一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統技術方案

本發明專利技術公開了一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統。系統包括發射單元、光學接收與信號檢測單元和控制單元。發射單元采用種子注入的固體激光器輸出極窄線寬的532.23?nm激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集大氣物質后向散射光，同時提取彈性回波信號及N

A lidar system for accurate measurement of atmospheric temperature and aerosol parameters all day long

The invention discloses a lidar system for accurately measuring atmospheric temperature and aerosol parameters all day long. The system consists of transmitting unit, optical receiver and signal detecting unit and control unit. A very narrow output of solid state laser emission unit using seed injection 532.23 nm laser linewidth direction and zenith; optical receiving and signal detection unit to collect atmospheric backscattering light material, the simultaneous extraction of elastic echo signal and N

【技術實現步驟摘要】
一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統
本專利技術屬于激光雷達遙感探測
，具體涉及一種能夠全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠消光系數、體后向散射系數的激光雷達系統。
技術介紹
當激光在大氣中傳播時，會與大氣分子(主要為N2和O2分子)及氣溶膠粒子相互作用而產生次級輻射。次級輻射包括彈性的Mie散射(由氣溶膠粒子產生)、Rayleigh散射(由大氣分子產生)，以及非彈性的Raman散射。彈性散射譜信號波長與發射激光波長幾乎無差異，Raman散射譜信號波長與發射激光波長不同。分子的Raman散射譜包括振轉Raman散射譜和純轉動Raman散射譜。在頻譜上，振轉Raman譜遠離彈性譜，純轉動Raman譜的Stokes譜和Anti-Stokes譜分居彈性譜兩側。圖1展示了在532.23nm激光輻射下，大氣N2和O2分子產生的Anti-Stokes純轉動Raman譜譜線的頻譜分布。其中，N2分子純轉動Raman譜譜線間距～0.22nm,O2分子由于偶數J譜線缺失而實際譜線間距～0.32nm，二者譜線在頻譜上交疊。純轉動Raman測溫激光雷達常通過提取大氣分子在不同頻譜位置的兩組純轉動Raman譜線信號來獲取溫度剖面。理想情況下，倘若純轉動Raman測溫激光雷達采用的濾波光學元件具有足夠窄帶寬，能夠準確提取出源自N2或O2分子的兩支純轉動Raman單譜線信號，各Raman通道雷達方程可表示為：上式中，N代表提取的單譜線回波強度，J代表轉動量子數，C為系統常數，z為探測高度，n為大氣分子數密度，σ為微分后向散射截面，T代表溫度，下標a與m分別代表氣溶膠和大氣分子，α為消光系數。其測溫的理論依據是：在熱平衡狀態下，低空各種大氣分子的布居數滿足Boltzmann分布，進而分子純轉動Raman譜線對應的回波強度與溫度相關。對大氣分子任意兩支純轉動Raman單譜線回波信號的強度比R，與溫度關系在形式上都可準確表述為(A與B為常數)：然而，受元件工藝水平等因素的限制，當前常見的純轉動Raman測溫激光雷達各Raman通道多采用帶寬0.5-1.0nm的濾波器件提取譜線回波信號。由圖1可知，大氣N2和O2分子產生的純轉動Raman譜在頻譜上密集分布且存有交疊，此時各Raman通道實際提取的信號并非純轉動Raman單支譜線信號，而是多支大氣N2和O2分子純轉動Raman譜線信號的合成：上式中，i(＝1,2)代表兩路Raman探測通道，J_N2與J_O2分別代表能夠進入各Raman通道的源自N2和O2分子的各支純轉動Raman譜線信號對應的轉動量子數。此時，兩組Raman信號的比值與溫度關系在理論上并不嚴格遵循(2)式，依舊采用兩路Raman信號的比值進行溫度反演會引入系統誤差。Mie散射激光雷達通過接收彈性回波以獲取大氣氣溶膠的光學參數信息，對應的雷達方程可表示為：其中，下標e代表彈性散射，β為體后向系數。在式(4)中，大氣分子的消光系數αm和體后向系數βm常可由無線電探空數據獲得，可視作已知量，氣溶膠消光系數αa和體后向系數βa為待求量。考慮到僅由雷達方程(4)不能同時求解出兩個未知量αa和βa，Fernald(1984)首次假定氣溶膠消光系數與體后向散射系數之比(即雷達比)在所有探測高度上為一個給定常數值，然后發展出氣溶膠消光系數與后向體散射系數的求解算法。該算法的主要缺陷是需預先設定雷達比。對實際大氣而言，雷達比在所有探測高度上為同一常數值的假設通常不成立。另一種求解氣溶膠光學參數的方法是，聯合Mie散射回波信號和N2分子振轉Raman回波信號：先借助Raman回波信號獲取N2分子Raman頻移后波長對應的氣溶膠消光系數，然后假定不同波長λ處氣溶膠消光系數滿足Angstrom關系(t為給定常數)：則發射激光波長處氣溶膠消光系數求出，再代入方程(4)可求出氣溶膠體后向散射系數。這種方法的缺陷是，需要假定氣溶膠在不同波長處對應的消光系數滿足Angstrom關系，該假定尚需檢驗。
技術實現思路
對圖1進一步分析發現，在532.23nm激光輻射下，N2分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16兩支譜線在頻譜上與相鄰O2分子譜線有相對更大的譜線間距(>0.14nm)，其對應譜線信號具備被常規濾波器件提取的可能性。據此，我們建議研發一種新型的激光雷達系統：系統組合窄帶濾光片和FPI干涉儀實現對N2分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16兩支單譜線信號的提取。具體為，首先采用帶寬0.3-0.5nm、中心波長分別位于J＝6與16兩支譜線波長處的窄帶濾光片初步提取譜線信號及抑制帶外信號，再組合極窄帶寬的(例如，～30pm)、透過率峰值分別位于J＝6與16兩支譜線波長處的FPI干涉儀進一步抑制相鄰O2分子譜線信號及彈性回波信號。這樣，提取出的兩支譜線信號比值與溫度的關系可以很好地滿足(2)式，該種雷達在理論上具備更高的測溫精度。另外，考慮到在532.23nm激光輻射時，提取的兩支譜線信號波長與發射激光波長差異很小(<4nm)，其與發射激光波長對應的大氣透過率差異可忽略。聯立(1)式和(4)式有：上式中z0代表參考高度，T0代表參考高度處溫度。選擇高度對應潔凈區域時，βa＝0，進而常數值C0可求。將(6)式中解得的氣溶膠體后向散射系數結果代入(4)式，則氣溶膠消光系數值可求。可見，該類型雷達借助測得的大氣溫度結果，可無需假設得到氣溶膠消光系數和體后向散射系數剖面。另外，雷達系統采用極窄帶寬的FPI干涉儀提取Raman信號，可在白天條件下工作，因而具備全天時工作潛力！為此，本專利技術提出一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統。系統由發射單元、光學接收與信號檢測單元和控制單元組成。發射單元采用種子注入的固體激光器輸出極窄線寬的532.23nm激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質的后向散射光，同時提取彈性回波信號及N2分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16的兩支單譜線信號；控制單元保障整個雷達系統自動有序工作。為了實現上述目的，本專利技術提供的技術方案是：一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，系統由發射單元、光學接收與信號檢測單元和控制單元組成。發射單元采用種子注入的大功率固體激光器輸出極窄線寬的激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質的后向散射光；控制單元保障整個雷達系統有序工作；所述發射單元采用種子注入的固體激光器輸出單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz，線寬<0.006cm-1的532.23nm激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元中兩個Raman通道組合窄帶干涉濾光片和FPI干涉儀分別提取N2分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16兩支單譜線信號，對532.23nm附近光產生優于8個量級的抑制，對鄰近O2分子譜線信號產生優于1.5個量級的抑制；系統視場～0.4mrad，彈性通道帶寬0.3nm，雙Raman通道帶寬30pm，具備全天時工作能力。發射單元包括種子激光器、固體激光器、擴束鏡、發射臺。種子激光器產生極窄線寬的1064nm紅外基頻光。基頻光由光纖導入固體激光器諧振腔內，經放大后再本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，包括發射單元、光學接收與信號檢測單元、控制單元；發射單元采用種子注入的大功率固體激光器輸出極窄線寬的激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質的后向散射光；控制單元保障整個雷達系統有序工作，其特征在于：所述發射單元采用種子注入的固體激光器輸出單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz，線寬<0.006cm

【技術特征摘要】
1.一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，包括發射單元、光學接收與信號檢測單元、控制單元；發射單元采用種子注入的大功率固體激光器輸出極窄線寬的激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質的后向散射光；控制單元保障整個雷達系統有序工作，其特征在于：所述發射單元采用種子注入的固體激光器輸出單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz，線寬<0.006cm-1的532.23nm激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元中兩個Raman通道組合窄帶干涉濾光片和FPI干涉儀分別提取N2分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16兩支單譜線信號，對532.23nm附近光產生優于8個量級的抑制，對鄰近O2分子譜線信號產生優于1.5個量級的抑制；系統視場～0.4mrad，彈性通道帶寬0.3nm，雙Raman通道帶寬～30pm，具備全天時工作能力。2.如權利要求1所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：所述發射單元包括種子激光器、固體激光器、擴束鏡、發射臺；種子激光器產生極窄線寬的1064nm紅外基頻光；基頻光由光纖導入固體激光器諧振腔內，經放大后再由二倍頻晶體倍頻產生線寬<0.006cm-1，單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz的532.23nm激光輸出；擴束鏡以8倍倍率放大來射激光直徑和壓縮來射激光發散角；發射臺以>99.5％的反射率將水平來射激光導向天頂方向。3.如權利要求2所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：所述光學接收與信號檢測單元包括望遠鏡、光闌、反射鏡、準直鏡、分束鏡BS1、干涉濾光片IF3、匯聚鏡L3、探測器3、分束鏡BS2、干涉濾光片IF2、法布里-玻羅干涉儀FPI2、匯聚鏡L2、探測器2、干涉濾光片IF1、法布里-玻羅干涉儀FPI1、匯聚鏡L1、探測器1；望遠鏡收集大氣后向散射光信號；光信號穿過光闌后由反射鏡轉折并照射準直鏡，準直鏡將來射光變為平行光；光闌定位在望遠鏡焦面上，直徑設置為0.8mm以控制系統視場為～0.4mrad；BS1反射10％入射信號光照射IF3，經L3匯聚后由探測器3接收；BS1透射剩余～90％入射信號光照射BS2；BS2以1:1的比例反射與透射入射平行光；BS2反射的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：易帆，翁淼，柳付超，張云鵬，余長明，何裕金，譚瑩，易洋，潘向亮，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42