亚星游戏官网-www.yaxin868.com

振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，该系统包括：第一系统和第二系统，其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括：激光发射单元，用于向空中发射激光；光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行。本实用新型可以实现全天候大气综合连续自动观测。
【专利说明】振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大气探测【技术领域】，尤其涉及振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统。
【背景技术】
[0002]激光设备与光电探测设备的快速发展，使得使用遥感手段对大气温湿廓线进行连续观测成为可能。由于所用探测束波长较短和定向性较强，使激光雷达具有很高的空间、时间分辨能力(空间分辨可达数米，时间分辨可达数秒)和很高的探测灵敏度(可探测近百公里高度处立方厘米仅几个原子的稀疏大气成分)等优点。应用大气探测激光雷达可以方便高效的对大气中的各种气体成分及气溶胶进行探测，同时应用激光雷达还可以获得高时空分辨率的大气温度廓线等参数。相对而言，激光雷达最适合用于对大气的探测与研究，因此激光雷达在大气探测领域据有广阔的发展前景。
[0003]大气温度和水汽廓线是气象预报、大气科学研究、甚至气候研究中最为重要的观测数据一部分。传统的观测方法是使用探空气球手段，然而其高昂成本、水平方向的漂移和操作的复杂性以及对天气条件的依赖性使得无法实现连续高时间精度的观测。许多气象站通常一天仅进行I次或2次探空气球观测。随着人类社会对于大气污染和气候变化的关注，对于气溶胶(人类污染)和云(气候变化预测最大不确定性因子)的观测需要急剧增加。目前对于云和气溶胶的观测，通常使用独立的遥感观测仪器，例如激光雷达。
[0004]大气温度廓线通常是基于微波辐射计(有时配合雷达)遥感观测，大气湿度廓线通常是基于拉曼激光雷达(有时配合微波辐射计)的观测。尽管基于微波辐射计开发的一些方法也可以同时测量温度和湿度廓线，但其精度和准确度都不是很好。而基于拉曼雷达探测大气湿度廓线的方法已经相对比较成熟，精确度也很好。并且拉曼散射激光雷达在测温方面能够实现温度的实时探测，具有高的时空分辨率，在连续监测和测量精度等方面所具有的独到优势，是其它探测手段无法比拟的新颖大气遥感技术。
[0005]目前，国内虽然有很多方法能够用来观测温度和湿度的廓线，但是能够同时进行温度和湿度全天自动观测的雷达系统还很少或不完善；另外，随着对于大气污染和全球变化的广泛关注，社会和科研越来越需要气溶胶和云的长期连续性观测，而对云和气溶胶分别探测的仪器也伴随需求而出现了很多。然而，能够同时对大气温度、水汽、气溶胶和云进行同步、连续、自动、全天观测的仪器几乎没有。
[0006]就该【技术领域】而言，国内的研究主要是基于中科院安徽光机所大气光学中心于1995年建造的L625多功能激光雷达，此雷达于1999年增加了测量水汽的Raman通道，但鉴于雷达本身的限制只能进行I?5km水汽的测量，并且仅仅限于夜晚观测，且不含有1064nm的发射波长，不能进行对云的观测。不管是系统结构还是探测范围、探测精度都有待进一步改善。
实用新型内容[0007]本实用新型实施例提供一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，用以实现全天候大气综合连续自动观测，该振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统包括:
[0008]第一系统和第二系统,其中,第一系统工作在紫外波段,第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括:
[0009]激光发射单元,用于向空中发射激光；
[0010]光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
[0011]信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
[0012]控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行。
[0013]一个实施例中,所述激光发射单元包括:
[0014]激光器、与激光器连接的二色分束片、以及与二色分束片连接的扩束器。
[0015]一个实施例中，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。
[0016]一个实施例中，所述扩束器针对355nm激光束采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束采用5倍扩束。
[0017]一个实施例中，所述第一系统的光学接收单元包括:紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；
[0018]所述第二系统的光学接收单元包括:可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组。
[0019]一个实施例中，所述紫外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为450mm，焦距为4000mm ;所述可见红外望远镜米用卡塞格林型,望远镜口径为300mm,焦距为4000mm。
[0020]—个实施例中，所述紫外望远镜具体用于接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号,355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；
[0021]所述可见红外望远镜具体用于接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
[0022]一个实施例中，所述紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均包括:光纤、与光纤连接的准直镜、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片。
[0023]一个实施例中，所述信号探测及数据采集单元包括:
[0024]光电倍增管，用于将对应探测波长的光信号进行光电转换；
[0025]数据采集器和光子计数卡，用于对光电转换后的信号进行数据采集。
[0026]一个实施例中，所述光电倍增管采用的参数为Φ 8mm/80mA/W。
[0027]—个实施例中，所述数据采集器的频率为20MHz，采用12bit模数AD转换；所述光子计数卡的频率为250MHz。
[0028]一个实施例中，所述控制单元包括:
[0029]脉冲延时器，用于在感应到激光发射单元发出的激光后，发出触发脉冲信号，触发光学接收单元、和信号探测及数据采集单元启动运行；
[0030]工控机，用于控制激光发射单元发射激光的时序和光学接收单元接收激光的时序。
[0031]本实用新型实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统使用新型的双系统设计方案，第一系统和第二系统均包括激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、控制单元，其中第一系统和第二系统分别工作于紫外波段和可见红外波段，第一系统和第二系统的光学接收单元分别接收和处理紫外回波和可见红外回波，由信号探测及数据采集单元实现混合层信号无畸变采集，由控制单元保证系统有序运行，与现有激光雷达系统相比，能够同时对大气温度和湿度廓线、气溶胶和云物理特征进行连续自动的全天候观测；不仅探测范围大、探测精度高、连续性好，对于天气(如人工影响天气，天气预报等)和气候(如全球气候变化等)研究具有重要意义。
【专利附图】

【附图说明】
[0032]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
[0033]图1为本实用新型实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的结构示意图；
[0034]图2为本实用新型实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的一具体应用实例的不意图；
[0035]图3为本实用新型实施例中第一系统的一具体实例的示意图；
[0036]图4为本实用新型实施例中第二系统的一具体实例的示意图；
[0037]图5为本实用新型实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法示意图。
【具体实施方式】
[0038]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
[0039]本实用新型实施例提供一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，可实现全天候大气综合连续自动观测，具体的，能够实现大气温度、垂直水汽、气溶胶和云的全天候同时连续观测。
[0040]图1为本实用新型实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统10可以包括:
[0041]第一系统101和第二系统102,其中，第一系统101工作在紫外波段,第二系统102工作在可见红外波段；第一系统101和第二系统102均包括:
[0042]激光发射单元201，用于向空中发射激光；[0043]光学接收单元202，用于接收大气对激光发射单元201所发射激光的后向散射回波信号，对后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
[0044]信号探测及数据采集单元203，用于从分光后的后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
[0045]控制单元204，用于控制激光发射单元201、光学接收单元202、和信号探测及数据采集单元203运行。
[0046]由图1所示结构可以得知，本实用新型实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统使用新型的双系统设计方案，第一系统和第二系统均包括激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、控制单元，其中第一系统和第二系统分别工作于紫外波段和可见红外波段，第一系统和第二系统的光学接收单元分别接收和处理紫外回波和可见红外回波，由信号探测及数据采集单元实现混合层信号无畸变采集，由控制单元保证系统有序运行，能够同时对大气温度和湿度廓线、气溶胶和云物理特征进行连续自动的全天候观测；不仅探测范围大、探测精度高，对于天气(如人工影响天气，天气预报等)和气候(如全球气候变化等)研究具有重要意义。
[0047]具体实施时，本实用新型实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统中，大部分元器件都尽可能的采用轻小型全固化或模式化结构，使整个系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、工作稳定可靠等优点。
[0048]具体实施时，激光发射单元可以包括:激光器(LASER)、与激光器连接的二色分束片(DBS)、以及与二色分束片连接的扩束器(BE)。其中扩束器可以采用扩束镜。可以理解，实施时激光发射单元还可以包括发射镜片组，用于使得激光脉冲光束垂直射入空中。
[0049]具体实施时,激光发射单元为多波长发射单元,可以提供355nm、532nm和1064nm脉冲激光光源。具体的，可以由激光器向空中发射激光脉冲，提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。实施时激光器可以采用美国continuum公司的POWERLITE DLS8020调Q NdiYAG激光器，发射355nm、532nm、1064nm三个脉冲激光发射波长，单模脉冲稳定度达到5%，频率20HZ，单脉冲发射能量分别大于300mJ，150mJ,400mJ,同时输出，脉宽小于10ns，线宽小于1.5cm_1,24小时连续工作。
[0050]具体实施时，扩束器对出射脉冲激光进行准直扩束，针对355nm激光束可以采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束可以采用5倍扩束。扩束镜的基本参数可以为10mm/3X(355nm)/5X(532nm, 1064nm);入射孔径:10mm;光学材质:紫外波段融石英；光学透过率:>95% ;抗损伤阈值:0.8J/cm2。
[0051]具体实施时，光学接收单元可以采用多通道接收光学单元设计，可以包括望远镜(TEL)及其分光滤光和聚光镜片组。第一系统和第二系统同时运行，工作在不同波段，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段(532nm和1064nm波段)。第一系统的光学接收单元可以包括:紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；第二系统的光学接收单元可以包括:可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组。具体的，紫外望远镜可以采用卡塞格林型，望远镜口径可以是450mm，焦距可以是4000mm;可见红外望远镜可以采用卡塞格林型，望远镜口径可以是300mm，焦距可以是4000mm。具体的，紫外望远镜可以接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；可见红外望远镜可以接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
[0052]具体实施时，紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均可以包括:光纤(0F)、与光纤连接的准直镜(L)、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片(F)。实施时可以使用先进的窄带滤波片构成体积较小的全滤波片分光光路，占用体积小，结构设计巧妙。
[0053]具体的，在紫外望远镜的分光滤光和聚光镜片组中，由二色分束片和多片窄带滤波片组成第一多色仪；在可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组中，由二色分束片和多片窄带滤波片组成第二多色仪。通过二色分束片与多片高性能窄带滤波片的结构组合分别组成的第一多色仪和第二多色仪，对望远镜收集的回波进行分光，如分开回波中的振动、转动拉曼信号及米、瑞利散射信号，以获取水汽、温度及云、气溶胶等的散射信息。第一多色仪和第二多色仪可以采用下表的参数:
[0054]
【权利要求】
1.一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，包括: 第一系统和第二系统，其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括: 激光发射单元，用于向空中发射激光； 光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光； 信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息； 控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行。
2.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元包括: 激光器、与激光器连接的二色分束片、以及与二色分束片连接的扩束器。
3.如权利要求2所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。
4.如权利要求3所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述扩束器针对355nm激光束采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束采用5倍扩束。
5.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述第一系统的光学接收单元包括:紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组； 所述第二系统的光学接收单元包括:可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组。
6.如权利要求5所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述紫外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为450mm，焦距为4000mm ;所述可见红外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为300mm，焦距为4000mm。
7.如权利要求5所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述紫外望远镜具体用于接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号; 所述可见红外望远镜具体用于接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
8.如权利要求5所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均包括:光纤、与光纤连接的准直镜、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片。
9.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述信号探测及数据采集单元包括: 光电倍增管，用于将对应探测波长的光信号进行光电转换； 数据采集器和光子计数卡，用于对光电转换后的信号进行数据采集。
10.如权利要求9所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述光电倍增管采用的参数为Φ 8mm/80mA/W。
11.如权利要求9所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集器的频率为20MHz，采用12bit模数AD转换；所述光子计数卡的频率为250MHz ο
12.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述控制单元包括: 脉冲延时器，用于在感应到激光发射单元发出的激光后，发出触发脉冲信号，触发光学接收单元、和 信号探测及数据采集单元启动运行； 工控机，用于控制激光发射单元发射激光的时序和光学接收单元接收激光的时序。
【文档编号】G01S17/95GK203786295SQ201420068232
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】赵传峰, 王玉诏, 王倩倩, 吕敏 申请人:北京师范大学