振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法，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。本发明专利技术可以实现全天候大气综合连续自动观测。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，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。本专利技术可以实现全天候大气综合连续自动观测。【专利说明】
本专利技术涉及大气探测
，尤其涉及。
技术介绍
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。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。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。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。就该
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。
技术实现思路
本专利技术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: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。一个实施例中,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。一个实施例中，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。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。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；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。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。—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；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。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。一个实施例中，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。一个实施例中，所述光电倍增管采用的参数为Φ 8mm/80mA/W。—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。一个实施例中，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。本专利技术实施例还提供一种上述振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法，用以实现全天候大气综合连续自动观测，该方法包括:在第一系统和第二系统中，通过激光发射单元向空中发射激光；通过光学接收单元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；通过信号探测及数据采集单元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；通过控制单元控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；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。一个实施例中，在第一系统中:在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对355nm激光进行扩展和准直后，进入大气，发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；在光学接收单元中，通过紫外望远镜接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵传峰，王玉诏，王倩倩，吕敏，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：