專利名稱：基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，更具體的說，涉及一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)及其測量方法。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)和光譜技術(shù)在大氣科學(xué)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。目前為止，云的宏觀觀測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，有人工觀測、云高儀、全天空成像儀、天氣雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等多種手段。但是，對于云微物理特性的觀測方法還比較少，就對其進(jìn)行連續(xù)觀測而言，目前毫米波雷達(dá)是被公認(rèn)的一種有效的探測設(shè)備。但是，與毫米波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)在空間分辨 率、作用方式方面更具有優(yōu)勢，并且激光雷達(dá)各項(xiàng)技術(shù)比較成熟，系統(tǒng)簡單，運(yùn)行維護(hù)成本低廉，在應(yīng)用推廣上具有一定的優(yōu)勢。已研制出的用于云中不同相態(tài)水觀測的激光雷達(dá)，包括偏振激光雷達(dá)、水汽差分吸收激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)等。其中，偏振激光雷達(dá)僅僅是定性的描述云中水的相態(tài)，要準(zhǔn)確的獲取云中的不同相態(tài)水含量需要用到水的拉曼散射光譜知識。此外，與水汽差分吸收激光雷達(dá)相比，拉曼激光雷達(dá)在系統(tǒng)復(fù)雜性、造價等方面均具有優(yōu)勢。目前國內(nèi)已有的拉曼激光雷達(dá)主要測量大氣里面的水汽含量，而在云體內(nèi)部，水的存在相態(tài)以固態(tài)水和液態(tài)水為主。到目前為止，尚未有以云中固、液態(tài)水為探測對象的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種以云中固態(tài)水和液態(tài)水為探測對象的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)。同時，本發(fā)明還提供一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，包括激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、光譜分辨裝置、光電探測裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，所述激光發(fā)射裝置設(shè)置于被測云的下方，包括激光器、擴(kuò)束器和反射鏡，所述激光器、所述擴(kuò)束器和所述反射鏡的中心設(shè)置在同一條直線上，所述激光器發(fā)射出的激光脈沖進(jìn)入到所述擴(kuò)束器的入口，所述擴(kuò)束器將激光脈沖發(fā)射到所述反射鏡，所述反射鏡將所述激光脈沖垂直發(fā)射至空中，并打在被測云體上；所述激光接收裝置為望遠(yuǎn)鏡，收集被測云體反射的回波信號，并將回波信號發(fā)送至所述光譜分辨裝置；所述光譜分辨裝置包括光纖、非球面鏡、寬帶濾光片、光柵光譜儀和旋轉(zhuǎn)平臺，所述光纖的出口、所述非球面鏡、所述寬帶濾光片和所述光柵光譜儀的中心設(shè)置在同一直線上，所述光纖的入口接收所述望遠(yuǎn)鏡輸出的回波信號，所述回波信號依次通過所述光纖、所述非球面鏡、所述寬帶濾光片和所述光柵光譜儀后，傳遞到所述光電探測裝置；
所述光電探測裝置包括光電倍增管，其輸入端與所述光柵光譜儀通過信號連通，當(dāng)所述光柵光譜儀處于打開狀態(tài)時，接收所述光柵光譜儀發(fā)送的光譜信號并將信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述數(shù)據(jù)采集裝置；所述數(shù)據(jù)采集裝置包括光子計(jì)數(shù)卡和計(jì)算機(jī)，所述光子計(jì)數(shù)卡的輸入端與所述光電倍增管的輸出端信號連接，接收所述光電倍增管的信號進(jìn)行采樣和計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到所述計(jì)算機(jī)。本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步限定為，所述系統(tǒng)還包括雙脈沖觸發(fā)裝置，所述雙脈沖觸發(fā)裝置包括感應(yīng)觸發(fā)模塊、單片機(jī)和門控裝置，所述感應(yīng)觸發(fā)模塊設(shè)置于所述激光器的激光發(fā)射范圍內(nèi)，與所述單片機(jī)連接，傳送電信號到所述單片機(jī)；所述單片機(jī)的輸出端與所述光子計(jì)數(shù)卡連接，傳遞雙脈沖觸發(fā)信號到所述光子計(jì)數(shù)卡，控制所述光子計(jì)數(shù)卡的打開與閉合；所述單片機(jī)通過所述門控裝置與所述光電倍增管連接，傳遞門控信號到所述光電倍增管，控制所述光電倍增管的打開與閉合。單片機(jī)15為AM89系列的單片機(jī)，優(yōu)選型號為AT89S52 或 AT89LS52?！?br> 進(jìn)一步地，所述光譜分辨裝置還包括旋轉(zhuǎn)平臺，所述光柵光譜儀固定設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)平臺上。進(jìn)一步地，所述光柵光譜儀采用平面反射光柵，所述平面反射光柵的相鄰譜線角間隔和每毫米光柵的刻槽數(shù)由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)確定
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d-cos^ (3)δ Θ =D θ · δ λ (4)(5)其中d是光柵常數(shù)；Ν是每毫米光柵的刻槽數(shù)，單位為毫米；λ為選定的基準(zhǔn)波長，單位為毫米；Θ為一級譜線的衍射角，單位為度；k為光譜級別；D(5為光柵的角色散本領(lǐng)，單位為度；δ Θ為相鄰譜線角間隔，單位為度；δ λ為相鄰譜線波長差,單位為毫米；Δ Θ為譜線的半角寬度，單位為度。進(jìn)一步地，所述激光器為Nd:YAG激光器。進(jìn)一步地，所述寬帶濾光片的中心波長為405nm,通帶帶寬為40nm。進(jìn)一步地，所述光子計(jì)數(shù)卡的時間分辨率為100ns，距離分辨率為15m，最大計(jì)數(shù)率 200MHz。本發(fā)明公開的另一技術(shù)方案為基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法，其特征在于，按照如下步驟進(jìn)行(-)激光器發(fā)射激光脈沖，經(jīng)擴(kuò)束器對激光進(jìn)行擴(kuò)展和準(zhǔn)直后，通過反射鏡使得激光脈沖光束垂直射入空中，并打在待測云體上；(二)位于激光器附近的感應(yīng)觸發(fā)模塊感應(yīng)到激光后，傳遞信號到單片機(jī)，單片機(jī)15為AM89系列的單片機(jī)，優(yōu)選型號為AT89S52或AT89LS52 ;單片機(jī)下發(fā)門控信號和雙脈沖觸發(fā)信號，所述門控信號在激光發(fā)出后拉曼散射信號到達(dá)前使光電倍增管開門，準(zhǔn)備接收拉曼散射信號；曰在步驟(二)中雙脈沖觸發(fā)信號的第一個脈沖到來時，由望遠(yuǎn)鏡接收拉曼散射信號和背景光信號，并將接收的信號傳入到光纖中，由光纖對光波進(jìn)行準(zhǔn)直；(四)經(jīng)光纖準(zhǔn)直的光波由非球面鏡進(jìn)行準(zhǔn)直-聚焦，變成平行光；所述平行光經(jīng)過寬帶濾光片濾除部分干擾噪聲后，到達(dá)轉(zhuǎn)動的光柵光譜儀，所述光柵光譜儀以一定角分辨率和波長間隔探測拉曼回波信號，并將信號傳遞至光電倍增管； 光電倍增管將接收的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，發(fā)送到光子計(jì)數(shù)卡，所述光子計(jì)數(shù)卡對接收的電信號進(jìn)行采樣和計(jì)數(shù)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將數(shù)字信號傳遞到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對接收的數(shù)字信號進(jìn)行處理并存儲；
㈥在步驟㈡中雙脈沖觸發(fā)信號的第二個脈沖到來時，由望遠(yuǎn)鏡接收背景光信號，并將接收的信號傳入到光纖中，由光纖對光波進(jìn)行準(zhǔn)直后，執(zhí)行步驟_和步驟 ;⑴將步驟 中得到的信號減去步驟(六)中得到的信號，得到光譜的特征信息。9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法，其特征在于，所述光柵光譜儀采用平面反射光柵，所述平面反射光柵的相鄰譜線角間隔和每毫米光柵的刻槽數(shù)由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)確定 /=￥(I)sin0=/r4
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a . cos β,( 3 )δ Θ =D θ · δ λ (4)Δ^=---
M:/-cos0 (5)其中d是光柵常數(shù)；N是每毫米光柵的刻槽數(shù)，單位為毫米；λ為選定的基準(zhǔn)波長，單位為毫米；Θ為一級譜線的衍射角，單位為度；k為光譜級別；D(5為光柵的角色散本領(lǐng)，單位為度；δ Θ為相鄰譜線角間隔，單位為度；δ λ為相鄰譜線波長差,單位為毫米；Δ Θ為譜線的半角寬度，單位為度。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)及其方法與現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①以云中固態(tài)水、液態(tài)水為探測對象，獲取云中水的拉曼散射全光譜分布曲線，有助于進(jìn)一步獲得云中不同相態(tài)水含量，對云微物理特性研究有重要意義。②將激光雷達(dá)系統(tǒng)和光柵光譜儀相結(jié)合，具有光譜分辨率高、體積相對較小等優(yōu)點(diǎn)。③采用雙脈沖觸發(fā)技術(shù)，最大限度地消除了背景光的影響。④采用電動旋轉(zhuǎn)平臺帶動光柵光譜儀轉(zhuǎn)動，保證了固定的進(jìn)入光柵光譜儀的光的衍射角，便于光電探測系統(tǒng)的接收。
⑤整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。


圖I為本發(fā)明的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的單片機(jī)下發(fā)的門控信號的信號圖；圖3為本發(fā)明所述的單片機(jī)下 發(fā)的雙脈沖觸發(fā)信號的信號圖。圖中I、激光器；2、擴(kuò)束器；3、反射鏡；4、望遠(yuǎn)鏡；5、光纖；6、濾光片；7、非球面鏡；8、光柵光譜儀；9、旋轉(zhuǎn)平臺；10、光電倍增管；11、光子計(jì)數(shù)卡；12、計(jì)算機(jī)；13、PMT門控；14、感應(yīng)觸發(fā)模塊；15、單片機(jī)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I本實(shí)施例提供的一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、光譜分辨裝置、光電探測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和雙脈沖觸發(fā)裝置。所述激光發(fā)射裝置設(shè)置于被測云的下方，包括激光器I、擴(kuò)束器2和反射鏡3，所述激光器I、所述擴(kuò)束器2和所述反射鏡3的中心設(shè)置在同一條直線上。所述激光器I發(fā)射出的激光脈沖進(jìn)入到所述擴(kuò)束器2的入口，所述擴(kuò)束器2將激光脈沖發(fā)射到所述反射鏡3，所述反射鏡3將所述激光脈沖垂直發(fā)射至空中，并打在被測云體上。所述激光器I為Nd:YAG激光器，脈沖激光束波長為355nm，單脈沖能量為70mJ，脈寬為< 7ns，重復(fù)頻率20Hz，發(fā)散角彡lmrad。擴(kuò)束器2采用30倍擴(kuò)束。所述反射鏡3的傾角為45度。激光器I的功能是發(fā)射激光脈沖，擴(kuò)束器2的功能是準(zhǔn)直光束，減小激光的發(fā)散角，反射鏡3的功能是使得激光脈沖光束垂直射入空中。所述激光接收裝置為收集拉曼散射回波信號的望遠(yuǎn)鏡4，望遠(yuǎn)鏡4采用MeadeLX200望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡口徑為400mm，焦距為2000mm。利用望遠(yuǎn)鏡4收集激光雷達(dá)的后向散射回波以及無激光時的背景光。所述光譜分辨裝置包括光纖5、非球面鏡6、寬帶濾光片7、光柵光譜儀8和旋轉(zhuǎn)平臺9。所述光纖5的出口、所述非球面鏡6、所述寬帶濾光片7和所述光柵光譜儀8的中心設(shè)置在同一直線上，所述光纖5的入口接收所述望遠(yuǎn)鏡4輸出的回波信號，所述回波信號依次通過所述光纖5、所述非球面鏡6、所述寬帶濾光片7和所述光柵光譜儀8后，傳遞到所述光電探測裝置。所述光纖5的數(shù)值孔徑采用NA=O. 12，光纖可彎曲，提高了系統(tǒng)地靈活性。所述光柵光譜儀8固定設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)平臺9上，以一定角分辨率和波長間隔探測拉曼回波信號。所述寬帶濾光片7的中心波長為405nm,通帶帶寬為40nm。所述光柵光譜儀8采用平面反射光柵，用于對分離后得到的拉曼散射信號進(jìn)行光譜分離，該光柵能分辨的最小波長間隔為O. 05nm。所述平面反射光柵的相鄰譜線角間隔和每毫米光柵的刻槽數(shù)由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)確定
權(quán)利要求
1.基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，包括激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、光譜分辨裝置、光電探測裝置和數(shù)據(jù)采集裝置， 所述激光發(fā)射裝置設(shè)置于被測云的下方，包括激光器(I)、擴(kuò)束器(2)和反射鏡(3)，所述激光器(I)、所述擴(kuò)束器(2)和所述反射鏡(3)的中心設(shè)置在同一條直線上，所述激光器(I)發(fā)射出的激光脈沖進(jìn)入到所述擴(kuò)束器(2)的入口，所述擴(kuò)束器(2 )將激光脈沖發(fā)射到所述反射鏡(3)，所述反射鏡(3)將所述激光脈沖垂直發(fā)射至空中，并打在被測云體上； 所述激光接收裝置為望遠(yuǎn)鏡(4)，收集被測云體反射的回波信號，并將回波信號發(fā)送至所述光譜分辨裝置； 所述光譜分辨裝置包括光纖(5)、非球面鏡(6)、寬帶濾光片(7)、光柵光譜儀(8)和旋轉(zhuǎn)平臺(9)，所述光纖(5)的出口、所述非球面鏡(6)、所述寬帶濾光片(7)和所述光柵光譜儀(8)的中心設(shè)置在同一直線上，所述光纖(5)的入口接收所述望遠(yuǎn)鏡(4)輸出的回波信號，所述回波信號依次通過所述光纖(5)、所述非球面鏡(6)、所述寬帶濾光片(7)和所述光柵光譜儀(9)后，傳遞到所述光電探測裝置； 所述光電探測裝置包括光電倍增管(10)，其輸入端與所述光柵光譜儀(8)通過信號連通，當(dāng)所述光柵光譜儀(8)處于打開狀態(tài)時，接收所述光柵光譜儀(8)發(fā)送的光譜信號并將信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述數(shù)據(jù)采集裝置； 所述數(shù)據(jù)采集裝置包括光子計(jì)數(shù)卡(11)和計(jì)算機(jī)(12 )，所述光子計(jì)數(shù)卡(11)的輸入端與所述光電倍增管(10)的輸出端信號連接，接收所述光電倍增管(10)的信號進(jìn)行采樣和計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到所述計(jì)算機(jī)(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括雙脈沖觸發(fā)裝置，所述雙脈沖觸發(fā)裝置包括感應(yīng)觸發(fā)模塊(14)、單片機(jī)(15)和門控裝置(13)，所述感應(yīng)觸發(fā)模塊(14)設(shè)置于所述激光器(I)的激光發(fā)射范圍內(nèi)，與所述單片機(jī)(15)連接，傳送電信號到所述單片機(jī)(15);所述單片機(jī)(15)的輸出端與所述光子計(jì)數(shù)卡(11)連接，傳遞雙脈沖觸發(fā)信號到所述光子計(jì)數(shù)卡(11)，控制所述光子計(jì)數(shù)卡(II)的打開與閉合；所述單片機(jī)(15)通過所述門控裝置(13)與所述光電倍增管(10)連接，傳遞門控信號到所述光電倍增管(10)，控制所述光電倍增管(10)的打開與閉合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光譜分辨裝置還包括旋轉(zhuǎn)平臺(9)，所述光柵光譜儀(8)固定設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)平臺(9)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵光譜儀(8)采用平面反射光柵，所述平面反射光柵的相鄰譜線角間隔和每毫米光柵的刻槽數(shù)由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)確定
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(I)為Nd: YAG激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶濾光片(7)的中心波長為405nm,通帶帶寬為40nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光子計(jì)數(shù)卡(11)的時間分辨率為100ns，距離分辨率為15m，最大計(jì)數(shù)率200MHz。
8.基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法，其特征在于，按照如下步驟進(jìn)行 ㈠激光器(I)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)擴(kuò)束器(2 )對激光進(jìn)行擴(kuò)展和準(zhǔn)直后，通過反射鏡(3 )使得激光脈沖光束垂直射入空中，并打在待測云體上； ㈡位于激光器(I)附近的感應(yīng)觸發(fā)模塊(14)感應(yīng)到激光后，傳遞信號到單片機(jī)(15)，單片機(jī)(15)下發(fā)門控信號和雙脈沖觸發(fā)信號，所述門控信號在激光發(fā)出后拉曼散射信號到達(dá)前使光電倍增管(10)開門，準(zhǔn)備接收拉曼散射信號； 曰在步驟(二)中雙脈沖觸發(fā)信號的第一個脈沖到來時，由望遠(yuǎn)鏡(4)接收拉曼散射信號和背景光信號，并將接收的信號傳入到光纖(5)中，由光纖(5)對光波進(jìn)行準(zhǔn)直； (四)經(jīng)光纖(5)準(zhǔn)直的光波由非球面鏡(6)進(jìn)行準(zhǔn)直-聚焦，變成平行光；所述平行光經(jīng)過寬帶濾光片(7)濾除部分干擾噪聲后，到達(dá)轉(zhuǎn)動的光柵光譜儀(8)，所述光柵光譜儀(8)以一定角分辨率和波長間隔探測拉曼回波信號，并將信號傳遞至光電倍增管(10); 光電倍增管(10)將接收的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，發(fā)送到光子計(jì)數(shù)卡(11 )，所述光子計(jì)數(shù)卡(11)對接收的電信號進(jìn)行采樣和計(jì)數(shù)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將數(shù)字信號傳遞到計(jì)算機(jī)(12)，計(jì)算機(jī)(12)對接收的數(shù)字信號進(jìn)行處理并存儲； (六)在步驟(二)中雙脈沖觸發(fā)信號的第二個脈沖到來時，由望遠(yuǎn)鏡(4)接收背景光信號，并將接收的信號傳入到光纖(5)中，由光纖(5)對光波進(jìn)行準(zhǔn)直后，執(zhí)行步驟(E)和步驟( ； ⑴將步驟 中得到的信號減去步驟(六)中得到的信號，得到光譜的特征信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法，其特征在于，所述光柵光譜儀(8)采用平面反射光柵，所述平面反射光柵的相鄰譜線角間隔和每毫米光柵的刻槽數(shù)由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)確定
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量系統(tǒng)，包括激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、光譜分辨裝置、光電探測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和雙脈沖觸發(fā)裝置，所述激光發(fā)射裝置包括激光器、擴(kuò)束器和反射鏡；所述光譜分辨裝置包括光纖、非球面鏡、寬帶濾光片、光柵光譜儀和旋轉(zhuǎn)平臺；所述光電探測裝置包括將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姳对龉?；所述?shù)據(jù)采集裝置包括光子計(jì)數(shù)卡和計(jì)算機(jī)；所述雙脈沖觸發(fā)裝置包括感應(yīng)觸發(fā)模塊、單片機(jī)和門控裝置。同時，本發(fā)明還公開了一種基于激光雷達(dá)的云中水拉曼散射全光譜測量方法。本發(fā)明以云中固態(tài)水和液態(tài)水為探測對象，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
文檔編號G01N21/65GK102937586SQ20121042862
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者卜令兵, 呂敏, 徐中兵, 丘祖京, 邵楠清, 莊一洲, 張強(qiáng) 申請人:南京信息工程大學(xué)