[發(fā)明專利]一種測(cè)量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710045941.0
• 申請(qǐng)日: 2017-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN106814371B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易帆;余長(zhǎng)明;張?jiān)迄i;柳付超;何裕金;翁淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S17/95
• 分類號(hào): G01S17/95;G01N21/39
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 趙麗影;代文成

本發(fā)明公開了一種測(cè)量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)。由發(fā)射單元、光學(xué)接收和分光單元以及數(shù)據(jù)采集與控制單元組成。發(fā)射單元采用固體激光器輸出的354.7nm激光并由45度折返鏡導(dǎo)向天頂；光學(xué)接收和分光單元由450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、分光鏡、濾光片、透鏡、光纖以及光柵等組成。用于收集來(lái)自大氣物質(zhì)的后向散射光，并將回波信號(hào)中的彈性信號(hào)（354.7nm）、大氣分子的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜(中心波長(zhǎng)分別為353.5nm、354.1nm、355.6nm和356.2nm）和振轉(zhuǎn)拉曼譜（386.7nm、407.6nm）信號(hào)進(jìn)行分離；數(shù)據(jù)采集與控制單元保障整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)有序工作。本發(fā)明可同時(shí)對(duì)大氣溫度、水汽和氣溶膠等參量進(jìn)行高時(shí)空分辨率的測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測(cè)量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

大氣中的現(xiàn)象和過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜，使得大氣科學(xué)研究在很大程度上要依靠對(duì)大氣現(xiàn)象和過(guò)程的探測(cè)。大氣溫度、水汽和氣溶膠是大氣研究的重要參量。

激光雷達(dá)以其高時(shí)空分辨能力、高探測(cè)靈敏度以及可連續(xù)探測(cè)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大氣、海洋、陸地和其他目標(biāo)的遙感探測(cè)中，尤其適合對(duì)大氣參量的探測(cè)。激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)主要基于光與物質(zhì)的相互作用機(jī)制。具體有：彈性散射、分子振動(dòng)拉曼、分子純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼、共振熒光以及差分吸收等技術(shù)。其中，拉曼散射是激光與大氣分子之間的一種非彈性的作用過(guò)程。入射光與散射光波長(zhǎng)不同，散射光的頻移量與散射物質(zhì)的電子能級(jí)分布有關(guān)。拉曼散射可以確定物質(zhì)的屬性，是辨識(shí)性的散射。激光雷達(dá)發(fā)射的激光束與大氣中的塵埃、云霧、煙霧以及其它微粒相互作用，產(chǎn)生后向散射的回波光子信號(hào)，被激光雷達(dá)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，接收到的回波光子經(jīng)過(guò)信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)，可以得到回波信號(hào)強(qiáng)度隨高度分布以及隨時(shí)間的變化，進(jìn)而利用激光雷達(dá)方程反演出被探測(cè)對(duì)象的各種物理參數(shù)的空間分布和時(shí)間變化。

激光雷達(dá)測(cè)量的大氣溫度和水汽與無(wú)線電探空儀等相比，激光雷達(dá)能夠獲得高時(shí)空分辨率的溫度和水汽的時(shí)空分布情況。測(cè)量水汽的激光雷達(dá)主要基于差分吸收和Raman散射兩種原理。差分吸收激光雷達(dá)根據(jù)待測(cè)大氣成分對(duì)兩個(gè)相鄰的波長(zhǎng)吸收程度的差異進(jìn)行濃度測(cè)量。由于分子的吸收截面比較大，所以差分激光雷達(dá)的測(cè)量精度高、測(cè)量周期短。但是由于差分吸收激光雷達(dá)對(duì)激光光源有較高的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜且造價(jià)高昂。Raman 散射激光雷達(dá)則根據(jù)分子微弱的非彈性散射（Raman 散射）進(jìn)行探測(cè)，散射光的頻率相對(duì)于入射光會(huì)發(fā)生一定的偏移，且偏移量只與目標(biāo)分子有關(guān)，而與入射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此可以根據(jù)散射光的強(qiáng)度確定被測(cè)氣體組分的濃度。Raman激光雷達(dá)對(duì)激光波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且設(shè)備經(jīng)濟(jì)性比較好。

激光雷達(dá)對(duì)水汽測(cè)量通常采用354.7nm的發(fā)射激光。這樣，需要從大氣散射譜中，將中心波長(zhǎng)為386.7nm的氮?dú)夥肿拥恼駝?dòng)光譜和中心波長(zhǎng)為407.6nm的水汽分子的Raman光譜分離出來(lái)。如果同時(shí)要進(jìn)行高時(shí)間分辨率的大氣溫度測(cè)量，就要采用干涉濾光片組或者雙光柵多色儀的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)技術(shù)。目前，同時(shí)的大氣溫度、水汽和氣溶膠測(cè)量的激光雷達(dá)，主要有兩種，干涉濾光片組成的分光系統(tǒng)、干涉濾光片和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合組成的分光系統(tǒng)。

對(duì)于單純由干涉濾光片構(gòu)成的分光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定，但是對(duì)于純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫來(lái)說(shuō)，干涉濾光片難以充分抑制兩波長(zhǎng)間的相互干擾，對(duì)彈性信號(hào)的抑制作用有限。干涉濾光片和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合組成的分光系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 很少用于紫外激光分光。

發(fā)明內(nèi)容