[發(fā)明專利]一種氣溶膠光學(xué)參數(shù)探測方法及高光譜激光雷達(dá)探測系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN108303706A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 卜令兵;王勤
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88;G01N21/47
• 代理公司: 南京匯盛專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮;裴詠萍

本發(fā)明公開了一種基于高光譜激光雷達(dá)的氣溶膠光學(xué)參數(shù)探測方法及高光譜激光雷達(dá)探測系統(tǒng)，該探測方法采用YAG激光器產(chǎn)生激光，經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具形成若干獨(dú)立的窄帶寬譜線后垂直發(fā)射向大氣，接收大氣的后散射光信號，再經(jīng)同一FP標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行大氣分子瑞利散射信號和氣溶膠米散射信號的分離，通過分別采集大氣的散射信號及大氣分子瑞利散射信號，計算得到氣溶膠光學(xué)參數(shù)。本發(fā)明利用FP標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行大氣分子瑞利散射信號和氣溶膠米散射信號的分離，提高氣溶膠光學(xué)參數(shù)探測的精確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于大氣科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高光譜激光雷達(dá)的氣溶膠光學(xué)參數(shù)探測方法及高光譜激光雷達(dá)探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

廣義來說，大氣氣溶膠一般來說是指半徑范圍為10^-3~10²um的懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)微粒，如植物、土壤塵埃、煙霧、海浪和氟化物等。大氣氣溶膠對光傳輸、環(huán)境以及氣候等有著嚴(yán)重的影響。例如，它可以通過吸收和散射太陽光影響地表溫度；其次，氣溶膠在暈的形成過程中扮演凝結(jié)核的角色，可以通過影響云的光學(xué)特性、云量以及云的壽命進(jìn)而影響降水；再次，煤炭燃燒以及工業(yè)廢氣排放產(chǎn)生的氣溶膠會引起酸雨而導(dǎo)致環(huán)境惡化。因此，對氣溶膠的準(zhǔn)確探測具有著重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

激光雷達(dá)作為一種重要的遙感手段，是通過分析遠(yuǎn)距離目標(biāo)與激光束之間相互作用的回波信號來獲取目標(biāo)性質(zhì)的一種光學(xué)設(shè)備。由于其探測距離遠(yuǎn)，探測精度高等優(yōu)點(diǎn)，激光雷達(dá)在探測氣溶膠領(lǐng)域已成為一種不可或缺的設(shè)備。但是傳統(tǒng)的激光雷達(dá)在探測氣溶膠光學(xué)參數(shù)時由于受到大氣分子瑞利散射信號的干擾，必須借助雷達(dá)系數(shù)這一假設(shè)才能反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)，因此，其探測準(zhǔn)確度受限。相比于傳統(tǒng)的激光雷達(dá)，高光譜激光雷達(dá)在氣溶膠探測精度上具有明顯優(yōu)勢，比如碘分子高光譜激光雷達(dá)對氣溶膠有著很高的探測精度，但是這種高光譜激光雷達(dá)存在一些弊端，這種高光譜激光雷達(dá)使用的是單縱模激光器和高分辨光譜器件，系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴。振動拉曼激光雷達(dá)也可以較為準(zhǔn)確的反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)，但其受太陽背景光影響大，白天很難工作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單的高光譜激光雷達(dá)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過使用傳統(tǒng)的非種子注入Nd：YAG激光器外加一個法布里-珀羅干涉儀（FP標(biāo)準(zhǔn)具）實(shí)現(xiàn)高光譜激光雷達(dá)對氣溶膠的探測。

本發(fā)明提供了一種基于高光譜激光雷達(dá)的氣溶膠光學(xué)參數(shù)探測方法，該探測方法采用YAG激光器產(chǎn)生激光，經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具形成若干獨(dú)立的窄帶寬譜線后垂直發(fā)射向大氣，接收大氣的后散射光信號，再經(jīng)同一FP標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行大氣分子瑞利散射信號和氣溶膠米散射信號的分離，通過分別采集大氣的散射信號及大氣分子瑞利散射信號，計算得到氣溶膠光學(xué)參數(shù)。

進(jìn)一步的，上述氣溶膠光學(xué)參數(shù)的計算方法如下：

（1）所述大氣的后散射光信號分為兩路：一路直接進(jìn)入光電探測器進(jìn)行光子信號接收，為M通道；另一路經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行大氣分子瑞利散射信號和氣溶膠米散射信號的分離后，瑞利散射信號進(jìn)入光電探測器進(jìn)行光子信號接收，為F通道；分別統(tǒng)計兩路通道接收到的光子數(shù)；

（2）由公式7、8表達(dá)兩路通道接收到的光子數(shù)：

式中，、分別為M和F通道接收到的光子數(shù)；、為兩路的分光比；、為兩路的系統(tǒng)常數(shù)，包括激光能量、光學(xué)效率和探測器的量子效率；代表激光雷達(dá)的距離因子；為距離分辨率；為距離分辨率；和分別是氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)；分別是氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)；和分別為氣溶膠和大氣分子散射信號通過FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過率；

（3）根據(jù)公式9以及M和F通道接收到的光子數(shù)比值，計算大氣后向散射比R_b：

式中，K為校準(zhǔn)常數(shù)；