本发明专利技术是一种Ｒａｍａｎ－Ｍｉｅ散射激光大气信号的探测方法及激光雷达，是通过设置输出二倍频５３２ｎｍ和三倍频３５５ｎｍ激光的激光器，将５３２ｎｍ、１５％的３５５ｎｍ激光向天空发射，８５％的３５５ｎｍ激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光进入望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，通过分色镜处理，将４０７ｎｍ、３８６ｎｍ、５３２ｎｍ的散射光分开成三束，５３２ｎｍ的散射光再分开成１５％与８５％二束，这分开的四束散射光分别被光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据采集与处理。可进行大气水平能见度、整个对流层气溶胶和卷云消光系数垂直廓线、近地面至对流层中低部水汽混合比的探测。水平能见度的探测误差１５％；气溶胶消光系数和水汽混合比垂直廓线的探测误差２０％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及探测大气水平能见度、大气气溶胶和水汽空间分布的方法及车载式激光雷达。
技术介绍
激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。激光与大气的相互作用，产生包含大气气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用合适反演方法结合雷达方程就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。激光雷达是传统雷达探测技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年，即1961年，科学家就提出了激光雷达的设想，并开展了研究工作，40多年来，随着激光技术日新月异的发展，先进的信号探测和数据采集系统的应用，激光雷达以它的高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及广阔的扫描范围而成为一种重要的主动遥感工具。目前，探测对流层大气气溶胶和水汽的激光雷达系统一般存在以下四个方面的不足首先，鉴于激光雷达探测功能的增加会使得雷达系统比较复杂、体积较大、重量较重、不易移动和运输，限制了它的应用区域范围；其次为探测高度有限，对于大气气溶胶的探测大部分局限在5~6km以下的边界层内，而水汽由于其本身的在大气中的含量很少，同时与激光发生的Raman散射回波信号很弱，其测量高度也仅仅在5km以下。此外受到雷达几何因子的限制，对近地面水汽和气溶胶的精确测量也显得比较困难；第三，由于太阳强烈背景辐射的影响，对于各种激光雷达在白天的测量无疑是一种挑战；第四，在多波长，多探测功能激光雷达系统中，对如何解决不同探测波长间的干扰以及如何保证整个系统长期工作的稳定性和可靠性都提出很高的要求。在国际上，现在对于测量水汽的Raman-Mie散射激光雷达主要有以下几种1.美国NASA Goddard空间飞行中心(Space flight center)于1990年建造的的SRL(Scanning RamanLidar)激光雷达。该雷达具有直径为0.76m，相对孔径为f/4.8的Dall-Kirkham望远镜系统，采用XeF激光器，其波长为351nm，重复频率为400Hz，功率为24W。2.美国能源部(DOE/ARM)建于1995年的CART激光雷达。其使用Nd:YAG激光器，输出三倍频激光355nm，重复频率为30Hz，单脉冲能量为400mJ，接收望远镜为0.61m口径。3.美国“科学与工程服务公司”(Science and Engineering Services.Inc.)研制的CRL(CompactRaman Lidar)激光雷达。该雷达采用二极管泵浦输出的四倍频Nd:YAG激光器，其输出波长为266nm，单脉冲能量为1mJ，重复频率为1KHz。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阑，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O3吸收的订正。这样就会给水汽测量的结果带来一定的误差。4.美国NASA Goddard空间飞行中心(Space flight center)近期建造的RASL(Raman AirborneSpectroscopic Lidar)为一种新型的Raman激光雷达。该雷达主要用于测量水汽、气溶胶、云、液态水以及温度。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心于1995年建造的L625多功能激光雷达，此雷达于1999年增加了测量水汽的Raman通道，但鉴于雷达本身的限制只能进行1~5km水汽的测量，并且仅仅限于夜晚观测。
技术实现思路
本专利技术的目的是研制一种能够同时进行水平大气能见度和垂直水汽，云与大气气溶胶测量的Raman-Mie散射激光大气信号探测方法及车载式Raman-Mie散射激光雷达，并且要求在白天也可以进行上述观测。为达到以上测量要求，采用独特的发射和接收光学单元设计，大部分元器件都尽可能的采用轻小型全固化或模式化结构，使其具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、工作稳定可靠等优点。Raman-Mie散射激光大气信号的探测方法，是通过设置输出二倍频532nm和三倍频355nm激光的激光器，将532nm、15％的355nm激光向天空发射，85％的355nm激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做进行俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光经望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，经分色镜处理，将407nm、386nm、532nm的散射光分开成三束，532nm的散射光再分开成15％与85％二束，这分开的四束散射光分别经光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据收集与处理。Raman-Mie散射激光雷达，该激光雷达由四部分组成(1)、发射单元采用激光器作为激光发射源，在激光器前端安装分色镜，分色镜前端安装有由全反射镜组成的发射镜片组，分色镜对激光器发出的532nm的光全透，355nm光15％透，85％的355nm光反射至全反射镜上，经355nm波长扩束镜射向天空，激光器通过发射镜片组及扩束镜射向天空的光束与雷达望远镜的接收光轴平行；(2)、雷达接收与后继光学单元包括活动安装的可进行俯仰运动的卡塞格林型望远镜，卡塞格林型望远镜的后端依次安装有遮光筒、可调节视场光阑(1)、目镜、分色镜(1)及分束镜(1)、分束镜(2)。分色镜(1)对407nm、386nm的光全反，对532nm的光全透，分色镜(1)后407nm、386nm的激光回波光路中依次安装有由全反射镜组成的对接镜组、透镜组、光阑(2)、分色镜(2)。407nm、386nm的光经分色镜(2)分开后，分别被光电倍增管接收，并分别经放大器放大后送往光子计数器1、光子计数器2；532nm的光其中85％经分束镜(1)透射、分束镜(2)反射由光电倍增管接收，其中15％由分束镜(1)反射后由光电倍增管接收，并送往放大器放大；(3)、数据采集单元由光电倍增管、放大器、A/D采集卡和光子计数器组成；(4)、光电倍增管的门控电路、信号延迟脉冲发生器、主波发生器和工控机构成数据存储与控制单元。激光器采用powerlite8020型号Nd:YAG激光器，分别输出二倍频532nm和三倍频355nm激光；扩束镜为3倍扩束镜。在具体技术实施中，对以上四部分单元分别采用相应的设计方案和合适的元器件。本专利技术车载式Raman-Mie散射激光雷达系统主要部件技术指标 在发射单元，为同时测量水汽、气溶胶和云以及能见度，该雷达采用美国Continuum公司生产的powerlite8020型号Nd:YAG激光器，分别输出二倍频532nm和三倍频355nm激光。其中前者主要用于大气水平能见度和垂直大气气溶胶与卷云的测量，而后者用于测量水汽垂直分布。为消除波长间的相互干扰和减小发射激光发散角，同时降低发射光路上各种反射镜片的激光抗损伤阈值要求，本专利技术采用两套发射光路。其一为355发射通道，集中了85％的355能量，通过两块反射镜片和3倍扩束镜直接将激光垂直发射到大气中，对1km以上的高层水汽进行测量。该通道中扩束镜的主要目的是减小激光发散角，提高雷达白天的探测能力；其二为532发射通道，除了全部的532nm激光，还包含剩余的15％的355激光。此通道的激光经过一本文档来自技高网...
【技术保护点】
Ｒａｍａｎ－Ｍｉｅ散射激光大气信号的探测方法，是通过设置输出二倍频５３２ｎｍ和三倍频３５５ｎｍ激光的激光器，将５３２ｎｍ、１５％的３５５ｎｍ激光向天空发射，８５％的３５５ｎｍ激光经扩束后向天空发射，二发射光路均与接收望远镜的光路平行，并与接收望远镜同时做俯仰运动；通过接收望远镜接收后向散射光，后向散射光进入望远镜后，经遮光筒、可调节视场光阑和目镜后，通过分色镜处理，将４０７ｎｍ、３８６ｎｍ、５３２ｎｍ的散射光分开成三束，５３２ｎｍ的散射光再分开成１５％与８５％二束，这分开的四束散射光分别被光电倍增管接收后，经过放大器放大后，进行数据采集与处理。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢晨波，戚福弟，范爱媛，岳古明，徐吉胜，兰举生，曹京平，江庆伍，袁松，尹君，周军，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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