專利名稱：大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達測量裝置及探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達高精度測量裝置及探測方法，屬激光大氣探測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大氣臭氧廓線常規(guī)傳統(tǒng)的測量方法是無線電探空技術(shù)和激光雷達測量技術(shù)，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。 不足之處(I)該方法所需要的激光光源的條件很苛刻，染料壽命很短導致激光光源的能量不穩(wěn)定，而且不經(jīng)濟；(2)實驗的過程中需要不斷的更換染料，實驗的連續(xù)性得不到很好的保障；(3)由于激光能量的不穩(wěn)定，導致測量結(jié)果不準確。(4)由于探測器動態(tài)范圍的存在，導致有效測量高度范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達測量裝置，該裝置測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性遠超過常規(guī)差分吸收激光雷達的數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)的可信度、準確度大大提高；特別是能測量高空微弱的瑞利和拉曼信號，因而測量的高度也較常規(guī)差分吸收激光雷達的測量范圍大大增加；試驗條件比差分吸收簡單，穩(wěn)定，經(jīng)濟。能方便實用于大氣臭氧廓線的測量。本發(fā)明同時提供大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達探測方法，該方法簡單，激光回波能量穩(wěn)定，從一次試驗的三通道數(shù)據(jù)中就可反演出實測大氣臭氧隨高度的垂直分布；測量的精度比常規(guī)差分吸收激光雷達所測結(jié)果高。本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達測量裝置，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和半反半透鏡；所述分色鏡的分光送入光電探測器A，半反半透鏡的反射分光送入光電探測器B，半反半透鏡的透射分光送入光電探測器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)換數(shù)據(jù)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)射器米用Nd: YAG激光器。光電探測器A、B、C米用光電倍增管。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。光路的后部接收還包括一全反鏡，半反半透鏡的透射分光經(jīng)全反鏡反射后送入光電探測器C。大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達探測方法，該方法包括以下步驟
Nd: YAG激光器的二倍頻532nmn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)生拉曼、瑞利和米散射，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片和半反半透鏡以及全反鏡分光，分別進入拉曼和瑞利/米三通道，
散射光中的氮拉曼光607nm首先被分色鏡分出進入拉曼通道，由光電探測器A探測后經(jīng)光子計數(shù)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);散射光中的瑞利信號532nm經(jīng)半反半透鏡后，反射部分進入瑞利通道，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)；將拉曼散射回波信號P(Z)以及高空瑞利散射回波信號Q(Z)代入下列方程組(I)和(2)，其中X為氣溶膠消光系數(shù)，y為大氣臭氧濃度，k和kl為常數(shù)，k取1，kl為激光雷達儀器參數(shù)，Z為激光傳輸?shù)母叨?，對反演的結(jié)果影響很小，通過解方程組就可得到y(tǒng)值，即大氣臭氧的濃度廓線；方程組
d(\n——)P(Z)Z1,、
少=-^--0.0001-1.85x (I)
dzQ{z)z2 =klXQX^[-l\ (x + 3^>/z](2)其中P(z)為拉曼回波信號強度(可測量)，Q(z)為高空瑞利回波信號強度(可測量)，X為氣溶膠消光系數(shù)，y為臭氧濃度(要求的量)，k與Ic1為常數(shù)；Z為激光傳輸?shù)母叨?，根?jù)以下測得高空臭氧濃度廓線；由⑵得到ln2(,)Z = -2 \Z (x + 3y)dz
K1X,zo\nQ^hl = _2(x + 3y)
k'x
',代入(I)得ln2(z)z+6ln~= 0.0006+9.Ijc
kxxP(z)z2
「 ].Mk idx；n{Qii)z~ I +: + Op+ ,h^；n；Q；zIz-)4— 0.0006 = R{z)
f|v則7- R*3k = -Ms2滿足伯努利方程
Cll所以i = e~J: s_[| (9,leJ:_z)dz+ 0,0001]
I
.0001!
O大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達探測方法，該方法還包括以下步驟，半反半透鏡的透射光部分(532nm)直接進入米通道，或者經(jīng)過全反鏡全反后進入米通道，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，測得低空米散射回波信號強度Q(Z)；根據(jù)方程組
權(quán)利要求
1.大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達測量裝置，其特征是該裝置包括 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和半反半透鏡； 所述分色鏡的分光送入光電探測器A，半反半透鏡的反射分光送入光電探測器B，半反半透鏡的透射分光送入光電探測器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)換數(shù)據(jù)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，其特征是所述光電探測器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.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的測量裝置，其特征是所述光路的后部接收還包括一全反鏡，半反半透鏡的透射分光經(jīng)全反鏡反射后送入光電探測器C。
6.大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達探測方法，該方法包括以下步驟 NdiYAG激光器的二倍頻532nmn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)生拉曼、瑞利和米散射，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片和半反半透鏡以及全反鏡分光，分別進入拉曼和瑞利/米通道； 散射光中的607nm光首先被分色鏡分出進入拉曼通道，由光電探測器A探測后經(jīng)光子計數(shù)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)半反半透鏡后，反射部分進入瑞利通道，由光電探測器B探測后經(jīng)光子計數(shù)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)； 將拉曼散射回波信號P(Z)以及高空瑞利散射回波信號Q(Z)代入下列方程組(I)和(2)，其中X為氣溶膠消光系數(shù)，y為大氣臭氧濃度，k和kl為常數(shù)，通過解方程組就可得到y(tǒng)值，即大氣臭氧的濃度廓線； 方程組
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達探測方法，該方法還包括以下步驟 上述半反半透鏡的透射光部分直接進入米通道，或者經(jīng)過全反鏡全反后進入米通道，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，測得低空米散射回波信號強度Q(Z)； 根據(jù)方程組 其中P(z)為拉曼回波信號強度，Q(z)為低空米散射回波信號強度，X為氣溶膠消光系數(shù)，I為臭氧濃度，k與為常數(shù)，Z為激光傳輸?shù)母叨?，測得低空臭氧濃度廓線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大氣臭氧廓線拉曼-瑞利/米激光雷達測量裝置及探測方法，該裝置包括光路、數(shù)據(jù)采集單元、主控計算機，所述光路的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片和半反半透鏡；所述分色片的分光送入光電探測器A，半反半透鏡的反射分光送入光電探測器B，半反半透鏡的透射分光送入光電探測器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)換數(shù)據(jù)采集單元與主控計算機相連，所述光電探測器A、B分別設(shè)有控制單元，控制單元分別與主控計算機相連。
文檔編號G01S17/88GK102628947SQ201210105758
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