[發(fā)明專利]高光譜偏振大氣探測激光雷達系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610113959.5
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105738916B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何興道;李翔;吳濤
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/481
• 代理公司: 南昌市平凡知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所36122
• 代理人: 張文杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光雷達技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可以對大氣各種重要參數(shù)進行高分辨率高精度探測的多功能型大氣探測激光雷達系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體微粒和液態(tài)顆粒物的總稱，粒子的空氣動力學(xué)直徑多在0.001～100μm之間，它通過吸收和散射的直接或間接作用影響地球的輻射收支平衡，改變大氣系統(tǒng)的行星反照率，并且氣溶膠作為云凝結(jié)核影響云滴的數(shù)密度，從而影響降水量。氣溶膠的光學(xué)特性對大氣研究、通量傳輸研究也具有非常重要的作用。此外，最近幾年國內(nèi)北方經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾、沙塵暴等污染天氣現(xiàn)象，對人們的生產(chǎn)生活造成了非常嚴(yán)重的影響，這些污染很多都是來源于各種氣溶膠，其中包含沙塵氣溶膠、霧霾氣溶膠等，這些氣溶膠往往含有很多有害物質(zhì)甚至是致癌物質(zhì)，隨著人的呼吸，這些在空氣中漂浮的氣溶膠粒子被人吸入到支氣管和肺部，越小的粒子越容易進入肺部，粒徑小于1微米的粒子甚至能直接進入肺泡內(nèi)，對人體造成的危害非常大。因此，氣溶膠的物理和化學(xué)特性對大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康具有非常重要的影響，對氣溶膠的深入研究有著十分重要的意義。

大氣溫度是大氣狀態(tài)的一個重要參數(shù)。大氣溫度廓線是許多遙感技術(shù)包括激光雷達測量其他參量的必要輸入?yún)?shù)，例如拉曼激光雷達測量粒子的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)、水汽混合比，粒子的偏振等。因此，大氣溫度及其分布的數(shù)據(jù)在大氣動力學(xué)、氣候?qū)W、氣象學(xué)以及大氣化學(xué)過程等領(lǐng)域起到了重要的作用。

大氣探測激光雷達是一種大范圍、高分辨率、快速監(jiān)測和探測大氣環(huán)境信息的高技術(shù)主動遙感工具，通過激光與大氣中各種成分發(fā)生的散射、吸收、消光等的反應(yīng)，利用探測設(shè)備接收到大氣與激光產(chǎn)生的后向散射信號來分析各種大氣參數(shù)。目前國內(nèi)的激光雷達系統(tǒng)是以探測單一大氣參數(shù)為主，即一套系統(tǒng)只能探測一種大氣成分或參數(shù)，缺點是功能較單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。而多功能型大氣探測激光雷達系統(tǒng)利用一套激光雷達系統(tǒng)就可實現(xiàn)同時探測多種大氣參數(shù)，多個探測通道共用系統(tǒng)中激光器、發(fā)射和接收光學(xué)模塊，并且信號采集和處理控制模塊可增加相應(yīng)的處理和控制功能。多功能型大氣探測激光雷達系統(tǒng)的優(yōu)點是：在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的情況下實現(xiàn)探測多種大氣參數(shù)，模塊化設(shè)計，根據(jù)探測要求方便增減系統(tǒng)中元器件，資源利用率較高，同時對于探測到的同一目標(biāo)區(qū)域多個大氣參數(shù)可以相互利用，有利于開發(fā)出新的數(shù)據(jù)處理算法提高反演精度。

在大氣探測中，激光雷達接收到的大氣后向散射光通常包含大氣分子的振動拉曼散射信號、瑞利散射信號和氣溶膠粒子的米散射信號，其中夾雜著一些太陽背景光和其它雜散光的噪聲。由于瑞利散射和米散射都是彈性散射，因此它們的中心光譜與激光雷達的發(fā)射光譜重疊在一起，比較難以分離，造成了反演精度不高。而高光譜分辨率激光雷達利用氣溶膠的米散射譜寬不同于其他散射譜的特性，利用高光譜分辨率濾光器，從大氣散射中分離米散射和瑞利散射光譜，進而提高反演大氣參數(shù)的精度。而目前的激光雷達大多采用干涉濾光片去除雜散光噪聲，后期利用軟件算法去除干擾的散射信號，從而得到需要探測的散射光信號，這種方法受外界環(huán)境影響較大，反演參數(shù)精度較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述問題，提出一種多功能型高光譜偏振激光雷達系統(tǒng)及控制方法，通過對大氣中氣溶膠、水蒸汽(濕度)、云層、沙塵、大氣溫度等參數(shù)的空間分布和隨時間變化特性進行探測，模塊化設(shè)計系統(tǒng)，擴展性強，可更加全面地對多種大氣參數(shù)進行精確探測。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的。一種多功能型高光譜偏振激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收/探測系統(tǒng)和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)由脈沖激光器、擴束器、三維調(diào)整反射棱鏡和卡塞格林望遠(yuǎn)鏡組成，脈沖激光器與三維調(diào)整反射棱鏡之間設(shè)置有擴束器，三維調(diào)整反射棱鏡的下方安裝有卡塞格林望遠(yuǎn)鏡；

光電接收/探測系統(tǒng)包括高光譜分辨率光柵和偏振分光棱鏡，其高光譜分辨率光柵的側(cè)面分別設(shè)置有第二準(zhǔn)直聚焦透鏡、小孔光闌、偏振分光棱鏡和第二平面反射鏡，第二準(zhǔn)直聚焦透鏡通過光纖連接第一準(zhǔn)直聚焦透鏡，第一準(zhǔn)直聚焦透鏡位于卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的出光孔下端；小孔光闌與第一平面反射鏡之間依次設(shè)置有第三準(zhǔn)直聚焦透鏡和偏振分光棱鏡；第二平面反射鏡的一側(cè)依次設(shè)置有第一干涉濾光片、第四準(zhǔn)直聚焦透鏡和第一光電倍增管；偏振分光棱鏡的一側(cè)依次設(shè)置有第二干涉濾光片和第二光電倍增管；第一平面反射鏡的一側(cè)依次設(shè)置有法布里-珀羅干涉儀、第五準(zhǔn)直聚焦透鏡和第三光電倍增管；