一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高灵敏度与高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，用于解决瑞利激光雷达回波信号高灵敏度与高线性度接收难以兼顾的问题。首先，为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，采用极高灵敏度的光电倍增管探测器；其次，为了保障大气瑞利回波信号的线性接收，发明专利技术了一种将大气气溶胶光学厚度历史观测数据统计特征与其实测值相结合的方法，用于抑制大气瑞利回波信号的动态范围；最后，利用一套瑞利回波光强自适应调整装置，调整由于实际大气气溶胶光学厚度变化，引起的大气瑞利回波信号动态范围变化。本发明专利技术兼顾了大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收，可以有效提高瑞利激光雷达的常规观测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置
本专利技术涉及一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，用于大气环境探测的激光雷达
，尤其针对用于中高层大气探测的瑞利激光雷达。
技术介绍
瑞利激光雷达信号探测的灵敏度，指的是瑞利激光雷达对接收的大气瑞利回波信号的响应效率，它直接影响瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号探测的信噪比；瑞利激光雷达信号探测的线性度，指的是瑞利激光雷达对接收的大气瑞利回波信号的线性响应范围，它直接影响瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号探测的保真程度。瑞利激光雷达主要用于30km以上高度的大气温度、分子密度和大气波动的测量，是为数不多的几种可用于中高层大气观测的设备之一，其测量数据在环境、气象等领域均有重要的应用。瑞利激光雷达的测量原理为，认为30km以上的大气气溶胶忽略不计，则30km以上高度的大气弹性散射回波信号主要是大气分子瑞利散射，利用大气分子瑞利散射回波信号，可以反演获得中高层大气相关参数。由于中高层大气分子密度非常稀薄，因此大气瑞利回波信号非常微弱，信噪比是制约瑞利激光雷达应用的关键因素。为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，优选技术方案是采用极高灵敏度的光子计数探测器，但是，高灵敏度探测器的线性响应范围相对偏小，由此带来了大气瑞利回波信号探测灵敏度和线性度难以兼顾的问题。常用的瑞利激光雷达大气瑞利回波信号动态范围抑制方法，包括探测器增益调整法和门控调整法两种。例如，申请公布号CN106772437A，自适应动态范围的激光雷达装置，报道了增益调整法，通过降低探测器的增益，牺牲信号的信噪比，实现信号的线性接收。该方法存在的缺点和不足是，低增益状态会直接影响信号的信噪比，并且观测过程中频繁的改变了探测器增益，影响了原始信号质量，不利于数据的反演。例如，专利申请公布号CN103852753A，激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，报道了探测器门控调整法，通过使用机械斩光装置，压缩探测器的开门区间，抑制信号的动态范围。该方法的缺点和不足在于，牺牲了的瑞利激光雷达有效探测区间，通常无法测量30km～45km高度范围内的大气瑞利回波信号探测。综上所述，现有的大气瑞利回波信号动态范围抑制方法，很难兼顾信号的线性度和灵敏度，制约了瑞利激光雷达的使用。如何解决这些问题，势必成为科研人员努力的方向。
技术实现思路
本专利技术拟解决的问题：克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法和装置，有效提高瑞利激光雷达的常规观测能力。本专利技术的原理：观测数据表明，中高层大气分子浓度通常相对稳定，不是影响大气瑞利回波信号动态范围的主要因素。另外，由于激光雷达所用的532nm波长不在大气水汽的吸收带上，大气水汽的吸收作用同样不是主要因素。然而，在激发光和回波光沿大气垂直方向传输的过程中，易于受到近地表大气气溶胶浓度变化的影响，使得大气瑞利回波信号出现较大范围的波动。因此，应当从影响大气瑞利回波信号动态范围的主要因素出发，寻找解决问题的便捷方案。本专利技术的具体思路为，将大气气溶胶光学厚度历史数据统计特征同实测数据相结合，利用统计特征高频值出现的大气气溶胶光学厚度状态，优化设计瑞利探测通道的增益，同时采取相应的技术措施保障探测器的线性度。本专利技术的目的，通过下述技术方案实现：利用大气气溶胶光学厚度卫星遥感数据，统计其高频值分布；为了提高大气瑞利回波信号信噪比，采用极高灵敏度探测器；瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道，用于实测大气气溶胶光学厚度。将大气气溶胶光学厚度实测值与历史数据统计高频值相比较，利用统计高频值出现的大气光学厚度状态，在满足信号线性接收的前提下，将大气瑞利回波信号探测器设置为1000V～1200V的高增益状态。进一步的，为了调整由于大气光学厚度状态变化引起的大气瑞利回波信号动态范围变化，瑞利探测通道增设回波光强自适应调整装置，利用大气气溶胶光学厚度实测值与统计高频值相对变化引起的大气透过率变化，作为反馈信息，实现大气瑞利回波信号光强的自适应调整。上述方法实现了大气瑞利回波信号接收的高增益和高线性兼顾的目的，同时，还可以提高常规观测过程中有效观测数据的比例，降低设备的人为干扰因素。作为一种优选的技术方案：在大气气溶胶光学厚度实测值同统计高频值一致时，进行大气瑞利回波信号的增益调试，通过该方法，可以使瑞利探测通道的设置符合大多数大气气溶胶光学厚度状态，因此可以有效抑制由于大气气溶胶光学厚度变化对信号动态范围的影响。作为一种优选的技术方案：气溶胶探测通道用于10km以下高度大气气溶胶探测。通常3km以下的大气气溶胶光学厚度，占到了整层气溶胶光学厚度的80％左右，故在本专利技术的应用场景下，测量10km以下高度范围内的大气气溶胶，精度上足以反应整层大气气溶胶光学厚度变化。作为一种优选的技术方案：相对于常规的低空探测激光雷达，用于中高空探测的瑞利激光雷达硬件配置相对较高，因此，在本专利技术已经应用的一例实例中(激光单脉冲能量500mJ，接收望远镜直径400mm)，气溶胶探测通道按照4％的比例，从总回波能量中分一部分光，可以满足10km以下高度大气气溶胶的探测，同时少量的分光不影响瑞利接收通道的信噪比。具体应用场景的分光比例，需要结合瑞利激光雷达的具体配置设计调整。作为一种优选的技术方案：瑞利回波光强自适应调整装置使用单片机驱动固定盘的调整，使用霍尔磁传感器实现固定盘精确定位，自适应调整装置使用线性电源，确保装置对光电转换过程不形成干扰。作为一种优选的技术方案：利用大气气溶胶光学厚度历史数据统计分布特征，设计瑞利回波光强自适应调整装置各档位的衰减强度。由于气溶胶空间分布具有地区性差异，具体问题需具体对待，在具体实施方案中，将以一例实例作说明。作为一种优选的技术方案：为了提高有效观测数据的比例，当气溶胶探测通道实测大气气溶胶光学厚度大于0.7时，自动暂停激光雷达的观测；同样，当观测地点上空有云层存在时，自动暂停激光雷达的测量。通过以上措施，可以有效避免无效测量，增加激光雷达的使用寿命。与现有技术相比，本专利技术的优点是：(1)本专利技术提出了一种结合大气气溶胶光学厚度实时观测数据和历史数据统计特征，抑制大气瑞利回波信号动态范围的方法。相对于专利申请公布号CN103852753A，一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，提出的探测器门控调整法，本专利技术方法在不影响大气瑞利回波信号有效探测范围的基础上，可以实现大气瑞利回波信号接收的高灵敏度和高线性度兼顾的目的。(2)本专利技术方法可以有效抑制大气瑞利回波信号动态范围，因此，瑞利激光雷达瑞利探测通道可以使用阳极灵敏度极高的探测器，在瑞利激光雷达其他硬件配置相同的条件下，提高了大气瑞利回波信号信噪比。相对于专利申请公布号CN106772437A，一种自适应控制动态范围的激光雷达装置，提出的探测器增益调整法，使用本专利技术方法的瑞利激光雷达在测量过程中，瑞利探测器增益保持不变，并且信号的灵敏度得到了保障，提高了原始数据的质量。(3)本专利技术为瑞利激光雷达增设了气溶胶探测通道，该通道具备实时获取大气气溶胶光学厚度和云层信息的能力，根据大气光学厚度的实际情况，由总控软件判断瑞利激光雷达是否发射激光脉冲进行测量，大大提高了大气瑞利回波信号有效观本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用大气气溶胶光学厚度历史观测数据，分析大气气溶胶光学厚度统计特征，得到大气气溶胶光学厚度的统计高频值；步骤2：将瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道，用于实测大气气溶胶光学厚度，得到大气气溶胶光学厚度实测值，以及观测点上空有无云层及云层高度信息；步骤3：将大气气溶胶光学厚度实测值与其统计高频值相比较，利用统计高频值出现的大气光学厚度状态，在满足大气瑞利回波信号线性接收的前提下，使瑞利激光雷达中的瑞利信号探测器增益控制电压设置为1000V～1200V的高增益状态，用以提高大气瑞利回波信号信噪比；步骤4：为了调整由于大气光学厚度状态变化引起的大气瑞利回波信号动态范围变化，瑞利激光雷达中的瑞利探测通道增设瑞利回波光强自适应调整装置，利用大气气溶胶光学厚度实测值与统计高频值之间的变化，作为反馈信息，实现大气瑞利回波信号光强的自适应调整，从而实现大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用大气气溶胶光学厚度历史观测数据，分析大气气溶胶光学厚度统计特征，得到大气气溶胶光学厚度的统计高频值；步骤2：将瑞利激光雷达增设气溶胶探测通道，用于实测大气气溶胶光学厚度，得到大气气溶胶光学厚度实测值，以及观测点上空有无云层及云层高度信息；步骤3：将大气气溶胶光学厚度实测值与其统计高频值相比较，利用统计高频值出现的大气光学厚度状态，在满足大气瑞利回波信号线性接收的前提下，使瑞利激光雷达中的瑞利信号探测器增益控制电压设置为1000V～1200V的高增益状态，用以提高大气瑞利回波信号信噪比；步骤4：为了调整由于大气光学厚度状态变化引起的大气瑞利回波信号动态范围变化，瑞利激光雷达中的瑞利探测通道增设瑞利回波光强自适应调整装置，利用大气气溶胶光学厚度实测值与统计高频值之间的变化，作为反馈信息，实现大气瑞利回波信号光强的自适应调整，从而实现大气瑞利回波信号的高灵敏度和高线性度接收。2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：在步骤4后，为了提高瑞利激光雷达对大气瑞利回波信号有效观测数据的比例，瑞利激光雷达总控软件利用气溶胶探测通道测量的大气回波信号，结合云层判断算法和气溶胶光学厚度判断算法，判断实际大气是否有云层，以及大气气溶胶光学厚度是否大于0.7，若符合，则暂停瑞利激光雷达的观测，达到提高瑞利激光雷达激光光源使用寿命的目的。3.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述瑞利激光雷达采用532nm探测波长。4.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：为了提高大气瑞利回波信号的信噪比，所述瑞利信号探测器采用极高灵敏度探测器，所述极高灵敏度探测器为高灵敏度光子计数模式光电倍增管，其阳极灵敏度典型值要求达到700A/lm；所述光电倍增管带有电子门控装置，在30km高度大气瑞利回波信号到达激光雷达接收望远镜时开门工作。5.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于：所述步骤1中，大气气溶胶光学厚度历史观测数据使用国际上公开发布的CALIPSO星载激光雷达L2观测数据，基于其10年以上的观测数据，统计观测点上空近地表至10km以下高度大气气溶胶光学厚度，得到大气气溶胶光学厚度的高频值分布。6.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度和高线性度兼顾的大气瑞利回波光信号接收方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯广宇，
申请(专利权)人：中科院合肥技术创新工程院，
类型：发明
国别省市：安徽,34