探测云相态及云水含量的激光雷达系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、偏振和光谱分析系统和数据采集处理器。本发明专利技术的探测方法包括：1、探测得到四路大气后向散射回波信号功率，2、计算得到拉曼法反演消光系数和大气后向散射圆退偏比，3、计算云层的积分后向散射系数和积分退偏比，4、判断云层状况并分别计算云水含量和冰水含量。本发明专利技术根据退偏比数值和消光系数数值对云相态进行识别，实现了云相态的高精度识别和云水含量的高精度评估。态的高精度识别和云水含量的高精度评估。态的高精度识别和云水含量的高精度评估。

【技术实现步骤摘要】
探测云相态及云水含量的激光雷达系统及方法


[0001]本专利技术属于大气探测
，涉及一种探测云相态及云水含量的激光雷达系统，本专利技术还涉及利用该激光雷达系统探测云相态及云水含量的方法。

技术介绍

[0002]云是影响气候变化最为重要的因子之一，云对地气系统的辐射收支、能量平衡及水循环都有重要作用。云有三种不同的相态，不同的云相态具有不同的吸收散射特性，云相态的识别与探测始终是云物理研究的核心问题。云的辐射效应取决于云相态的垂直结构和微物理参数，分析云的宏微观垂直结构特征和时空变化对全球气候变化研究有重要的意义。对人工影响天气来说，云是人工影响天气催化作业的对象，获取云的垂直结构和云水含量垂直分布特征对准确识别作业条件与科学实施催化作业十分重要。
[0003]激光雷达是一种主动遥感仪器，具有探测范围广和高时空分辨率的优点，在云的探测中具有特殊的优势。现有的传统偏振激光雷达系统在识别云相态方面具有较大的不确定度，尽管也有研究学者采用添加拉曼通道的方法来辅助识别云相态进而获取云水含量，但是由于探测性能受到很大的影响，并不具有实用性。毫米波雷达也可以实现云的探测，但是由于其波长较长，无法观测到小粒子和形成初期的云。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种探测云相态及云水含量的激光雷达系统，根据退偏比数值和消光系数数值对云相态进行识别，实现了云相态的高精度识别和云水含量的高精度评估。
[0005]本专利技术的另一目的是提供利用上述激光雷达系统探测云相态及云水含量的方法。r/>[0006]本专利技术所采用的技术方案是，探测云相态及云水含量的激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、偏振和光谱分析系统和数据采集处理器。
[0007]接收系统为望远镜。
[0008]激光发射系统包括激光器及激光器出射光路上设置的第一玻片，激光器的光轴与望远镜的光轴平行，第一玻片的方位角与激光器发出水平振动偏振光的夹角为45度。
[0009]根据权利要求3探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，激光器采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm。
[0010]偏振和光谱分析系统包括依次设置在望远镜光路上的准直镜和第一分色镜，第一分色镜的反射光路上设置有第二分色镜，第二分色镜的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片、第一汇聚镜和第一探测器，第二分色镜的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片、第二汇聚镜和第二探测器；第一分色镜的透射光路上依次设置有第二玻片和偏振分光镜，
偏振分光镜的反射光路上设置有第三窄带滤光片、第三汇聚镜和第三探测器，偏振分光镜的透射光路上设置有第四窄带滤光片、第四汇聚镜和第四探测器；第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器均与数据采集处理器信号连接。
[0011]准直镜为口径25.4mm，焦距为75mm的非球面镜；第一分色镜分离355nm、387nm和1064nm；第二分色镜以387nm和355nm分色；第一窄带滤光片带宽为0.5nm，中心波长为355nm；第一汇聚镜优选口径为25.4mm、焦距为50mm；第二窄带滤光片的带宽为0.5nm，中心波长为387nm；第三窄带滤光片的带宽为1nm，中心波长为1064nm；第四窄带滤波片的带宽为1nm，中心波长为1064nm。
[0012]本专利技术所采用的另一技术方案是，探测云相态及云水含量的方法，
[0013]步骤1.利用激光雷达系统探测得到四路大气后向散射回波信号功率，第一探测器探测到355nm的后向功率为P1，第二探测器12探测到387nm信号的后向功率为P2，第三探测器探测到的1064nm信号的后向功率为P3，第四探测器20探测到的1064nm信号的后向功率为P4；
[0014]步骤2.将步骤1得到的回波信号功率P1和P2代入公式(1)，计算得到被探测大气中的355nm的拉曼法反演消光系数α(λ355,r)：
[0015][0016]根据公式(2)计算得到大气后向散射系数β(λ355,r)
[0017][0018]将步骤1得到的回波信号功率P3和P4，代入公式(3)计算得到大气后向散射圆退偏比δcirc；
[0019][0020]根据圆退偏比来计算得到线退偏比
[0021][0022]步骤3.计算云层的积分后向散射系数β
’
和积分退偏比δ
’
[0023][0024][0025]步骤4.水云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而减小，呈明显的负相关性；冰云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而增加，呈现正相关性，根据后向散射系数的变化情况来判断所探测云层为水云或冰云；
[0026]如果为水云，则根据拉曼法反演消光系数α和退偏比δ
’
来判断云水含量LWC，按照如下式计算：
[0027][0028][0029]如果为冰云，则根据拉曼法反演消光系数α和公式(7)推算得出有效半径Re，进而按照如下公式(9)计算得出冰云中的冰水含量，
[0030][0031]本专利技术的通过观测系统和独立的算法，大大提高了对云相态和云水含量的识别和评估精度。
附图说明
[0032]图1是本专利技术探测云相态及云水含量的激光雷达系统的结构示意图。
[0033]图中，1.激光器，2.第一玻片，3.望远镜，4.准直镜，5.第一分色镜，6.第二分色镜，7.第一窄带滤光片，8.第一汇聚镜，9.第一探测器，10.第二窄带滤光片，11.第二汇聚镜，12.第二探测器，13.第二玻片，14.偏振分光镜，15.第三窄带滤光片，16.第三汇聚镜，17.第三探测器，18.第四窄带滤光片，19.第四汇聚镜，20.第四探测器，21.数据采集处理器。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0035]本专利技术的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、偏振和光谱分析系统和数据采集处理器21。
[0036]接收系统为望远镜3。
[0037]激光发射系统包括激光器1及激光器1出射光路上设置的第一玻片2，激光器1的光轴与望远镜3的光轴平行，第一玻片2的方位角与激光器1发出水平振动偏振光的夹角为45度。
[0038]激光器1采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm。
[0039]偏振和光谱分析系统包括依次设置在望远镜3光路上的准直镜4和第一分色镜5，第一分色镜5的反射光路上设置有第二分色镜6，第二分色镜6的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片7、第一汇聚镜8和第一探测器9，第二分色镜6的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片10、第二汇聚镜11和第二探测器12；第一分色镜5的透射光路上依次设置有第二玻片13和偏振分光镜14，所述偏振分光镜14的反射光路上设置有第三窄带滤光片15、第三汇聚镜16和第三探测器17，偏振分光镜14的透射光路上设置有第四窄带滤光片18、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射系统、接收系统、偏振和光谱分析系统和数据采集处理器(21)。2.根据权利要求1所述的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，所述的接收系统为望远镜(3)。3.根据权利要求2所述的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，所述的激光发射系统包括激光器(1)及所述激光器(1)出射光路上设置的第一玻片(2)，所述激光器(1)的光轴与望远镜(3)的光轴平行，所述第一玻片(2)的方位角与所述激光器(1)发出水平振动偏振光的夹角为45度。4.根据权利要求3所述的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，所述的激光器(1)采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm。5.根据权利要求2所述的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，所述的偏振和光谱分析系统包括依次设置在所述望远镜(3)光路上的准直镜(4)和第一分色镜(5)，所述第一分色镜(5)的反射光路上设置有第二分色镜(6)，所述第二分色镜(6)的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片(7)、第一汇聚镜(8)和第一探测器(9)，所述第二分色镜(6)的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片(10)、第二汇聚镜(11)和第二探测器(12)；所述第一分色镜(5)的透射光路上依次设置有第二玻片(13)和偏振分光镜(14)，所述偏振分光镜(14)的反射光路上设置有第三窄带滤光片(15)、第三汇聚镜(16)和第三探测器(17)，所述偏振分光镜(14)的透射光路上设置有第四窄带滤光片(18)、第四汇聚镜(19)和第四探测器(20)；所述第一光电探测器(9)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(17)和第四光电探测器(20)均与数据采集处理器(21)信号连接。6.根据权利要求5所述的探测云相态及云水含量的激光雷达系统，其特征在于，所述的准直镜(4)为口径25.4mm，焦距为75mm的非球面镜；所述的第一分色镜(5)分离355n...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄慧鸽，华灯鑫，袁云，闫庆，王玉峰，宋跃辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：