本實用新型涉及一種用于液態(tài)水云測量的多視場激光雷達探測系統(tǒng)，具體涉及一種測量云中云粒子微物理特性的多視場激光雷達探測系統(tǒng)，屬于云粒子探測技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

在對天氣因素分析時，云粒子的成分及特性，是推測未來天氣發(fā)展趨勢的重要指標，對云粒子進行實時監(jiān)控，更有助于分析大氣運動的情況，觀測的結(jié)果對短期的天氣預報有深刻意義。對長期氣候的研究，云具有輻射作用，影響整個地球的氣候變化，云對溫度的影響甚至超越了二氧化碳對溫度影響的三倍。對模式進行研究，云的物理性質(zhì)也是一個重要的研究方向，云的高度、云量、云的厚度以及云粒子特性，對天氣預報和檢驗以及天氣模型的建立極其重要。

云的幾個物理量的探測中，探測云粒子的微物理特性是當務之急，如云粒子中的水粒子物理形態(tài)、水的含量、水粒子的大小。云中水的相態(tài)是一個非常重要的參數(shù)指標。如果探測到云中的含水量，假設云中水粒子的粒徑分布滿足某一種特定關(guān)系，則云中的粒徑譜分布與含水量之間可用數(shù)學公式推導出來，所以，研究云中水含量十分重要。

至今，各種觀測云的方法都被使用。衛(wèi)星遙感有其獨特的特點，在衛(wèi)星軌道上對全球云的分布進行觀測，在云物理特性測量方面，它只能從整體上去區(qū)分水的相態(tài)是水相還是冰相，但不能從微觀上對云中的水粒子進行區(qū)分，并且在出現(xiàn)多層重疊云時會出現(xiàn)觀測方面的問題，在低云的觀測等方面也存在問題。機載云粒子測量儀是目前常用的人影響天氣的儀器，能夠?qū)︼w機飛行路徑上的云粒子的各種參數(shù)進行測量，能夠測量云粒子的粒徑以及云中的含水量，機載云粒子探測器可以直接測量云粒子，結(jié)果較為準確，但是費用相對其他觀測方式比較高，觀測次數(shù)受到限制。普通天氣雷達由于其波長的限制，對云的微物理特性探測能力也有限，隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波成為了觀測云最常用的手段，相比于普通的天氣雷達，毫米波雷達的波長更短，能更好的測量云的相態(tài)，再通過掃描設備，毫米波雷達能探測以雷達為中心十幾公里內(nèi)云的相關(guān)參數(shù)，激光雷達相比于毫米波雷達，更有其獨特的優(yōu)勢：空間分辨率方面，其距離分辨率的最小值為1.5m，比毫米波雷達的空間分辨能力要強；對于波長，毫米波雷達的波長一遍是3mm或者8mm，對于大多數(shù)云來說，該波長遠大于云粒子的大小，因此其探測能力肯定受到一定程度的限制，尤其是對薄云中小粒子的探測能力，而激光雷達的波長一般小于1微米，對云中各種粒子的探測能力更強，并且能夠監(jiān)測到毫米波無法監(jiān)測到的小粒子薄云。技術(shù)方面，毫米波雷達的造價和維護的費用比較昂貴，相比于毫米波雷達，激光雷達的各項技術(shù)均已成熟，系統(tǒng)更為簡潔，運行維護的費用相對更低，在以后的普及中更有優(yōu)勢。但是，傳統(tǒng)的激光雷達僅能測量單一視場角下的激光雷達回波，根據(jù)Mie散射理論，單一視場角的激光雷達回波無法反映云粒子的尺度譜信息，因此，多視場激光雷達對于研究云的微物理參數(shù)具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于液態(tài)水云測量的多視場激光雷達探測系統(tǒng)，利用云粒子的多次散射效應，通過改變視場角的大小，獲得不同視場角下的云粒子的退偏比，進而得到云粒子的半徑和液態(tài)含水量。

本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種用于液態(tài)水云測量的多視場激光雷達探測系統(tǒng)，包括激光雷達發(fā)射模塊、激光雷達接收模塊以及主控模塊；其中，激光雷達發(fā)射模塊包括激光器、擴束鏡、偏振片、半波片；激光雷達接收模塊包括望遠鏡、凸透鏡、電動小孔、偏振分束器、第一至第二光電探測器、信號采集模塊；所述激光器、電動小孔、信號采集模塊分別與主控模塊連接，第一光電探測器、第二光電探測器分別與信號采集模塊連接；激光器發(fā)射的激光信號依次經(jīng)擴束鏡、偏振片、半波片后垂直進入大氣，望遠鏡垂直接收大氣中云粒子的后向散射光，后向散射光經(jīng)凸透鏡變成平行光，平行光穿過電動小孔進入偏振分束器，偏振分束器將平行光分為水平偏振光和垂直偏振光，分別傳到第一光電探測器、第二光電探測器，第一光電探測器將水平偏振光轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸至信號采集模塊，第二光電探測器將垂直偏振光轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸至信號采集模塊，信號采集模塊分別采集兩個電信號并將結(jié)果傳輸至主控模塊。

作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述激光器采用YAG半導體激光器。

作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述望遠鏡采用200mm的卡塞格林望遠鏡，其焦距為2032mm。

作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述第一光電探測器、第二光電探測器均為H10682-110型號的光電倍增管。

作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述信號采集模塊采用P7882型號的光子計數(shù)卡。

本實用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本實用新型多視場激光雷達探測系統(tǒng)，利用云粒子的多次散射效應，使用可以按步長調(diào)節(jié)孔徑大小的電動小孔，控制激光雷達接收系統(tǒng)接收到的激光的視場角，來獲得不同視場下的水平偏振光信號和垂直偏振光信號，從而反演出云中液態(tài)水含量和云粒子半徑。

2、本實用新型多視場激光雷達探測系統(tǒng)，利用偏振通道信息對云層特性進行遙感反演，系統(tǒng)簡潔，運行維護的費用相對較低，在以后的普及中具有很好的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本實用新型一種用于液態(tài)水云測量的多視場激光雷達探測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。

圖2是線性退偏比的典型圖例。

圖3是利用本實用新型探測系統(tǒng)實測所得線性退偏比圖例。

圖4是液態(tài)含水量與線性退偏比的關(guān)系。

圖5是云粒子有效粒徑與線性退偏比的關(guān)系。

其中，1-激光器，2-擴束鏡，3-偏振片，4-半波片，5-第一反射鏡，6-望遠鏡，7-第二反射鏡，8-凸透鏡，9-電動小孔，10-偏振分束器，11-第一光電探測器，12-第二光電探測器，13-信號采集模塊。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。

本實用新型利用云的多次散射效應，使用YAG晶體激光器作為激光發(fā)射源，產(chǎn)生532nm的激光輻射，通過主控模塊(圖中未畫出)設置激光工作方式及其系統(tǒng)初始設定，利用望遠鏡接收云的后向散射信號，后向散射信號經(jīng)透鏡變成平行光。光學接收部分共2個探測通道，其中一個用來探測平行偏振信號，另一個用來探測垂直偏振信號，兩路電信號使用光子計數(shù)卡進行計數(shù)，并根據(jù)蒙特卡洛算法計算出水云的液態(tài)含水量和云粒子有效半徑。

該探測系統(tǒng)由激光雷達發(fā)射模塊、激光雷達接收模塊以及主控模塊組成。其中，各個模塊包含獨立單元，整體由主控模塊進行控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中，激光器發(fā)射波長為532nm。其中，激光雷達接收模塊采用卡塞格林望遠鏡以及窄帶濾光片等后繼光路。其中，數(shù)據(jù)分析顯示由主控模塊上的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析完成。

使用該系統(tǒng)進行探測的前提是在激光器工作狀態(tài)良好時，利用水云的多次散射效應，使用窄帶濾光片分別探測平行偏振光和垂直偏振光，通過蒙特卡洛原理反演出水云中的液態(tài)含水量和云粒子有效半徑。具體步驟是：

在主控模塊設置激光的工作方式、系統(tǒng)工作時間、系統(tǒng)初值、反演初值等初始化啟動信息。激光雷達發(fā)射模塊控制YAG晶體激光器產(chǎn)生532nm波長的激光輻射。利用收發(fā)異軸的卡塞格林望遠鏡接收不同視場角下的回波?；夭ㄐ盘柦?jīng)過凸透鏡變成平行光，分別送往兩個探測通道，其中一個水平探測通道用于探測平行偏振光，另一個垂直探測通道用于探測垂直偏振光。將兩個通道接收到的回波通過光電探測器，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。信號采集系統(tǒng)利用P7882光子計數(shù)卡對兩個通道進行光子計數(shù)。由主控模塊進行分析，在主控模塊記錄采集到的光子信號，并反演出水云中液態(tài)含水量和云粒子的有效半徑，并進行顯示。同時，原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果由主控模塊進行整理保存。

如圖1所示，本實用新型探測水云中液態(tài)含水量和云粒子有效半徑的多視場激光雷達探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

激光雷達發(fā)射模塊：該模塊通過激光器1產(chǎn)生穩(wěn)定的532nm激光輻射，激光通過擴束鏡2后壓縮其發(fā)散角至0.2mrad，通過線性偏振片3使其變成線偏振光，半波片4改變激光的偏振態(tài)，經(jīng)45°第一反射鏡5發(fā)射到大氣中。

激光雷達接收模塊：采用200mm的卡塞格林望遠鏡6，其焦距f＝2032mm，該望遠鏡用來接收來自云和氣溶膠的后向散射能量。后向散射能量通過第二反射鏡7進入凸透鏡8，凸透鏡8將后向散射光變?yōu)槠叫泄狻Ｍㄟ^主控模塊控制電動小孔9自動調(diào)節(jié)激光雷達的視場角，并使小孔的變化與光子計數(shù)卡的采集系統(tǒng)同步，接收云粒子在不同視場下的后向散射的光子。通過偏振分束器10將接收到的信號分為水平通道和垂直通道。采用兩個光電探測器11、12即H10682-110光電倍增管對光信號進行處理，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并把信號送到信號采集模塊13。信號采集模塊13采用P7882光子計數(shù)卡接收采集到的信號，并對采集的信號進行處理。

主控模塊：用于設置電動小孔的工作方式，包括小孔的轉(zhuǎn)動步距和方向，系統(tǒng)工作前，主控模塊將設置命令發(fā)送至下位機；數(shù)據(jù)分析是主控模塊的一個集成模塊，該模塊將采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析，并根據(jù)多次散射的原理，實時計算并顯示出水云的液態(tài)含水量和云粒子有效半徑，主控模塊還完成對采集數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的實時保存處理。

一種測量云粒子特性的多視場激光雷達探測方法，包括以下步驟：

1)利用激光雷達發(fā)射模塊，控制激光器穩(wěn)定產(chǎn)生532nm的激光，依次經(jīng)過擴束鏡、偏振片、半波片發(fā)射到大氣中。

2)利用激光雷達接收模塊，接收來自云和氣溶膠的后向散射能量。

3)利用主控模塊自動調(diào)節(jié)激光雷達的視場角，利用望遠鏡接收云粒子在不同視場下的后向散射的光子。

4)利用偏振分束器將接收光路的光分成平行偏振光和垂直偏振光，分別傳到兩個光電探測器探測。

5)利用光電探測器將接收的光信號通過光電倍增管轉(zhuǎn)化成電信號，并傳輸給信號采集模塊。

6)利用信號采集模塊把水平通道和垂直通道的電信號進行光子計數(shù)，對采集的信號進行如下處理：

1、設置光子計數(shù)卡工作方式及數(shù)據(jù)采集時間；

2、設置電動小孔的工作方式、步距及步數(shù)；

3、設置控制軟件使小孔的轉(zhuǎn)動與數(shù)據(jù)采集同步；

4、在不同視場角下采集兩個通道的光子數(shù)，并計算退偏比；

5、根據(jù)退偏比和蒙特卡洛算法計算云的微物理參數(shù)(包括液態(tài)含水量和云粒子半徑)并進行記錄。

7)利用主控模塊對采集的信號進行實時分析，并根據(jù)不同視場下散射的情況，實時計算云粒子半徑和液態(tài)含水量，并將數(shù)據(jù)進行實時保存。

如圖2和圖3所示，分別為線性退偏比的典型圖例和利用本實用新型探測系統(tǒng)實測所得線性退偏比圖例。通道1、通道2輸出的比值為退偏比，它包含兩個相互獨立的物理參量：退偏比斜率和偏振飽和度(如圖2所示)；通過蒙特卡洛可知，退偏比的斜率只和液態(tài)含水量有關(guān)(如圖4所示，右上角數(shù)據(jù)表示每立方米的液態(tài)含水量)，和云粒子有效半徑無關(guān)(如圖5所示，右上角數(shù)據(jù)表示云粒子半徑)，由此可以得到液態(tài)含水量，退偏飽和度和液態(tài)含水量以及云粒子半徑有關(guān)，由此可以得到云粒子半徑的大小。

以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內(nèi)。