一种气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统，该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。本发明专利技术利用FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，提高气溶胶光学参数探测的精确度。

Aerosol optical parameter detection method and hyperspectral lidar detection system

The invention discloses an aerosol optical parameter detection method based on Hyperspectral laser radar and a hyperspectral laser radar detection system. The detection method uses a YAG laser to produce a laser. After a number of independent narrow band broad spectrum lines are formed by the FP standard, the laser is vertically transmitted to the atmosphere, and the post scattering light signal is received from the atmosphere, and then the same one is the same. The FP is separated from the atmospheric molecular Rayleigh scattering signal and the aerosol meter scattering signal. The aerosol optical parameters are calculated by collecting the scattering signals of the atmosphere and the Rayleigh scattering signal of the atmospheric molecules. The invention uses FP etalon to separate the atmospheric molecular Rayleigh scattering signal and aerosol meter scattering signal, and improves the accuracy of aerosol optical parameter detection.

【技术实现步骤摘要】
一种气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统
本专利技术属于大气科学领域，具体涉及一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测系统。
技术介绍
广义来说，大气气溶胶一般来说是指半径范围为10-3~102um的悬浮在大气中的固态和液态微粒，如植物、土壤尘埃、烟雾、海浪和氟化物等。大气气溶胶对光传输、环境以及气候等有着严重的影响。例如，它可以通过吸收和散射太阳光影响地表温度；其次，气溶胶在晕的形成过程中扮演凝结核的角色，可以通过影响云的光学特性、云量以及云的寿命进而影响降水；再次，煤炭燃烧以及工业废气排放产生的气溶胶会引起酸雨而导致环境恶化。因此，对气溶胶的准确探测具有着重要的科学和现实意义。激光雷达作为一种重要的遥感手段，是通过分析远距离目标与激光束之间相互作用的回波信号来获取目标性质的一种光学设备。由于其探测距离远，探测精度高等优点，激光雷达在探测气溶胶领域已成为一种不可或缺的设备。但是传统的激光雷达在探测气溶胶光学参数时由于受到大气分子瑞利散射信号的干扰，必须借助雷达系数这一假设才能反演气溶胶光学参数，因此，其探测准确度受限。相比于传统的激光雷达，高光谱激光雷达在气溶胶探测精度上具有明显优势，比如碘分子高光谱激光雷达对气溶胶有着很高的探测精度，但是这种高光谱激光雷达存在一些弊端，这种高光谱激光雷达使用的是单纵模激光器和高分辨光谱器件，系统复杂、价格昂贵。振动拉曼激光雷达也可以较为准确的反演气溶胶光学参数，但其受太阳背景光影响大，白天很难工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种成本低、结构简单的高光谱激光雷达。为了达到上述目的，本专利技术通过使用传统的非种子注入Nd：YAG激光器外加一个法布里-珀罗干涉仪（FP标准具）实现高光谱激光雷达对气溶胶的探测。本专利技术提供了一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法，该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。进一步的，上述气溶胶光学参数的计算方法如下：（1）所述大气的后散射光信号分为两路：一路直接进入光电探测器进行光子信号接收，为M通道；另一路经FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离后，瑞利散射信号进入光电探测器进行光子信号接收，为F通道；分别统计两路通道接收到的光子数；（2）由公式7、8表达两路通道接收到的光子数：式中，、分别为M和F通道接收到的光子数；、为两路的分光比；、为两路的系统常数，包括激光能量、光学效率和探测器的量子效率；代表激光雷达的距离因子；为距离分辨率；为距离分辨率；和分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数；分别是气溶胶和大气分子的消光系数；和分别为气溶胶和大气分子散射信号通过FP标准具的透过率；（3）根据公式9以及M和F通道接收到的光子数比值，计算大气后向散射比Rb：式中，K为校准常数；（3）根据公式10以及大气后向散射比Rb、大气分子的后向散射系数βm，计算气溶胶的后向散射系数：。本专利技术还提供了一种高光谱激光雷达探测系统，包括激光器、扩束镜、FP标准具、第一分束镜、第一分束镜、第一波片、望远镜、45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二波片、半透镜、FP标准具、第二分束镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、信号采集模块、主控系统；所述激光器发射出激光依次经扩束镜、FP标准具、、第一分束镜、第一波片后垂直进入大气；所述望远镜接收大气后向散射信号后，再依次经45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、第二波片到达半透镜，由半透镜将信号分为两路，一路为半透镜反射信号直接经第一汇聚透镜进入第一光电探测器，另一路为半透镜透过信号依次经所述FP标准具、第二分束镜和第二汇聚透镜后进入第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器分别通过信号采集模块与主控系统相连。优选的，激光器采用YAG激光器。优选的，望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。优选的，光电探测器采用H10682-110型号的光电倍增管。优选的，信号采集模块采用P7882型号的光子计数卡。优选的，FP标准具的自由光谱范围为2GHz。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术利用FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，提高气溶胶光学参数探测的精确度；本专利技术使用传统的非种子注入Nd：YAG激光器外加一个FP标准具实现高光谱激光雷达对气溶胶的探测，这种高光谱激光雷达相比于碘分子高光谱激光雷达具有系统结构简单、价格便宜的优点。附图说明图1为本专利技术高光谱激光雷达探测系统的结构示意图；图2为FP标准具透射光谱图；图3为宽频激光通过FP标准具后的传输光谱图；图4为不同入射角时FP标准具的透射光谱图；图5为FP标准具的工作原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术用于气溶胶光学参数探测的高光谱激光雷达探测系统，主要包括激光雷达发射系统、激光雷达接收系统以及主控系统；其中，激光雷达发射系统包括激光器1、扩束镜2、FP标准具4、第一分束镜13、波片6；激光雷达接收系统包括望远镜7、45°全反镜8、小孔9、准直镜10、滤光片11、波片12、半透镜5、FP标准具4、第二分束镜3、第一汇聚透镜14、第二汇聚透镜16、第一光电探测器15、第二光电探测器17、信号采集模块、主控系统（未画出）；第一光电探测器15、第二光电探测器17和信号采集模块连接，信号采集模块和主控系统连接；发射和接收系统共用一个FP标准具4，确保接收时的透过光谱和发出激光的光谱完全一致。整个高光谱激光雷达的工作原理是激光器1发射的激光信号依次经过扩束镜2（扩大光束同时减小激光的发散角）、FP标准具4（调制入射激光的频率，使发射出去的激光在频率上是几个独立的窄带宽谱线）、第一分束镜13（分离水平和垂直偏振的激光）、波片6（将入射激光的相位改变45°）后垂直进入大气，望远镜7垂直接收大气分子及气溶胶的后向散射信号，后向散射信号再依次进过45°全反镜8（将垂直激光反射至水平方向）、小孔9（限制视场角的大小以及减小噪声、提高系统的信噪比）、准直镜10（将汇聚的激光变成平行传输的光）、滤光片11（滤除532nm波长至外其它波段的信号、提高系统的信噪比）、波片12到达半透镜5，半透镜5将回来的信号分成两路，其中一路被半透镜反射经过第一汇聚透镜14直接进入第一光电探测器15，作为能量检测通道（M通道）；半透镜透过的一路信号依次经过FP标准具4、第二分束镜3和第二汇聚透镜16进入第二光电探测器17，这路信号用来检测大气分子的瑞利散射回波信号（F通道）；其中FP标准具将气溶胶米散射信号过滤掉而只通过大气分子的瑞利散射信号，光电探测器将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块将采集到的电信号传输至主控系统（可采用计算机）。本专利技术中FP标准具是一极其重要的元件，现将其使用做以下介绍：在本专利技术中，FP标准具涉及到的的参数主要有自由光谱范围以及精细度。定义条纹的精细度为条纹间距与条纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法，其特征在于：该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱激光雷达的气溶胶光学参数探测方法，其特征在于：该探测方法采用YAG激光器产生激光，经FP标准具形成若干独立的窄带宽谱线后垂直发射向大气，接收大气的后散射光信号，再经同一FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离，通过分别采集大气的散射信号及大气分子瑞利散射信号，计算得到气溶胶光学参数。2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：所述气溶胶光学参数的计算方法如下：（1）所述大气的后散射光信号分为两路：一路直接进入光电探测器进行光子信号接收，为M通道；另一路经FP标准具进行大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的分离后，瑞利散射信号进入光电探测器进行光子信号接收，为F通道；分别统计两路通道接收到的光子数；（2）由公式7、8表达两路通道接收到的光子数：式中，、分别为M和F通道接收到的光子数；、为两路的分光比；、为两路的系统常数，包括激光能量、光学效率和探测器的量子效率；代表激光雷达的距离因子；为距离分辨率；为距离分辨率；和分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数；分别是气溶胶和大气分子的消光系数；和分别为气溶胶和大气分子散射信号通过FP标准具的透过率；（3）根据公式9以及M和F通道接收到的光子数比值，计算大气后向散射比Rb：式中，K为校准常数；（3）根据公式10以及大气后向散射比...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜令兵，王勤，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32