本发明专利技术公开了全天时全高程大气探测激光雷达，涉及从近地面到１１０公里高空大气多参数同时探测的激光雷达。该激光雷达由激光发射部分（１）、光学接收部分（２）、信号检测部分（３）三部分组成。通过双波长发射、三通道同时接收、窄带滤光、以及收发联调等有机融合，形成全天时全高程大气探测激光雷达。其优点是：在夜间，能实现对约１～１１０ｋｍ高度范围的大气参量同时探测；在白天，能实现对约１～６０ｋｍ和８０～１１０ｋｍ两段高度范围的大气参量同时探测。本发明专利技术具有技术方案科学、系统集成度高、自动化程度好、工作可靠和使用方便等优点，为中高层大气研究和中高层大气环境监测提供一种高性能探测手段。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，尤其涉及从近地面到110公里这一宽范围大气 层段探测的全高程激光雷达和连续24小时不间断大气探测的全天时激光 雷达。
技术介绍
从近地面到110公里高空大气层段，是日-地关系链中的重要环节，是 空间物理和大气科学的重要研究领域。激光雷达具有时空分辨率高、探测 灵敏度高、可分辨探测物种和不存在大气探测盲区等优点，特别适用于对 这一层段大气多参量的探测。大气探测激光雷达通常以30公里为界，分为低空探测激光雷达和高空 探测激光雷达。高空探测激光雷达主要有瑞利散射激光雷达和共振荧光激 光雷达两种，瑞利散射激光雷达的探测高度一般为30~80公里，而共振荧 光激光雷达的探测高度为80~110公里。30公里以下低空探测激光雷达则 主要有米氏散射激光雷达、拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达等，其 中米氏散射激光雷达可以实现约1 30公里的大气连通性探测。德国IAP激光雷达组将共振荧光、瑞利散射、拉曼散射三台激光雷达 联合起来共同实现1 105公里夜间温度探测和80-105公里全天时探测 (Temperature lidar measurements from 1 to 105 km altitude using resonance,4Rayleigh, and Rotational Raman scattering ， Atmos.' Chem. Phys. 2004, 4:793 800)。这种由多台激光器、多台望远镜和诸多检测设备组成的系统， 造价昂贵，调整复杂，维护困难。 一方面，多台激光器很难实现同步发射， 这会造成多台激光雷达回波信号在时间上不同步；另一方面，多个激光束 会在空间上产生一定偏离，造成多台激光雷达回波信号在空间上不一致。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全天时全高程大气探测激光雷达，该激光 雷达通过双波长发射、三通道同时接收、窄带滤光、以及收发联调等有机融合，不但实现了单台激光雷达对i~iio公里高空大气的夜间全程探测，还实现了对1 60公里和80-110公里大气的全天时探测，进一步拓展了激 光雷达的探测能力，为大气探测提供了一种更为有效的设备。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分、光学接收部分、信号检测部分组成，其中激光发射部分中的双波长发射装置可同时产生稳频的532nm和589nm 两束激光。532nm激光经第一棱镜发射，用于激发30公里以下的米氏散射 和30 80公里的瑞利散射；589nm激光经第二棱镜发射，用于激发80 110 公里钠层的共振荧光。两个棱镜分别安装在两个电动双轴倾斜台上，由计 算机控制电动双轴倾斜台，对棱镜进行调节，使得两束激光按要求的方向 进行发射。其中双波长发射装置为一种综合型多功能中高层大气探测激光雷达 (专利号ZL 200710051538.5)中的第二发射装置，该装置中的Nd:YAG激光器采用种子注入技术获得稳频的532nm激光，589nm激光的输出波长被 锁定在钠原子的共振峰上(中国科学G， 37(2):196-201)，使之与高空钠层产 生有效共振。光学接收部分采用两台接收望远镜， 一台高空望远镜的焦平面上平行 放置两根光纤，分别用于接收532nm瑞利散射回波光和589nm钠层荧光回 波光，并送入瑞利散散射通道和钠层荧光通道； 一台低空望远镜焦平面上 放置一根光纤，用于接收532nm激光低空米氏散射回波光，并送入米氏散 射通道。高空望远镜采用较大口径接收望远镜且离两发射棱镜3 8米，是 为了获得更高的探测能力的同时，有效避免低空强散射回波光的干扰，实 现30 110公里探测；低空望远镜采用较小口径接收望远镜且离发射棱镜 0.1~1米，是为了避免低空强散射回波光饱和的同时，使得收发匹配的起始 高度尽可能低，实现1 30公里探测。信号检测部分同时获取米氏散射通道、瑞利散射通道(专利号ZL 200710051538.5)和钠层荧光通道(专利号ZL 200710051538.5)回波信号， 并由计算机采集和存储。在米氏散射通道、瑞利散射通道和钠层荧光通道 中均采用了 pm量级带宽的窄带滤光器，比普通干涉滤光片带宽窄2 3个 数量级，且具有带外抑制更强的特点，可有效滤除白天天空背景光噪声， 配合稳频的532nm和589nm激光，实现三通道的全天时探测。其中米氏散射通道由光纤准直器、窄带滤光器、聚焦镜、光电探侧 器组成，光纤准直器、窄带滤光器、聚焦镜、光电探测器依次排列，光纤 出口的回波光经光纤准直器准直成平行光，再经窄带滤光器后经聚焦镜聚 焦到光电探测器，将回波光转变成电信号。要实现两束激光同时发射，两台望远镜和三个通道的同时有效接收，须采用有效的收发联调步骤，才能保证i iio公里全高程大气回波信号均收发匹配。高空收发匹配方法为，高空望远镜竖直放置且固定不动，以保 证其探测的是天顶方向大气回波信号，调整两发射激光束方向使之与其接 收视场匹配；低空收发匹配方法为，低空望远镜竖直放置，发射激光束方向固定不动，调整低空望远镜焦面处光纤一端输入口位置使其接收视场与532nm发射激光束方向匹配。具体步骤为，高空钠层荧光通道和瑞利散射 通道收发匹配由计算机控制两电动双轴倾斜台，带动发射棱镜实现发射激 光束空间二维扫描，使得接收回波光聚焦于高空望远镜焦平面上两接收光 纤输入端，分别实现30 80公里和80 110公里收发匹配；低空米氏散射通 道的收发匹配由计算机控制电动双轴平移台，带动电动双轴平移台上光纤 水平二维移动，将接收光纤头的输入端对准低空望远镜接收回波光焦点， 实现1 30公里收发匹配。至此，双波长同时发射、双望远镜同时接收的米 氏散射、瑞利散射、钠层荧光三个通道激光雷达接收系统整机收发联调完 成，确保高、低空望远镜在其有效探测范围内收发匹配。 本专利技术的优点和效果全天时全高程大气探测激光雷达不但实现了单台激光雷达探测1~110 公里高空大气的夜间全程探测，还实现了单台激光雷达从1 60公里和 80 110公里大气全天时探测，具有技术方案先进、系统集成度高、工作可 靠、操作简单、使用维护方便等优点，尤其是保证了发射激光束在时间上 同步，空间上一致，提升了单台激光雷达探测能力和应用范围，从而可为 中高层大气观测研究提供一种高性能探测设备，也为临近空间大气环境探测和空间天气监测预报提供了一种有效的新手段。 附图说明图1为全天时全高程大气探测激光雷达示意图。其中l激光发射部分、100双波长激光发射装置、101第一棱镜、102 第一电动双轴倾斜台、103 532nm激光束、104第二棱镜、105第二电动双 轴倾斜台、106 589nm激光束；2光学接收部分、210低空望远镜、211第一光纤、212电动双轴平移 台、200高空望远镜、221第二光纤、231第三光纤；3信号检测部分、300计算机、310米氏散射通道、320瑞利散射通道、 330钠层荧光通道。 具体实施例方式实施例1全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分1、光学接收部分2、 信号检测部分3组成，其中光学接收部分2由低空望远镜210、第一光纤211、电动双轴平移台212、 高空望远镜200、第二光纤221和第三光纤231组成。本文档来自技高网...
【技术保护点】
全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分（１）、光学接收部分（２）、信号检测部分（３）组成，其特征在于，光学接收部分（２）由低空望远镜（２１０）、第一光纤（２１１）、电动双轴平移台（２１２）、高空望远镜（２００）、第二光纤（２２１）和第三光纤（２３１）组成；低空望远镜（２１０）竖直放置，电动双轴平移台（２１２）平行安置在低空望远镜（２１０）的焦平面处，第一光纤（２１１）一端的光纤头垂直安装在电动双轴平移台（２１２）的中心，光纤头的端面位于焦平面上；高空望远镜（２００）竖直放置，距离低空望远镜（２１０）３～８米，第二光纤（２２１）一端和第三光纤（２３１）一端的光纤头相距３～３０毫米并排放置，两光纤头的端面均位于高空望远镜（２００）的焦平面处，两光纤头的光轴均与高空望远镜（２００）的光轴平行； 激光发射部分 （１）由双波长激光发射装置（１００）、第一棱镜（１０１）、第一电动双轴倾斜台（１０２）、第二棱镜（１０４）、第二电动双轴倾斜台（１０５）组成；双波长激光发射装置（１００）同时输出５３２ｎｍ和５８９ｎｍ两束激光，５３２ｎｍ激光束（１０３）对准第一棱镜（１０１）中心，第一棱镜（１０１）安装在第一电动双轴倾斜台（１０２）上，５３２ｎｍ激光束（１０３）经第一棱镜（１０１）反射后与高空望远镜（２００）光轴平行；５８９ｎｍ激光束（１０６）对准第二棱镜（１０４）中心，第二棱镜（１０４）安装在第二电动双轴倾斜台（１０５）上，５８９ｎｍ激光束（１０６）经第二棱镜（１０４）反射后偏离高空望远镜（２００）光轴方向１．５～１５毫弧度； 信号检测部分（３）由计算机（３００）、米氏散射通道（３１０）、瑞利散射通道（３２０）和钠层荧光 通道（３３０）组成；米氏散射通道（３１０）、瑞利散射通道（３２０）和钠层荧光通道（３３０）的输出端分别与计算机（３００）连接，计算机（３００）的输出控制端分别连接到电动双轴平移台（２１２）、第一电动双轴倾斜台（１０２）和第二电动双轴倾斜台（１０５）上。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：龚顺生，程学武，李发泉，杨国韬，王继红，窦贤康，薛向辉，杨勇，李勇杰，王嘉珉，贾汉春，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。