近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，包括有激光发射子系统、侧向望远镜组接收与分光子系统、数据采集与反演子系统；激光发射子系统，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；侧向望远镜组接收及分光子系统，用于接收和分离提取相对激光发射光谱具有2331cm

【技术实现步骤摘要】
近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统及方法


[0001]本专利技术属于大气水汽和气溶胶探测
，具体涉及一种近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，还涉及一种近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达方法。

技术介绍

[0002]水汽是大气中重要的组成部分，与人类生活乃至整个生物界密切相关。大气中的水汽来源丰富，以气体的状态散发到大气中，经过大气对流和湍流的作用不断向空气中扩散，导致水汽分布不均，时空变化迅速。
[0003]气溶胶是研究地球环境、气候以及大气辐射传输的重要物质，同时大气水汽可在气溶胶表面凝结从而使气溶胶颗粒形成云凝结核，在不同层次影响了云的微观结构、光学性质等。
[0004]拉曼激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽和气溶胶廓线的方法，但传统的后向拉曼散射激光雷达由于几何重叠因子的存在盲区和过渡区，在测量水汽和气溶胶时无法探测到低层大气的水汽和气溶胶含量。因此后向拉曼散射激光雷达对整层大气水汽和气溶胶探测，特别是低层水汽和气溶胶探测的实施有一定的局限性。为了实现无盲区探测，对激光雷达接收系统进行重新设计，采用侧向拉曼散射激光雷达技术实现低层大气水汽和气溶胶探测。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，以实现近地层大气水汽含量和气溶胶光学参量的探测。
[0006]本专利技术的第二个目的是提供一种近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达方法。
[0007]本专利技术所采用的第一种技术方案是，近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，包括有激光发射子系统、侧向望远镜组接收与分光子系统、数据采集与反演子系统；
[0008]激光发射子系统，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；
[0009]侧向望远镜组接收及分光子系统，用于接收、分离提取及探测相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼回波信号和具有3652cm
‑1频移的水汽振动拉曼回波信号；
[0010]数据采集与反演子系统，采集相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼散射回波信号和具有3652cm
‑1频移的侧向水汽振动拉曼散射回波信号，并实现水汽混合比的数据反演，数据采集与反演子系统与侧向望远镜组接收及分光子系统连接。
[0011]本专利技术的特征还在于，
[0012]激光发射子系统包括有激光器、激光扩束器及45
°
全反镜；激光器、激光扩束器及
45
°
全反镜放置于同一水平面，由激光器发出的水平激光经过激光扩束器及45
°
全反镜后垂直射向大气。
[0013]激光器为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器。
[0014]侧向望远镜组接收及分光子系统包括电动可调俯仰支架，电动可调俯仰支架上安装有侧向望远镜组，侧向望远镜组包括有两个侧向望远镜，其中一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜a、第一滤光片、第二片透镜a及PMT光电探测器a；另一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜b、第二滤光片、第二片透镜b及PMT光电探测器b；PMT光电探测器a探测相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼回波信号；PMT光电探测器b用于探测具有3652cm
‑1频移的水汽振动拉曼回波信号；第一滤光片：中心波长为：相对激光发射波长具有2331cm
‑1频移，带宽为1nm～1.2nm，抑制率为OD6～OD7；第二滤光片：中心波长为相对激光发射波长具有3652cm
‑1频移，带宽为1nm～1.5nm，抑制率为OD6～OD7。
[0015]本专利技术所采用的第二种技术方案是，
[0016]近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达方法，具体按照以下步骤实施：
[0017]步骤1、侧向拉曼散射激光雷达初始化。
[0018]步骤2、由侧向望远镜组接收侧向散射回波信号通过分光和光电转换获得N2和H2O侧向振动拉曼回波信号；
[0019]步骤3、通过侧向拉曼散射水汽和气溶胶探测激光雷达反演算法获取低层水汽廓线和气溶胶消光廓线；
[0020]步骤4、对侧向拉曼散射激光雷达反演获得地低层水汽和气溶胶廓线与后向拉曼散射激光雷达反演获得地的高层水汽和气溶胶廓线进行拼接，得到整层水汽和气溶胶廓线实现无盲区探测。
[0021]本专利技术的特征还在于，
[0022]步骤3具体按照以下步骤实施：
[0023]步骤3.1、由侧向拉曼散射激光雷达的几何结构，可得侧向氮气拉曼散射信号的功率为P(z,λ
N
,θ)和侧向水汽拉曼散射信号的功率为P(z,λ
H
,θ)，公式如下：
[0024][0025][0026]式中，P(z,λ
N
,θ)和P(z,λ
H
,θ)分别为侧向氮气和水汽的拉曼散射信号功率，E0为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器的功率，z为探测高度，θ为散射角，λ
N
和λ
H
分别为氮气
和水汽的侧向振动拉曼散射波长，λ0为激光发射波长，A是望远镜的接收面积，η(λ
N
)和η(λ
H
)分别为侧向拉曼散射氮气和水汽通道的光学效率，D为侧向望远镜组与垂直激光束之间的水平距离，r为探测高度在z处的侧向散射光到侧向望远镜组5的斜程距离，dθ为侧向望远镜的视场角，α
aer
(z,λ
N
)和α
aer
(z,λ
H
)分别为氮气和水汽侧向振动拉曼散射波长下对应的气溶胶消光系数，α
mol
(z,λ
N
)和α
mol
(z,λ
H
)分别为氮气和水汽侧向振动拉曼散射波长下对应的大气分子消光系数，α
aer
(z,λ0)和α
mol
(z,λ0)分别为初始波长下对应的气溶胶和大气分子消光系数，β
N
(z,λ
N
,θ)和β
H
(z,λ
H
,θ)分别为氮气和水汽振动拉曼散射的侧向散射系数；
[0027]步骤3.2、侧向拉曼散射激光雷达探测水汽混合比的反演算法为：
[0028][0029]式中，w
r
(z)为侧向拉曼散射激光雷达水汽混合比，P(z,λ
N
,θ)和P(z,λ
H
,θ)分别为侧向氮气和水汽的拉曼散射信号功率，Δf
r
(θ)为拉曼散射比相函数，ΔT
r
(λ
H
,λ
N
,z,θ)为比透过率，λ
N
和λ
H
分别为氮气和水汽的侧向振动拉曼散射波长，z为探测高度，θ为散射角，K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，其特征在于，包括有激光发射子系统、侧向望远镜组接收与分光子系统、数据采集与反演子系统；所述激光发射子系统，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；所述侧向望远镜组接收及分光子系统，用于接收、分离提取及探测相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼回波信号和具有3652cm
‑1频移的水汽振动拉曼回波信号；所述数据采集与反演子系统，采集相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼散射回波信号和具有3652cm
‑1频移的侧向水汽振动拉曼散射回波信号，并实现水汽混合比的数据反演，数据采集与反演子系统与侧向望远镜组接收及分光子系统连接。2.根据权利要求1所述的近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射子系统包括有激光器(1)激光扩束器(2)及45
°
全反镜(3)；激光器(1)激光扩束器(2)及45
°
全反镜(3)放置于同一水平面，由激光器(1)发出的水平激光经过激光扩束器(2)及45
°
全反镜(3)后垂直射向大气。3.根据权利要求2所述的近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，其特征在于，所述激光器(1)为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器。4.根据权利要求1所述的近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达系统，其特征在于，所述侧向望远镜组接收及分光子系统包括电动可调俯仰支架(10)，电动可调俯仰支架(10)上安装有侧向望远镜组(5)，侧向望远镜组(5)包括有两个侧向望远镜，其中一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜a(6)、第一滤光片(7)、第二片透镜a(8)及PMT光电探测器a(9)；另一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜b(15)、第二滤光片(16)、第二片透镜b(17)及PMT光电探测器b(18)；PMT光电探测器a(9)探测相对激光发射光谱具有2331cm
‑1频移的侧向氮气振动拉曼回波信号；PMT光电探测器b(18)用于探测具有3652cm
‑1频移的水汽振动拉曼回波信号；第一滤光片(7)：中心波长为相对激光发射波长具有2331cm
‑1频移，带宽为1nm～1.2nm，抑制率为OD6～OD7；第二滤光片(16)：中心波长为相对激光发射波长具有3652cm
‑1频移，带宽为1nm～1.5nm，抑制率为OD6～OD7。5.近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、侧向拉曼散射激光雷达初始化；步骤2、由侧向望远镜组(5)接收侧向散射回波信号通过分光和光电转换获得N2和H2O侧向振动拉曼回波信号；步骤3、通过侧向拉曼散射水汽和气溶胶探测激光雷达反演算法获取低层水汽廓线和气溶胶消光廓线；步骤4、对侧向拉曼散射激光雷达反演获得地低层水汽和气溶胶廓线与后向拉曼散射激光雷达反演获得地的高层水汽和气溶胶廓线进行拼接，得到整层水汽和气溶胶廓线实现无盲区探测。6.根据权利要求5所述的近地层无盲区水汽和气溶胶探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1、由侧向拉曼散射激光雷达的几何结构，可得侧向氮气拉曼散射信号的功率为P(z,λ
N
,θ)和侧向水汽拉曼散射信号的功率为P(z,λ
H
,θ)，公式如下：
式中，P(z,λ
N
,θ)和P(z,λ
H
,θ)分别为侧向氮气和水汽的拉曼散射信号功率，E0为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器的功率，z为探测高度，θ为散射角，λ
N
和λ
H
分别为氮气和水汽的侧向振动拉曼散射波长，λ0为激光发射波长，A是望远镜的接收面积，η(λ
N
)和η(λ
H
)分别为侧向拉曼散射氮气和水汽通道的光学效率，D为侧向望远镜组与垂直激光束之间的水平距离，r为探测高度在z处的侧向散射光到侧向望远镜组5的斜程距离，dθ为侧向望远镜的视场角，α
aer
(z,λ
N
)和α
aer
(z,λ
H
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞，杨帆，华灯鑫，汪丽，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：