[發明專利]一種多視場偏振激光雷達探測系統及探測冰云的方法

有效

• 申請號: 201810660938.4
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN109061668B
• 公開（公告）日: 2023-02-10
• 發明（設計）人: 卜令兵;謝佳明;姜輔媛
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

本發明公開了一種多視場偏振激光雷達探測系統及探測冰云的方法，其中，多視場偏振激光雷達探測系統包括發射模塊、接收模塊和主控模塊。發射模塊包括激光器、擴束鏡、第一反射鏡；接收模塊包括望遠鏡、第二反射鏡、電動小孔、凸透鏡、濾光片、偏振片、衰減片、偏振分束器、第一至第二光電探測器、信號采集模塊；所述激光器、電動小孔、信號采集模塊分別與主控模塊連接，第一光電探測器、第二光電探測器分別與信號采集模塊連接。該探測方法利用激光器產生532nm波長的激光輻射，通過兩個光學接收通道：平行探測通道、垂直探測通道，分別探測平行、垂直偏振光，通過兩個探測通道計算退偏比，利用退偏比和T?Matrix方法計算云粒子的冰水含量和有效粒子半徑。

技術領域

本發明涉及一種多視場偏振激光雷達探測系統及探測冰云的方法，具體涉及一種通過改變視場角測量反演冰云粒子微物理特性的方法，屬于云粒子探測技術領域。

背景技術

云是地球氣候系統的重要組成部分，60％～70％的地球表面被云覆蓋，對于天氣系統和氣候變化的研究，云的物理特性是重要的考慮因素之一。云的輻射效應顯著影響地氣輻射收支的平衡。云的存在，不僅減少了到達地表的太陽輻射，同時也阻擋了部分地表長波輻射能量地散失，對大氣溫度有直接影響。此外，云的模擬是數值模式中最大的不確定因素和難點之一。云的探測為天氣及氣候模式提供初始場，不同類型云的降水潛力、內部動力特征和云的輻射效應都強烈依賴于其微物理特性，故深入研究云的微物理過程對提高模式的準確性具有重要意義。而且，了解云的微物理特性對于研究實際人工增雨作業及其效果評估具有重要意義。

云的幾個物理量的探測中，探測云粒子的微物理特性是當務之急，如云粒子中的水粒子物理形態、水的含量、水粒子的大小。云中水的相態是一個非常重要的參數指標。如果探測到云中的含水量，假設云中水粒子的粒徑分布滿足某一種特定關系，則云中的粒徑譜分布與含水量之間可用數學公式推導出來，所以，研究云中水含量十分重要。

常規地面觀測為研究云的全球分布和變化以及云對全球氣候的影響積累了大量寶貴的資料，但是人工觀測只能提供云高、云狀等宏觀信息，主觀性強，會對觀測帶來較大誤差。各種遙感設備的應用使人們獲得了更為準確連續的云物理特性信息，衛星遙感有其獨特的特點，在衛星軌道上對全球云的分布進行觀測，在云物理特性測量方面，它只能從整體上去區分水的相態是水相還是冰相，但不能從微觀上對云中的水粒子進行區分，并且在出現多層重疊云時會出現觀測方面的問題，在低云的觀測等方面也存在問題。機載云粒子測量儀是目前常用的人影響天氣的儀器，能夠對飛機飛行路徑上的云粒子的各種參數進行測量，能夠測量云粒子的粒徑以及云中的含水量，機載云粒子探測器可以直接測量云粒子，結果較為準確，但是費用相對其他觀測方式比較高，觀測次數受到限制。普通天氣雷達由于其波長的限制，對云的微物理特性探測能力也有限，隨著毫米波技術的發展，毫米波成為了觀測云最常用的手段，相比于普通的天氣雷達，毫米波測云雷達是探測云的理想工具，具有較高的時空分辨率且能連續觀測，但對大粒子更為敏感，很難探測到較薄的卷云，激光雷達相比于毫米波雷達，更有其獨特的優勢：空間分辨率方面，其距離分辨率的最小值為1.5m，比毫米波雷達的空間分辨能力要強；對于波長，毫米波雷達的波長一遍是3mm或者8mm，對于大多數云來說，該波長遠大于云粒子的大小，因此其探測能力肯定受到一定程度的限制，尤其是對薄云中小粒子的探測能力，而激光雷達的波長一般小于1微米，對云中各種粒子的探測能力更強，并且能夠監測到毫米波無法監測到的小粒子薄云。技術方面，毫米波雷達的造價和維護的費用比較昂貴，相比于毫米波雷達，激光雷達的各項技術均已成熟，系統更為簡潔，運行維護的費用相對更低，在以后的普及中更有優勢。但是，傳統的激光雷達僅能測量單一視場角下的激光雷達回波，根據Mie散射理論，單一視場角的激光雷達回波無法反映云粒子的尺度譜信息，因此，多視場激光雷達對于研究云的微物理參數具有重要的意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種多視場偏振激光雷達探測系統及探測冰云的方法，該方法通過改變視場角的大小，獲得不同視場角下的云粒子的后向散射信號，通過使用T-Matrix方法進而得到云粒子的橫縱比、等效粒徑以及冰水含量。