[發明專利]一種微脈沖差分吸收激光雷達水汽時空分布自動連續探測裝置

有效

• 申請號: 201310163587.3
• 申請日: 2013-05-03
• 公開（公告）號: CN103293116A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 董云升;趙雪松;陸亦懷;劉文清;劉建國;張天舒;范廣強;徐寒楊
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;楊學明

技術領域

本發明涉及一種光學遙測接收裝置和方法，具體是涉及將差分吸收激光雷達技術和微脈沖激光雷達技術相結合，建立雙波長差分吸收的微脈沖激光雷達裝置，實現對大氣中水汽時空分布自動連續監測的技術和方法。

背景技術

大氣里中水汽并不多，最多時也只占大氣的百分之四，水汽僅占全球總水量的0.001%，水汽是大氣中濃度變化最大的一種氣體。水汽在環境、氣象、氣候和軍事領域扮演了一個十分重要的角色。水汽絕大部分集中在低層，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天氣預報和氣候研究中都有重要價值，水汽含量的探測是也人工影響天氣的研究的重要參數。目前，國內大部分氣象臺分別在每天的8：00和20：00，使用探空氣球的方法獲取水汽廓線，例如，北京氣象局2008年全年共放球896次，探空對于水汽的垂直測量雖然精確，但這種探測儀器是一次性使用的高空氣象儀器，消耗大，受到使用時間和空間的限制，而且每次釋放探空的過程會受到當時天氣狀況、人為操作等不確定因素的影響。此外，水汽廓線也是氣象、氣候模型輸入的重要參數。水汽在輻射傳輸中是一個非常重要的參量，從近紅外到遠紅外區域存在多個較強的吸收帶，但水汽隨著時間和空間變化很大，往往與標準大氣模式存在很大的差異，從而帶來計算誤差，精確測量水汽的濃度可以獲得高精度的大氣輻射傳輸計算參數，在提高光電探測儀器的測量精度以及確認武器裝備有效作用距離等方面有著重要意義。大氣中水汽對太陽輻射的吸收直接影響到衛星觀測到的信號,在航天、航空遙感器輻射定標和大氣校正時就需要大氣中精確的水汽量。

而當前水汽立體監測手段相對匱乏，還沒有儀器能夠實現對水汽時空分布進行高時間分辨率高空間分辨率的自動連續測量。目前主要能夠實現水汽立體觀測的儀器主要有三種，氣象探空，微波輻射計，水汽Raman激光雷達。

探空氣球是目前最常用的方法，其中五九型轉筒式電碼探空儀（GZZ2型探空儀）是我國高空氣象觀測中使用的常規探空儀。這種探空儀發射機的頻率一種為24.5MHz，另一種是400MHz。它通常由氣球攜帶升入空中，將感應到的氣象要素值轉變為無線電信號，不斷地向地面發送。地面上的接收設備將信號收錄、處理，從而取得溫、壓、濕垂直分布的探測結果。這種觀測方法的缺點很明顯，探空氣球會受到使用時間和空間的限制，是一次性的觀測手段，受氣象條件、航空管制、人為因素的影響比較大，無法實現對水汽連續觀測自動。

微波輻射計是一款被動式地基微波遙感設備，它主要是用天線來被動的接收天空一定頻率的微波輻射，然后根據天線接收到的能量得到天空的亮度溫度。將微波輻射計進行掃角觀測，仰角由0°到90°之間變化，就可以觀測到大氣的亮度溫度，通過一系列微波輻射計觀測到的大氣亮度溫度Tb的值，將比濕隨亮度分布反演出來。因此利用微波輻射計可以測得水汽隨高度分布的廓線。微波輻射計在0-1.2km的距離分辨率為50m，1.2-10km的距離分辨率為50-2500m，此外微波輻射計成本比較高，觀測參數單一，主要的缺點是水汽測的誤差非常大，容易受到天氣的影響。

水汽Raman激光雷達是利用激光雷達技術測量水汽廓線的方法，一般使用高能量紫外激光器為光源（單脈沖200mj，頻率200hz），利用口徑600mm以上望遠鏡進行對水汽才可以在白天進行探測，該方法的優勢是，時間分辨率和空間分辨率高，可以同時觀測多個參數，缺點成本高，維護不方便；此外，水汽Raman激光雷達在白天探測距離較小，甚至無法工作。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種微脈沖差分吸收激光雷達水汽時空分布自動連續探測裝置，實現對水汽時空分布進行高時間分辨率高空間分辨率高精度的自動連續探測；創新地使用了寬帶寬激光光源，進行水汽吸收峰譜線的探測，將微脈沖激光雷達技術和差分吸收激光雷達技術相結合，實現了對水汽時空分布的晝夜探測，解決了由于水汽吸收譜線太窄導致探測精度差，激光器中心波長漂移不利于水汽探測，激光雷達水汽探測標定難，以及激光雷達在白天進行水汽探測比較難的問題。