单波长四拉曼激光雷达探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单波长四拉曼激光雷达探测系统及探测方法，该系统融合了纯转动拉曼散射测量大气温度、振动拉曼散射测量水汽和拉曼米散射测量大气气溶胶光学特性三种激光雷达技术和反演方法。激光雷达系统采用355nm单一波长脉冲激光作为探测光源，利用一台对测量波长具备高透过率的大口径光学接收望远镜收集大气后向散射光信号，后继光路通过分色片和干涉滤光片角度分色方法将353nm、354nm、355nm、386nm和407nm的四个波长大气拉曼散射光信号和米散射回波光信号相互分开，最终经过窄带干涉滤光片选通上述五波长散射光信号，并被同一型号光电倍增管完成光电转换和数据采集器完成数据采集。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及激光大气遥感领域，具体是一种单波长四拉曼激光雷达探测系统及探 测方法。
技术介绍
大气温度是描述大气稳定性的重要参数之一，它表征了大气的稳定程度。大气水 汽是地球重要的温室气体，影响着全球水循环、大气化学过程、天气系统和气候变化。大气 气溶胶是悬浮于大气中的液态和固态颗粒物总称，主要通过直接效应和间接效应影响全球 气候和局地空气质量。大气温度、水汽和气溶胶作为描述大气状况的主要参数，相互影响并 共同决定短期空气质量、局地气象差异W及长期气候变化，因此对S者时空分布的实时监 测就显得尤为重要。 目前获得大气温度和水汽的主要手段包括；（1)无线电探空仪，为当前测量大气 温度和水汽垂直分布的常用手段，也是世界气象组织推荐业务化运行的测量手段。然而无 线电探空仪测量数据的时间分辨率差，对于大部分站点，一天中只有早晚两次数据。无线电 探空仪中采用的湿敏电容在低湿、高湿、低温等环境中的测量误差较大，并且探空气球的上 升路径不确定导致测量的垂直分布有较大的不确定性。该些都无法满足当前短期气象预 报，极端天气和雾霸事件研究实际需要。（2)微波福射计，是通过扫描不同角度水汽敏感频 率的微波福射信号来测量大气亮温，进而反演出水汽总量。该设备测量水汽总量的时间分 辨率高，能够昼夜连续测量。但其反演大气相对温度和水汽垂直廓线需要当地长期探空历 史数据进行订正训练，并且垂直空间分辨率较差。（3)激光雷达，通过测量空气分子的纯转 动拉曼散射信号得到大气温度廓线，通过测量氮气和水汽振动拉曼散射信号得到大气水汽 廓线。对于大气气溶胶光学特性垂直廓线测量，现阶段激光雷达探测技术是唯一的测量技 术手段。 激光雷达是传统雷达技术和现代激光技术的结合体，是电磁波雷达探测技术从厘 米波、毫米波向光波探测技术的延伸。相对于其它电磁波雷达技术，光波具有较短的波长， 因此激光雷达可W利用激光与大气中存在的空气分子和气溶胶粒子间的相互作用来实现 对大气光学与物理特性，W及大气气象参数的主动遥感探测。同时激光在单色性、方向性、 相干性和高亮度上的良好特性促使激光雷达在测量高度、时空分辨率、测量精度W及连续 自动监测等方面都具有传统大气探测手段所无法比拟的优势。 当前国内外研制的激光雷达系统主要还是W针对大气温度、水汽和气溶胶的单一 探测目的为主，国外典型系统主要包括： (1)大气温度测量 德国莱比锡对流层研究所在2002年建立的拉曼激光雷达在夜晚其测量高度可W 达到对流层顶。大气温度的测量精度为1-2% (2-4K);日本京都大学在2002年建立的RASC 激光雷达通过采用标准具滤波器，很好地实现了大气温度的昼夜测量。在夜晚，经过9分钟 的累计平均和500米窗口的平滑滤波，可W得到对流层中的大气温度垂直分布，在6kmW下 的大气温度的测量误差小于2K。美国Sandia国家实验室为美国能源部的大气福射测量实 验ARM建立的CART激光雷达在2005年增加了测量大气温度的两个纯转动拉曼通道，实现 了其对大气温度的测量。该激光雷达在夜晚能够测量对流层中的大气温度廓线，而白天只 能够测量3kmW下的大气温度廓线。[000引 似大气水汽测量 美国NASAGoddard空间飞行中屯、于1990年建造的的S化激光雷达。该雷达具有 直径为0. 76m，相对孔径为f/4. 8的化11-Kir化am望远镜系统，采用XeF激光器，其波长为 351皿，重复频率为400Hz，功率为24W，可得到对流层水汽混合比廓线，测量精度在30%左 右；美国能源部值0E/ARM)建于1995年的CART激光雷达。其使用Nd:YAG激光器，输出S 倍频激光355nm，重复频率为30化，单脉冲能量为400mJ，接收望远镜为0. 61m口径，可得到 昼夜边界层内大气水汽时空分布，测量精度为20-30%;美国"科学与工程服务公司"研制的 C化激光雷达。该雷达采用二极管累浦输出的四倍频Nd:YAG激光器，其输出波长为266皿， 单脉冲能量为ImJ，重复频率为IKHz。使用直径为35cm、相对孔径为f/10. 2的卡塞格林型 望远镜。其中使用先进的Solarblind探测器、高截止的窄带滤光片及可调的小孔光阔，使 得白天测量水汽变为可能。但由于其采用波长为266nm的激光作为发射源，因此必须考虑 〇3吸收的订正。该样就会给水汽测量的结果带来一定的误差。 (3)大气溶胶测量 1992年美国NASA的GSFC研发的微脉冲激光雷达（MicroPulseLidar)是世界上 首台商品化的激光雷达产品。该产品采用固态二极管激光器作为发射光源，利用微焦单脉 冲能量、千赫兹发射频率、微弧度接收视场W及高量子效率光子探测等先进技术保证其实 现对对流层大气气溶胶和云的长时间连续观测，截止到现在全球已布设近28台组成微脉 冲激光雷达网，配合AER0NET进行大气气溶胶和云观测W及卫星地面定标。但该产品的致 命弱点是其设计结构会将发射激光反射到探测器阴极面造成系统损伤，同时其较长的过渡 区会导致低层大气探测出现较大的测量误差。除了NASA的微脉冲激光雷达，近些年又不断 涌现出类似的激光雷达产品。譬如法国CIM化公司的CAML气溶胶和云微脉冲激光雷达，希 腊Kipp&Zone公司的Raymetrics后向散射激光雷达，W及法国Leos地ere公司的ALS气溶 胶激光雷达系统。 国内进行此类研究的主要为中科院安徽光机所大气光学中屯、于1995年建造的 L625多功能激光雷达，利用米散射激光雷达技术测量对流层大气气溶胶；1999年增加了拉 曼散射测量功能，用于l-5km高度范围的水汽测量；2001年增加了瑞利和拉曼散射测量通 道，用于15-60km高度范围的大气温度测量；2007年增加了纯转动拉曼散射测量通道，用于 2-lOkm高度范围的大气温度测量。除此之外，近年来，武汉大学、中科院武汉数物所、西安理 工大学和北京理工大学等单位也相继开展了大气温度和水汽的拉曼激光雷达探测研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，W解决现 有技术存在的问题。 为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为： 单波长四拉曼激光雷达探测系统，其特征在于；包括控制单元、激光发射单元、光 学接收单元、信号探测和采集单元，其中： 激光发射单元包括Nd:YAG激光器、二倍频晶体、S倍频晶体、全反镜、3倍率的扩 束器、发射器，Nd:YAG激光器出射=倍频355nm脉冲激光，Nd:YAG激光器的控制端接入控制 单元，Nd:YAG激光器的出射光路上依次设置二倍频晶体、立倍频晶体、全反镜，扩束器的光 入射端位于全反镜反射光路上，发射器由一对相互平行且分别各自安装在二维调节光学镜 架上的光学反射镜构成，扩束器的出射光经过发射器中两光学反射镜反射后垂直发射至大 气； 光学接收单元包括光学接收望远镜、光阔、目镜、两个分色片、五个干设滤光片和 五个会聚透镜，光学接收望远镜上锻有353-355nm、386nm和407nm=测量波段高反和高透 的介质膜层，光学接收望远镜的入射光光轴与激光发射单元中发射器出射光光轴平行，光 学接收望远镜出射光路上依次设置光阔、目镜、第一个分色片BS1，第二个分色片BS2设置 在第一个分色片BS1的透本文档来自技高网...

【技术保护点】
单波长四拉曼激光雷达探测系统，其特征在于：包括控制单元、激光发射单元、光学接收单元、信号探测和采集单元，其中：激光发射单元包括Nd:YAG激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、全反镜、3倍率的扩束器、发射器，Nd:YAG激光器出射三倍频355nm脉冲激光，Nd:YAG激光器的控制端接入控制单元，Nd:YAG激光器的出射光路上依次设置二倍频晶体、三倍频晶体、全反镜，扩束器的光入射端位于全反镜反射光路上，发射器由一对相互平行且分别各自安装在二维调节光学镜架上的光学反射镜构成，扩束器的出射光经过发射器中两光学反射镜反射后垂直发射至大气；光学接收单元包括光学接收望远镜、光阑、目镜、两个分色片、五个干涉滤光片和五个会聚透镜，光学接收望远镜上镀有353‑355nm、386nm和407nm三测量波段高反和高透的介质膜层，光学接收望远镜的入射光光轴与激光发射单元中发射器出射光光轴平行，光学接收望远镜出射光路上依次设置光阑、目镜、第一个分色片BS1，第二个分色片BS2设置在第一个分色片BS1的透射光路上，第二个分色片BS2的透射光路上设置有第一个干涉滤光片IF1，第一个干涉滤光片IF1的透射光路上设置有第一个会聚透镜L1，且第一个干涉滤光片IF1与第一个会聚透镜L1中心轴线相互平行，第二个分色片BS2的反射光路上设置有第二个干涉滤光片IF2，第二个干涉滤光片IF2的透射光路上设置有第二个会聚透镜L2，且第二个干涉滤光片IF2与第二个会聚透镜L2中心轴线相互平行，第一个分色片BS1的反射光路上设置有第三个干涉滤光片IF3，第三个干涉滤光片IF3的透射光路上设置有第三个会聚透镜L3，且第三个干涉滤光片IF3中心轴线与第三个会聚透镜L3的中心轴线之间夹有锐角，第三个干涉滤光片IF3的反射光路上设置有由两个相互平行的干涉滤光片构成的第四组干涉滤光片IF4，第四组干涉滤光片IF4的透射光路上设置有第四个会聚透镜L4，且第四组干涉滤光片IF4中心轴线与第四个会聚透镜L4的中心轴线相互平行，第四组干涉滤光片IF4的反射光路上设置有第五个干涉滤光片IF5，第五个干涉滤光片IF5的透射光路上设置有第五个会聚透镜L5，且第五个干涉滤光片IF5中心轴线与第五个会聚透镜L5的中心轴线之间夹有锐角；信号探测和采集单元包括五通道的数据采集器、探测器电源、五个光电倍增管，所述探测器电源分别供电至五个光电倍增管，第一个光电倍增管PMT1设置在第一个会聚透镜L1的出射光路上焦点处，第二个光电倍增管PMT2设置在第二个会聚透镜L2的出射光路上焦点处，第三个光电倍增管PMT3设置在第三个会聚透镜L3的出射光路上焦点处，第四个光电倍增管PMT4设置在第四个会聚透镜L4的出射光路上焦点处，第五个光电倍增管PMT5设置在第五个会聚透镜L5的出射光路上焦点处，且五个光电倍增管一一对应电接入数据采集器五个通道的输入端，数据采集器五个通道的输出端电连接至控制单元。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王英俭，谢晨波，赵明，尚震，钟志庆，王邦新，王珍珠，伯广宇，董吉辉，刘东，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34