[發明專利]一種鈉層層析觀測激光雷達及觀測方法

在審

• 申請號: 201911068819.0
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110703278A
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 季凱俊;程學武;楊國韜;閆文兵;季凱杰;楊勇;林鑫;劉林美;鄭金州;李發泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S17/89
• 代理公司: 42001 武漢宇晨專利事務所
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

本發明公開了一種鈉層層析觀測激光雷達，包括脈沖激光器、反射鏡、望遠鏡、準直鏡、濾光片、分光片、第一聚焦鏡、增強型電荷耦合器件、第二聚焦鏡、光子計數卡和計算機。本發明還公開了一種鈉層層析觀測方法。本發明可同時實現對鈉層垂直廓線的觀測和不同高度鈉層水平分布成像觀測，即鈉層三維層析探測。本發明具有探測精度高、探測參量多、時空分辨率高等特點，為鈉層的精細結構觀測研究提供有效手段和科學觀測結果。

技術領域

本發明涉及激光雷達技術領域，具體涉及一種鈉層層析觀測激光雷達，還涉及一種鈉層層析觀測方法。

背景技術

地球上空80-110km高度大氣層懸浮著一層金屬原子層，該層中富含金屬鐵、鈉、鉀、鈣等原子(The mesospheric metal layer topside: Examples of simultaneousmetal observations, J.H?ffner, J.S.Friedman, Journal of Atmospheric andSolar-Terrestrial Physics, 67(13):1226-1237, 2005)。金屬層的結構分布及變化特征受太陽活動、流星注入、地球重力波等諸多因素的影響。精細探測金屬層的細節特征，不僅有利于深入分析金屬層的形成原因及其特性，同時也有利于了解全球氣候變化。金屬原子層中鈉原子具有較高的濃度，且其散射截面相對較大，自上世紀六十年代激光器發明之初就開始進行鈉層熒光激光雷達的探測研究(Atmospheric Sodium measured by a TunedLaser Radar, Nature, 221(1):456-457, 1969)。傳統的鈉層熒光激光雷達是利用一束高功率脈沖589nm激光激發鈉層，利用大口徑接收望遠鏡收集微弱的鈉層回波光信號并送入超高靈敏度的光電倍增管，配合高速光子計數卡，即可獲得鈉層分布隨高度變化特征。由于鈉層信號非常微弱，而用高靈敏光電倍增管接收回波信號是點探測的形式，因此只能獲得鈉層高度分布的垂直廓線。后來發展出鈉層導星(Sodiumlayerlaserguidestarexperimental results, J. Opt. Soc. Am. A, 11(2):825-831, 1994)，即采用準連續或連續高功率激光激發鈉層，利用大口徑接收望遠鏡收集鈉層回波信號送入超高靈敏CCD獲取鈉層水平分布圖像，其目的是獲得一個可調節方位的高亮度穩定鈉星點光源，以代替天上的星星，因此鈉層圖像只有小區域的水平分布，沒有垂直高度分布的能力。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術存在的上述問題，提供一種鈉層層析觀測激光雷達，還提供一種鈉層層析觀測方法，為鈉層的精細結構觀測研究提供手段。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鈉層層析觀測激光雷達，包括脈沖激光器，還包括：

反射鏡，用于反射脈沖激光器的脈沖激光并將反射的脈沖激光豎直射入天空；

望遠鏡，望遠鏡的視場豎直向上且用于接收鈉層共振熒光；

準直鏡，用于對鈉層共振熒光進行準直；

濾光片，用于濾除經準直鏡準直后的鈉層共振熒光中天空背景光噪聲；

分光片，用于將經濾光片濾光后的鈉層共振熒光部分進行反射且部分進行透射；

第一聚焦鏡，用于對經分光片反射的鈉層共振熒光進行聚焦并入射到增強型電荷耦合器件，

增強型電荷耦合器件，用于對鈉層共振熒光進行成像獲得回波圖像文件；

第二聚焦鏡，用于對經分光片透射的鈉層共振熒光進行聚焦并入射到光電探測器，光電探測器輸出電信號到光子計數卡的信號輸入端；

光子計數卡，用于采集光電探測器輸出的電信號生成回波數據文件；

計算機分別與增強型電荷耦合器件和光子計數卡連接。