用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统技术方案

本申请公开了一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统，该激光雷达系统利用分光处理器从聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和用于湿度反演的第二谱线组，进而根据该第一谱线组和第二谱线组反演出温度廓线和湿度廓线，即实现温度廓线和湿度廓线的同时测量；此外，通过调整光电处理器的采样频率以及保证其在单位采样时间内能够采集足够的回波光子数，该系统即可按照预设的空间分辨率采集温度和湿度数据，从而实现高时空分辨率测量温度湿度廓线。

【技术实现步骤摘要】
用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统
本申请涉及激光雷达
，特别涉及一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统。
技术介绍
人类生存在大气边界层内，大气时空变化实时影响着人类的正常生活。大气的温度和湿度是表征大气动力和热力结构物理状态最重要的两个参数。以高时空分辨率获取大气的温度和湿度参数，进而以此为基准建立精确的大气模型，对天气分析预报、污染演化、气候研究、军事任务保障等具有重要的意义和价值。探测边界层大气温度湿度廓线的传统技术方法为气象梯度塔法和无线电探空仪法。气象梯度塔法即在塔上按高度均匀布置温度和湿度传感器，从而实时获取塔高以下的温度和湿度数据，然而这种探测方法受塔高的限制，探测高度范围通常不超过百米。无线电探空仪法利用安装有感应元件、转换电路、编码装置、无线电发射机的探空气球，对大气的温度和湿度进行探测，而探空气球在上升的过程中受到风的影响会偏离预设的上升路线，产生位置的偏移，由此将导致探测数据与真实位置廓线之间存在一定的误差，并且从经济角度考虑，很难实现持续放球，温度和湿度数据获取的时间分辨率较低。因此，现亟待一种能够实现高时空分辨率测量温度湿度廓线的系统。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统，能够实现以高时空分辨率测量大气的温度湿度廓线。本申请实施例公开了如下技术方案：本申请实施例提供了一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统，所述系统包括：激光器、激光扩束器、接收望远镜、光纤、分光处理器和光电处理器；所述激光扩束器，用于对所述激光器发出的激光进行扩束处理，生成发送至大气的发射光束；所述接收望远镜，用于接收所述发射光束与大气相互作用产生的散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述接收望远镜的镜面对应的聚焦区生成聚焦信号；所述光纤，用于将所述聚焦信号传输至所述分光处理器；所述分光处理器，用于从所述聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和用于湿度反演的第二谱线组；所述光电处理器，用于将所述第一谱线组和所述第二谱线组上传至反演软件，以使所述反演软件完成对温度廓线和湿度廓线反演计算。可选的，所述激光器为紫外波段的Nd：YAG脉冲激光器，所述激光器采用355nm的发射波长。可选的，所述分光处理器包括：初级分光单元、双光栅分光单元和单光栅分光单元；所述初级分光单元，用于从所述聚焦信号中分离出用于温度探测的纯转动拉曼信号和用于湿度探测的振动转动拉曼信号；所述双光栅分光单元，用于对所述纯转动拉曼信号进行处理，输出所述第一谱线组；所述单光栅分光单元，用于对所述振动转动拉曼信号进行处理，输出所述第二谱线组。可选的，所述初级分光单元的截止波长为364nm；所述双光栅分光单元的的线色散为0.54nm/mm；所述单光栅分光单元的的线色散为1.38nm/mm。可选的，所述光电处理器还用于：采用光子计数和模拟采集的方式，设置所述温度廓线和所述湿度廓线的空间分辨率。可选的，所述接收望远镜包括：第一接收望远镜和第二接收望远镜；所述第一接收望远镜，用于接收所述散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述第一接收望远镜的镜面对应的聚焦区，生成第一聚焦信号；所述第一接收望远镜的镜面对应的聚焦区与所述第一接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为不存在重叠区域；所述第一接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为与所述发射光束的照射范围在低空存在重合区域；所述第二接收望远镜，用于接收所述散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述第二接收望远镜的镜面对应的聚焦区，生成第二聚焦信号；所述第二接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为与所述发射光束的照射范围在高空存在重合区域；则所述光纤包括：第一光纤和第二光纤；所述第一光纤，用于传输所述第一聚焦信号至所述分光处理器；所述第二光纤，用于传输所述第二聚焦信号至所述分光处理器。可选的，所述第一接收望远镜的镜面的口径小于所述第二接收望远镜的镜面的口径；所述第一接收望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第一预设距离；所述第一预设距离大于所述第一接收望远镜的镜面的口径的一半；所述第二接收望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第二预设距离；所述第二预设距离大于所述第二接收望远镜的镜面的口径的一半；所述第一预设距离小于所述第二预设距离。可选的，当所述第一接收望远镜有多个时，所述第一接收望远镜包括至少一个盲区望远镜和至少一个近场望远镜；所述盲区望远镜的镜面的口径小于所述近场望远镜的镜面的口径；所述盲区望远镜的散射回波信号接收范围与所述发射光束的照射范围在低空盲区存在重合区域，所述盲区望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第三预设距离，所述第三预设距离大于所述盲区望远镜的镜面的口径的一半；所述近场望远镜的散射回波信号接收范围与所述发射光束的照射范围在低空近场存在重合区域，所述近场望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第四预设距离，所述第四预设距离大于所述近场望远镜的镜面的口径的一半；所述第三预设距离小于所述第四预设距离；当所述第二接收望远镜有多个时，所述第二接收望远镜包括至少一个中场望远镜和至少一个远场望远镜；所述中场望远镜的镜面的口径小于所述远场望远镜的镜面的口径；所述中场望远镜的散射回波信号接收范围与所述发射光束的照射范围在高空中场存在重合区域，所述中场望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第五预设距离，所述第五预设距离大于所述中场望远镜的镜面的口径的一半；所述远场望远镜的散射回波信号接收范围与所述发射光束的照射范围在高空远场存在重合区域，所述远场望远镜的镜面的中心与所述发射光束的发射中心之间的水平距离为第六预设距离，所述第六预设距离大于所述远场望远镜的镜面的口径的一半；所述第五预设距离小于所述第六预设距离。可选的，所述盲区望远镜为双胶合透镜，所述近场望远镜为离轴抛面反射镜；所述中场望远镜和所述远场望远镜均为抛物面反射镜。可选的，所述盲区望远镜的口径为12.5mm，所述第三预设距离为70mm；所述近场望远镜的口径为50mm，所述第四预设距离为90mm；所述中场望远镜的口径为200mm，所述第五预设距离为180mm；所述远场望远镜的口径为500mm，所述第六预设距离为330mm。由上述技术方案可以看出，本申请实施例提供的用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统包括激光器、激光扩束器、接收望远镜、光纤、分光处理器和光电处理器；其中，激光器用于发射激光，激光扩束器用于对激光器发射的激光进行扩束处理，生成发送至大气的发射光束，该发射光束与大气相互作用产生散射回波信号；接收望远镜接收来自大气的散射回波信号，并将接收的散射回波信号聚焦于自身的镜面对应的聚焦区，生成聚焦信号；光纤将该聚焦信号传输至分光处理器，该分光处理器相应地从聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和第二谱线组；进而，光电处理器将该第一谱线组和第二谱线组上传至反演软件，以使反演软件根据该第一谱线组和第二谱线组完成对温度廓线和湿度廓线的反演计算。上述激光雷达系统利用分光处理器从聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和用于湿度反演的第二谱线组，进而根据该第一谱线组和第二谱线组反演出温度廓线和湿度廓线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、激光扩束器、接收望远镜、光纤、分光处理器和光电处理器；所述激光扩束器，用于对所述激光器发出的激光进行扩束处理，生成发送至大气的发射光束；所述接收望远镜，用于接收所述发射光束与大气相互作用产生的散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述接收望远镜的镜面对应的聚焦区生成聚焦信号；所述光纤，用于将所述聚焦信号传输至所述分光处理器；所述分光处理器，用于从所述聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和用于湿度反演的第二谱线组；所述光电处理器，用于将所述第一谱线组和所述第二谱线组上传至反演软件，以使所述反演软件完成对温度廓线和湿度廓线反演计算。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、激光扩束器、接收望远镜、光纤、分光处理器和光电处理器；所述激光扩束器，用于对所述激光器发出的激光进行扩束处理，生成发送至大气的发射光束；所述接收望远镜，用于接收所述发射光束与大气相互作用产生的散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述接收望远镜的镜面对应的聚焦区生成聚焦信号；所述光纤，用于将所述聚焦信号传输至所述分光处理器；所述分光处理器，用于从所述聚焦信号中分离出用于温度反演的第一谱线组和用于湿度反演的第二谱线组；所述光电处理器，用于将所述第一谱线组和所述第二谱线组上传至反演软件，以使所述反演软件完成对温度廓线和湿度廓线反演计算。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器为紫外波段的Nd：YAG脉冲激光器，所述激光器采用355nm的发射波长。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光处理器包括：初级分光单元、双光栅分光单元和单光栅分光单元；所述初级分光单元，用于从所述聚焦信号中分离出用于温度探测的纯转动拉曼信号和用于湿度探测的振动转动拉曼信号；所述双光栅分光单元，用于对所述纯转动拉曼信号进行处理，输出所述第一谱线组；所述单光栅分光单元，用于对所述振动转动拉曼信号进行处理，输出所述第二谱线组。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述初级分光单元的截止波长为364nm；所述双光栅分光单元的线色散为0.54nm/mm；所述单光栅分光单元的线色散为1.38nm/mm。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电处理器还用于：采用光子计数和模拟采集的方式，设置所述温度廓线和所述湿度廓线的空间分辨率。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收望远镜包括：第一接收望远镜和第二接收望远镜；所述第一接收望远镜，用于接收所述散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述第一接收望远镜的镜面对应的聚焦区，生成第一聚焦信号；所述第一接收望远镜的镜面对应的聚焦区与所述第一接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为不存在重叠区域；所述第一接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为与所述发射光束的照射范围在低空存在重合区域；所述第二接收望远镜，用于接收所述散射回波信号，将所述散射回波信号聚焦于所述第二接收望远镜的镜面对应的聚焦区，生成第二聚焦信号；所述第二接收望远镜的散射回波信号接收范围被设置为与所述发射光束的照射范围在高空存在重合区域；则所述光纤包括：第一光纤和第二光纤；所述第一光纤，用于传输所述第一聚焦信号至所述分光处理器；所述第二光纤，用于传输所述第二聚焦信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李莹莹，
申请(专利权)人：北京聚恒博联科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11