卡和A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡。一種探測方法，包括以下步驟
Nd: YAG激光器的二倍頻532nm和四倍頻266nm光經(jīng)過擴束鏡擴束后，再經(jīng)過反射鏡垂直反射進入大氣，激光在大氣中發(fā)生瑞利、拉曼和米散射，散射光被望遠鏡接受，聚焦在望遠鏡的焦點上，再經(jīng)過準直鏡準直后被分色鏡、半反半透(532nm/266nm)鏡和全反鏡(532nm/266nm),分別進入拉曼和瑞利/米通道，散射光中的氮拉曼光607nm被第一分色鏡分出進入拉曼通道，由光電探測器A探測后經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得拉曼散射回波信號強度P (Z);散射光中的532nm光(遮擋住266nm光源)經(jīng)半反半透鏡反射后進入瑞利通道，由光電探測器B探測后經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得高空瑞利散射(532nm)回波信號強度Q(Z);散射光中的532nm光(擋住266nm光源)經(jīng)半反半透鏡透射光鏡全反鏡反射進入米通道，由光電探測器C探測后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得低空米散射(532nm)回波信號強度Q (z)；將拉曼通道607nm的拉曼散射回波信號P(z)和瑞利/米通道532nm的散射回波信號Q(Z)代入伯努利方程組
權(quán)利要求
1.大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-瑞利/米多功能激光雷達測量裝置，該裝置包括 光路、數(shù)據(jù)采集單元、主控計算機，所述光路前部依次包括激光發(fā)射器、擴束器、反射鏡、接收望遠鏡和準直鏡，光路的后部接收分別為分色鏡、半反半透鏡和全反鏡； 所述分色鏡的分光送入光電探測器A，半反半透鏡的反射光送入光電探測器B，全反鏡的反射光送入光電探測器C，光電探測器A、B經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元與主控制計算機相連，光電探測器C經(jīng)A/D轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)換采集單元與主控計算機相連，所述光電探測器A、B均設(shè)有門控單元，各門控單元分別與主控計算機相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征是所述激光發(fā)射器采用Nd:YAG激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征是所述光電控制器A、B、C采用光電倍增管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量裝置，其特征是所述門控單為光電倍增管門控電路；所述數(shù)據(jù)采集單元為光子計數(shù)卡。
5.一種探測方法，包括以下步驟 Nd: YAG激光器的二倍頻532nm和四倍頻266nm光經(jīng)過擴束鏡擴束后，再經(jīng)過反射鏡垂直反射進入大氣，激光在大氣中發(fā)生瑞利、拉曼和米散射，散射光被望遠鏡接受，聚焦在望遠鏡的焦點上，再經(jīng)過準直鏡準直后被分色鏡、半反半透鏡和全反鏡，分別進入拉曼和瑞利/米通道， 散射光中的氮拉曼光607nm被第一分色鏡分出進入拉曼通道，由光電探測器A探測后經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得拉曼散射回波信號強度P(Z)； 散射光中的532nm光經(jīng)半反半透鏡反射后進入瑞利通道，由光電探測器B探測后經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得高空瑞利散射回波信號強度Q(Z)； 散射光中的532nm光經(jīng)半反半透鏡透射光鏡全反鏡反射進入米通道，由光電探測器C探測后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得低空米散射回波信號強度Q (z)；將拉曼通道607nm的拉曼散射回波信號P (z)和瑞利/米通道532nm的散射回波信號Q(z)代入伯努利方程組 ^ln y =-——0.0001-1.85x (I) dz Q(z)z2 =^1xexp[-2f (x + ^y)dz\(2) 其中P(Z)為拉曼回波信號強度，Q (Z)為瑞利/米回波信號強度，X為氣溶膠消光系數(shù)，y為臭氧濃度，k與Ic1為常數(shù)，z為激光傳輸?shù)母叨龋? 利用方程組(1)，(2)，解方程組得到大氣臭氧的含量隨高度變化的分布廓線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述探測方法，還包括以下步驟 散射光中的266nm光經(jīng)半反半透鏡反射后進入瑞利通道，由光電探測器B探測，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得瑞利散射)回波信號強度Q(Z)； 散射光中的266nm光經(jīng)半反半透鏡透射后，由全反鏡反射進入米通道，由光電探測器C探測，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集單元送入主控計算機，測得米散射回波信號強度Q(Z) 從以上兩回波信號中反演總吸收引起的總消光； 從總消光中扣除純凈大氣臭氧吸收引起的消光，得到二氧化硫吸收引起的消光，再根據(jù)二氧化硫在266nm處的吸收截面，得到準確二氧化硫的含量隨高度的分 布廓線。
全文摘要
本發(fā)明提供大氣二氧化硫和臭氧廓線拉曼-米/瑞利多功能激光雷達測量裝置及探測方法，該裝置可以用來對影響大氣環(huán)境和氣候的臭氧和二氧化硫進行長期的，較大高度范圍內(nèi)的準確測量，測得的數(shù)據(jù)具有準確性，可靠性，可以用來對大氣環(huán)境和氣候變化的研究。該裝置包括光路、數(shù)據(jù)采集單元、主控計算機，所述光路前部依次包括激光發(fā)射器、擴束器、反射鏡、接收望遠鏡和準直鏡，光路的后部接收分別為分色鏡、半反半透鏡。
文檔編號G01S17/88GK102628946SQ201210105749
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者周昭明, 施建中, 曹念文, 楊豐愷 申請人:南京信息工程大學(xué)