一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置製造方法

2023-09-24 04:54:25 2

一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，裝置工作在532nm、355nm和387nm波長，有4個探測通道，光源為Nd：YAG固體雷射器，發射光學設計使用單一的多波長耦合發射望遠鏡，接收光學系統設計使用高效率小口徑的接收望遠鏡，後繼光學設計使用多通道後繼光學系統，便於擴展，具有高防護等級和高抗電磁幹擾能力；探測波長532nm和355nm波長的探測光共用一個發射望遠鏡，發射光學系統和接收光學系統同軸設計，系統具有較小的探測盲區。系統設計有387nm波長氮氣拉曼探測通道，可以實現近地面層雷射雷達比的探測，保證了系統探測精度，實現對大氣細粒子多參數同步遙感探測。裝置可以任意角度發射到大氣中，實現對大氣細粒子時空分布特徵進行全天候在線觀測，具有探測精度高、反演誤差小、時間和空間解析度高等優點。
【專利說明】一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷射雷達光學遙測裝置，具體為一種實現大氣細粒子時空分布特徵高精度全天候探測的新型雷射雷達裝置。
【背景技術】
[0002]大氣細粒子是一類更小的汙染物，它的直徑一般不超過2.5微米，因此對光的散射作用更強，在不利的氣象條件下很容易導致灰霾的形成。這些顆粒物本身很可能就是有害氣體或重金屬，對人體造成傷害；另一方面，它們還可成為病毒和細菌的載體，為呼吸道傳染病的傳播推波助瀾。
[0003]20世紀80年代以來我國社會經濟進入高速發展階段，短短20多年的時間就走完了發達國家上百年的發展路程，再之，由於很多企業採取了粗獷性生產經營方式，汙染物排放總量和排放強度大，導致本應在不同階段出現的生態與環境問題在短期內集中體現和爆發出來，主要汙染物排放量遠遠超過環境容量，致使我國環境遭受了嚴重的汙染，形勢空前嚴峻。雖然經過多年的努力，中國大氣汙染狀況有一些改善，但是，中國大氣環境質量(特別是城市大氣環境質量)並沒有得到根本好轉，目前仍然處於局部改善、整體惡化的發展態勢，並表現出區域性和複合型的新特徵。其中，高濃度大氣細粒子形成的灰霾汙染現象，頻繁出現在京津冀、珠三角和長三角等經濟發達地區，是我國目前急需解決的大氣汙染問題。
[0004]儘管我國已建立了以城市為中心的空氣品質自動監測站網，每天對風速、風向、能見度、S02、N02和PMlO等進行監測，這些自動監測站大多數的停留在對氣象條件的統計和常規汙染的監測，不能完全反映大氣汙染的實際狀況，使空氣品質評價結果與公眾直觀感受不一致。研究表明，大氣細粒子是大氣光化學反應主要的產物之一，大氣細粒子對大氣消光的貢獻大於80%，是造成大氣灰霾現象的重要原因；當前，科學的解釋空氣品質指數(API)與公眾觀感的差異主要取決於細粒子在大氣顆粒物中比例決定的。
[0005]雷射雷達作用一個為重要光學遙感探測手段，可以實現整個對流層大氣氣溶膠消光垂直廓線的探測、大氣水平能見度、以及顆粒物粒子特性的探測，可以有效彌補當前我國在大氣顆粒物遙感探測不足，有助於開展氣溶膠細粒子的來源分布，分析大氣顆粒物特性，解析灰霾天氣的細粒子時空分布，分析大氣邊界層以上沙塵和捲雲特性及混合層厚度和動態結構的時間演變。
[0006]而目前，能夠實現對大氣細粒子時空分布特徵自動探測設備極為匱乏，沒有儀器能夠自動在線實時對大氣細粒子時空分布特性進行探測。目前，用於的大氣顆粒物探測的雷射雷達主要有兩類，一類是探測波長為532nm和1064nm的Mie散射雷射雷達，尤其是532nm探測波長的雷射雷達。包括單波長米散射雷射雷達、微脈衝雷射雷達和帶有偏振探測特性的Mie散射雷達等等，其探測使用的雷射器為燈泵Nd:YAG固體雷射器或者半導體泵浦Nd:YAG,輸出比較穩定，線偏振度比較高，NdiYAG雷射器增益大，雷射閾值低，晶體導熱性能好，可以高重複率輸出，一般幾十Hz是很容易達到的。大氣在532nm波長區域以散射為主，吸收很小，大氣氣溶膠和捲雲對532nm波長的後向散射截面較大,光電倍增管在該波長區域的量子效率較高。以532nm波長為光源的雷射雷達適合於大氣中沙塵、捲雲和大顆粒物氣溶膠的探測，從Mie散射理論可知，這個探測波長不利於對大氣細顆粒物探測。
[0007]另一類是以355nm為探測波長的雷射雷達，波長355nm的雷射主要是利用Nd:YAG固體雷射器獲得，雷射器輸出穩定，商業化光源容易獲得，355nm波長雷射比532nm波長更短，能夠觀測到細小的粒子。利用355nm波長雷射光源進行大氣探測的雷達又可細分為兩種，一種為355nm波長Mie散射雷射雷達，這種雷射雷達的探測系統僅僅接收355nm波長探測波長產生的彈性散射信號，數據反演時用Mie散射雷射雷達方程進行求解，這種雷射雷達雖然能夠觀測大氣細粒子的信息，但是使用Mie散射雷射雷達方程求解消光係數時，需要假設雷射雷達比引入誤差，進行影響大氣細粒子觀測結果。另一種為355nm波長拉曼Mie散射雷射雷達，這種雷射雷達的探測系統接收355nm波長探測波長產生的彈性散射信號和非彈性散射信號，355nm探測波長激發大氣中濃度最高且比較穩定的氣體分子的喇曼散射(中心波長在386.7nm),望遠鏡接收到的喇曼散射信號只包含有氣溶膠的消光，而與氣溶膠的後向散射係數無關，因此可以通過非彈性散射信號獲取氣溶膠的消光係數，這種數據反演時不需要像Mie散射方程求解那樣假定雷射雷達比，能夠獲取更加準確的消光係數，進而得到更為準確的大氣細粒子信息。這種雷射雷達是當前大氣細粒子雷射雷達探測所需要的，但是目前該類雷射雷達裝置均為實驗級設備，其發射系統結構一般如本 申請人:之一中國科學院安徽光學精密機械研究所的一份中國專利CN200910185155.6(授權公告日為2010年4月7日)中描述過的雷射雷達對稱分布式光束髮射接收方法與裝置，可調諧的光學器件很多，發射系統相對比較複雜；而接收光學裝置如中國科學院安徽光學精密機械研究所的一份中國專利CN200510038204.5(授權公告日為2005年8月24日)中描述過的Raman-Mie散射雷射大氣信號的探測方法及雷射雷達，接收望遠鏡口徑均大於400mm，接收系統均比較複雜和龐大，不適合無人值守自動化業務監測運行使用。而本發明裝置發明設計多波長共軸發射望遠鏡、雷射雷達接收光學系統和多通道後繼光學系統等等，使得系統具有更好的穩定性、探測效率和精度，滿足業務部門對大氣細粒子長時間無人值守業務化運行的需要。

【發明內容】

[0008]本發明要解決的技術問題是提供一種大氣細粒子時空分布拉曼-米散射雷射雷達測量裝置，實現對大氣細粒子時空分布進行高精度高解析度的自動連續在線業務化探測；創新地使用了多波長共軸發射望遠鏡，進行大氣細粒子時空分布特性進行探測，設計了高效率和高穩定性的接收光學系統和後繼光學系統，利用小口徑望遠鏡實現了喇曼散射信號探測，降低了由於假定雷射雷達比對消光係數反演帶入的誤差，提高大氣細粒子時空分布信息的反演精度，解決了拉曼米散射雷射雷達系統的光學結構複雜穩定性差的問題，滿足了當前業務部門對大氣細粒子長時間業務化自動在線探測的需要。
[0009]本發明技術解決方案:一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於包括:大氣細粒子探測光源1、多波長共軸發射望遠鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、雷射雷達接收光學系統5、多通道後繼光學系統6、雷射雷達底座7、計算機9、瞬態記錄儀10 ;所述大氣細粒子探測光源I和多波長共軸發射望遠鏡2搭載在雷射雷達接收光學系統5上，隨雷射雷達接收光學系統5 —起轉到，所述大氣細粒子探測光源I為小型化全固化Nd = YAG雷射器，發射中心波長為532nm和355nm的探測光，兩個波長探測光的光軸同軸，均被多波長共軸發射望遠鏡2進行準直擴束，兩探測光束的發射角均被壓縮至0.4mrad，被準直擴束後的532nm波長探測光和355nm波長探測光的具有較好的同軸性，兩探測光的偏離角小於0.1mrad ;所述多波長共軸發射望遠鏡2為多波長消色差準直擴束望遠鏡，在紫外光355nm波長和可見光532nm波長具有大於85%的透過率；多波長共軸發射望遠鏡2入瞳直徑5mm，出瞳直徑30mm，擴束倍數為10倍；所述第二反射鏡4位於雷射雷達接收光學系統5光軸上，中心波長為532nm和355nm探測光經第二反射鏡4後沿雷射雷達接收光學系統5光軸發射到大氣中；所述雷射雷達接收光學系統5安裝在雷射雷達底座7上，能夠實現任意俯仰角度調整，雷射雷達接收光學系統5探測口徑200mm，系統焦距為2000mm，F數為F/10，遮擋區域比為18%，雷射雷達接收光學系統5鍍高反射介質膜，對532nm波長的可見光反射率大於98%，對355nm波長和387nm波長的紫外光反射率大於95%，雷射雷達接收光學系統5對探測光的總透過率優於70% ;所述多通道後繼光學系統6安裝在雷射雷達接收光學系統5後端，二者光軸重合，多通道後繼光學系統6具有密閉殼金屬外殼，具有IP5的防護等級和A級抗電磁幹擾能力，避免外界雜散光和電磁信號對系統的幹擾，能夠在複雜環境實現對9個數量級動態範圍的信號光探測，能夠同時完成4個通道光信號的分光與探測，探測通道數可擴展至5個，不同通道間光信號隔離能力優於46dB，能夠實現弱信號光的高靈敏探測；所述計算機9自動控制系統各部件工作，計算機9分別與雷射器電源8和瞬態記錄儀10連結，實時監控大氣細粒子探測光源1、雷射器電源8和瞬態記錄儀10的工作狀態，如果監測系統各部件工作狀態正常，計算機9首先給信號雷射器電源8和瞬態記錄儀10發送工作信號指令，兩部件進入預工作狀態，同時向計算機9返回信號；雷射器電源8完成對自身和大氣細粒子探測光源I自檢和預熱後，發射雷射脈衝開始工作，並向瞬態記錄儀10發送同步信號，瞬態記錄儀10開始進行數據採集，並向計算機9發送其工作狀態的信號，計算機9開始採集計數和計時，瞬態記錄儀10同步從387nm探測器27、355nm探測器31、532nm_P探測器35和532nm-S探測器39進行數據採集，並將實際採集脈衝數實時傳送給計算機9，計算機9根據瞬態記錄儀10反饋的實際採集脈衝數進行計時，計時脈衝數結束後，計算機9向雷射器電源8和瞬態記錄儀10發送工作信號指令發送停止工作命令，計算機9對採集數據存儲和數據反演工作。
[0010]所述的多波長共軸發射望遠鏡2由K9負透鏡12、氟化鋇正透鏡13、K9正透鏡
14、氟化鋇負透鏡15和K9負透鏡16組成，所述K9負透鏡12前面和後面的曲率半徑分別為-9.12mm和-13.2mm,氟化鋇正透鏡13前面和後面曲率半徑分別為45mm和25mm, K9負透鏡12與氟化鋇正透鏡13組成第一膠合鏡，置於入瞳法蘭19中，由壓圈20固定後，與入瞳法蘭19可以沿多波長共軸發射望遠鏡2光軸進行前後移動，便於進行調節；K9正透鏡14、氟化鋇負透鏡15和Κ9負透鏡16組成第二膠合鏡，放置在多波長共軸發射望遠鏡2的輸出端由壓圈17固定；所述Κ9正透鏡14的前面和後面曲率半徑分別為145mm和95mm，K9正透鏡14前面和後面的曲率半徑分別為145mm和95mm,氟化鋇負透鏡15的前面和後面的曲率半徑為-78.6mm和_98mm，K9負透鏡16前面和後面曲率半徑分別為5Imm和95.8mm ;多波長共軸發射望遠鏡2長150mm，氟化鋇正透鏡13後面與K9正透鏡14前面距離在120_130mm之間；
[0011]所述的多通道後繼光學系統6使用模塊化免調諧設計，結構緊湊，信號間隔離度高，易擴展，光學穩定性高，應用範圍廣，通過更換光學元件便可應用於其他領域的雷射雷達裝置上。首先不同波長的回波信號，經可調諧小孔光闌21，進入通道後繼光學系統6，小孔光闌21通光孔徑調諧範圍為1_-5_，經過準直透鏡22後，不同波長的回波信號變為準平行光束，準直透鏡22為焦距120_石英透鏡，前後面均鍍有對紫外和可見光增透的介質膜；準直後的平行光束經第一分光鏡23後,波長387nm的信號光被反射,而波長355nm和532nm信號光被透射，波長387nm的信號光經第一 45°反射鏡24發射，依次通過387nm濾光片25與387nm聚集鏡26，進入387nm探測器27轉換為387nm探測通道電信號；而波長355nm和532nm信號光進入第二分光鏡28,波長532nm信號光被發射,而波長355nm的信號光被透射，波長355nm的信號光依次通過355nm濾光片29和355nm聚集鏡30,進入355nm探測器31轉換為355nm探測通道電信號；波長532nm信號光經檢偏振稜鏡32被分為532nm_P信號光和532nm_S信號光,532nm_P信號光被檢偏振稜鏡3245°發射,依次通過第一 532nm濾光片33和532nm-P聚焦鏡34，進入532nm_P探測器35轉換532nm_P探測通道電信號，532nm-S信號光透過檢偏振稜鏡32，被第二 45°發射鏡36發射，依次通過第二 532nm濾光片37和532nm-S聚焦鏡38，進入532nm_S探測器39轉換532nm_S探測通道電信號。
[0012]中心波長為532nm和355nm探測光的光軸與雷射雷達接收光學系統5光軸同軸，雷射雷達裝置探測盲區小於100m，能夠實現近地面層汙染物探測；裝置實現對大氣顆粒物中細粒子和超細粒子探測，其能夠響應的最小粒徑約為10nm。
[0013]所述大氣細粒子探測光源I和瞬態記錄儀10同步進行採集工作，同步時間誤差小於10ns，雷射雷達裝置距離分辨誤差優於3m ;利用拉曼信號來校正米散射信號，提高消光係數反演準確性，對消光係數的計算誤差優於10% ;實現大氣細粒子物理特性、光學特性、質量濃度、輸送通量及汙染來源多參數化反演，所述裝置能夠實現無人值守全天候運行，自動完成數據採集分析，能夠實現網絡化和自動化運行。
[0014]本發明與現有技術相比的有益效果:
[0015](I)本發明中多波長共軸發射望遠鏡是一種多波長消色差準直擴束望遠鏡，由3片K9材質的透鏡和2片氟化鋇材質的透鏡組成，可應用於紫外和可見光的擴束準直，在355nm波長和532nm波長透過率大於85%，同時對多波長光束進行10倍準直擴束，具有很好消除色差能量，且保證擴束後兩束光偏離角度小於0.lmrad。未在已公開的技術文獻中看到具備此技術參數的多波長消色差準直多波長共軸發射望遠鏡的報導，已公開的技術文獻中，準直多波長共軸發射望遠鏡一般工作在單一波長、或僅在可見光譜，或僅在紫光光譜範圍內，而本發明中的多波長消色差準直擴束望遠鏡能夠同事工作在可見光和紫外光光譜範圍，且有效地消除不同波長間色差，保證了光束具有很小偏離角度。此外在材質選擇方面，使用低成本廉價的K9玻璃和氟化鋇玻璃，極大降低了生產成本。
[0016](2)本發明中雷射雷達發射光學單元使用了一個多波長共軸發射望遠鏡替代了多個單波長發射望遠鏡，這種設計方法，實現了在雷射雷達發射光學單元中，不使用分光鏡和折返鏡，減少了反射鏡的個數，進而減少在分光和反射過程中，對探測光帶來的能量損傷和光束偏振態等參數的變化，同時減少元器件為系統引入的不穩定因素；此外，本發明使得不同探測光束光軸與雷射雷達接收光學系統光軸之間夾角具有相同誤差，而因此參數導致的不同探測光束的雷射雷達探測盲區和過渡區相同，在後期反演過程這些變量可以約分計算，減少了雷射雷達裝置在波長比或Angstrom指數等參數反演的盲區和過渡區，增加了雷射雷達裝置的探測能力。[0017](3)本發明中裝置可以實現對大氣顆粒物中細粒子和超細粒子探測，能夠探測最小粒徑約為IOnm的超細粒子，裝置具有更高探測精度，更小的探測誤差，能夠實現大氣細粒子，對消光係數計算誤差優於10% ;實現大氣細粒子質量濃度、輸送通量、汙染來源等物理和光學特性的多參數化反演。
[0018](4)本發明中使用了小口徑望遠鏡實現了氮氣拉曼散射信號探測，減少了發射光學單元和接收光學單元中的元件數量，結構上更加穩定和緊湊，有利於產業化和業務化長時間自動運行。
[0019](5)本發明能夠實現無人值守全天候運行，自動完成數據採集分析，能夠實現網絡化和自動化運行；實現大氣細粒子物理特性、光學特性、質量濃度、輸送通量及汙染來源多參數化反演。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明探測裝置的組成框圖；
[0021]圖2為多波長共軸發射望遠鏡組成框圖；
[0022]圖3為多通道後繼光學系統組成框圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發明的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置設置有大氣細粒子探測光源1、多波長共軸發射望遠鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、雷射雷達接收光學系統5、多通道後繼光學系統6、雷射雷達底座7、計算機9、瞬態記錄儀10 ;大氣細粒子探測光源I和多波長共軸發射望遠鏡2搭載在雷射雷達接收光學系統5上，隨雷射雷達接收光學系統5 —起轉到，大氣細粒子探測光源I為小型化全固化Nd: YAG雷射器，發射中心波長為532nm和355nm的探測光，兩個波長探測光的光軸同軸，均被多波長共軸發射望遠鏡2進行準直擴束，兩探測光束的發射角均被壓縮至0.4mrad，被準直擴束後的532nm波長探測光和355nm波長探測光的具有較好的同軸性，兩探測光的偏離角小於0.1mrad ；多波長共軸發射望遠鏡2為多波長消色差準直擴束望遠鏡，在紫外光355nm波長和可見光532nm波長具有大於85%的透過率；多波長共軸發射望遠鏡入瞳直徑5mm，出瞳直徑30mm，擴束倍數為10倍；所述第二反射鏡4位於雷射雷達接收光學系統5光軸上，中心波長為532nm和355nm探測光經第二反射鏡4後沿雷射雷達接收光學系統5光軸發射到大氣中；所述雷射雷達接收光學系統5安裝在雷射雷達底座7上，能夠實現任意俯仰角度調整，雷射雷達接收光學系統5探測口徑200mm，系統焦距為2000mm，F數為F/10，遮擋區域比為18%，雷射雷達接收光學系統5鍍高反射介質膜，對532nm波長的可見光反射率大於98%，對355nm波長和387nm波長的紫外光反射率大於95%，雷射雷達接收光學系統5對探測光的總透過率優於70% ;多通道後繼光學系統6安裝在雷射雷達接收光學系統5後端，二者光軸重合，通道後繼光學系統6具有密閉殼金屬外殼，具有IP5的防護等級和A級抗電磁幹擾能力，避免外界雜散光和電磁信號對系統的幹擾，能夠在複雜環境實現對9個數量級動態範圍的信號光探測，能夠同時完成4個通道光信號的分光與探測，探測通道數可擴展至5個，不同通道間光信號隔離能力優於46dB，能夠實現弱信號光的高靈敏探測；計算機9自動控制系統各部件工作，計算機9分別與雷射器電源8和瞬態記錄儀10連結，實時監控大氣細粒子探測光源1、雷射器電源8和瞬態記錄儀10的工作狀態，如果監測系統各部件工作狀態正常，計算機9首先給信號雷射器電源8和瞬態記錄儀10發送工作信號指令，兩部件進入預工作狀態，同時向計算機9返回信號；雷射器電源8完成對自身和大氣細粒子探測光源I自檢和預熱後，發射雷射脈衝開始工作，並向瞬態記錄儀10發送同步信號，瞬態記錄儀10開始進行數據採集，並向計算機9發送其工作狀態的信號，計算機9開始採集計數和計時，瞬態記錄儀10同步從387nm探測器27、355nm探測器31、532nm_P探測器35和532nm_S探測器39進行數據採集，並將實際採集脈衝數實時傳送給計算機9，計算機9根據瞬態記錄儀10反饋的實際採集脈衝數進行計時，計時脈衝數結束後，計算機9向雷射器電源8和瞬態記錄儀10發送工作信號指令發送停止工作命令，計算機(9)對採集數據存儲和數據反演工作。
[0024]本發明工作過程:所述多波長共軸發射望遠鏡2結構組成如圖2所示，由K9負透鏡12、氟化鋇正透鏡13、K9正透鏡14、氟化鋇負透鏡15和Κ9負透鏡16組成，所述Κ9負透鏡12前面和後面的曲率半徑分別為-9.12mm和-13.2mm,氟化鋇正透鏡13前面和後面曲率半徑分別為45mm和25mm，K9負透鏡12與氟化鋇正透鏡13組成第一膠合鏡，置於入瞳法蘭19中，由壓圈20固定後，與入瞳法蘭19可以沿多波長共軸發射望遠鏡光軸進行前後移動，便於進行調節；K9正透鏡14、氟化鋇負透鏡15和Κ9負透鏡16組成第二膠合鏡，放置在多波長共軸發射望遠鏡的輸出端由壓圈17固定；所述Κ9正透鏡14的前面和後面曲率半徑分別為145mm和95mm，K9正透鏡14前面和後面的曲率半徑分別為145mm和95mm，氟化鋇負透鏡15的前面和後面的曲率半徑為-78.6mm和_98mm，K9負透鏡16前面和後面曲率半徑分別為51mm和95.8mm ;多波長共軸發射望遠鏡長150mm,氟化鋇正透鏡13後面與K9正透鏡14前面距離在120-130mm之間；
[0025]本發明工作過程:所述多通道後繼光學系統6使用模塊化免調諧設計，結構緊湊，信號間隔離度高，易擴展，光學穩定性高，應用範圍廣，通過更換光學元件便可應用於其他領域的雷射雷達裝置上，多通道後繼光學系統6結構組成如圖3所示。不同波長的回波信號，經可調諧小孔光闌21，進入通道後繼光學系統6，小孔光闌21通光孔徑調諧範圍為lmm-5mm，經過準直透鏡22後，不同波長的回波信號變為準平行光束，準直透鏡22為焦距120_石英透鏡，前後面均鍍有對紫外和可見光增透的介質膜；準直後的平行光束經第一分光鏡23後,波長387nm的信號光被反射,而波長355nm和532nm信號光被透射,波長387nm的信號光經第一 45°反射鏡24發射，依次通過387nm濾光片25與387nm聚集鏡26，進入387nm探測器27轉換為387nm探測通道電信號；而波長355nm和532nm信號光進入第二分光鏡28,波長532nm信號光被發射,而波長355nm的信號光被透射,波長355nm的信號光依次通過355nm濾光片29和355nm聚集鏡30，進入355nm探測器31轉換為355nm探測通道電信號；波長532nm信號光經檢偏振稜鏡32被分為532nm_P信號光和532nm_S信號光，532nm-P信號光被檢偏振稜鏡3245°發射，依次通過第一 532nm濾光片33和532nm_P聚焦鏡34，進入532nm-P探測器35轉換532nm_P探測通道電信號，532nm_S信號光透過檢偏振稜鏡32，被第二 45°發射鏡36發射，依次通過第二 532nm濾光片37和532nm_S聚焦鏡38，進入532nm-S探測器39轉換532nm_S探測通道電信號；本發明裝置中心波長為532nm和355nm探測光，發射光學光軸與雷射雷達接收光學系統5光軸同軸，雷射雷達裝置探測盲區小於100m，能夠實現近地面層汙染物探測；裝置實現對大氣顆粒物中細粒子和超細粒子探測，其能夠響應的最小粒徑約為IOnm ;大氣細粒子探測光源I和瞬態記錄儀10同步進行採集工作，同步時間誤差小於10ns，雷射雷達裝置距離分辨誤差優於3m ;利用拉曼信號來校正米散射信號，提高消光係數反演準確性，對消光係數的計算誤差優於10% ;實現大氣細粒子質量濃度、輸送通量、汙染來源等物理和光學特性的多參數化反演，所述裝置能夠實現無人值守全天候運行，自動完成數據採集分析，能夠實現網絡化和自動化運行。
[0026]本發明未詳細闡述部分屬於本領域技術人員的公知常識。
【權利要求】
1.一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於包括:大氣細粒子探測光源(I)、多波長共軸發射望遠鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、雷射雷達接收光學系統(5)、多通道後繼光學系統(6)、雷射雷達底座(7)、計算機(9)和瞬態記錄儀(10);所述大氣細粒子探測光源(I)和多波長共軸發射望遠鏡(2)搭載在雷射雷達接收光學系統(5)上，隨雷射雷達接收光學系統(5) —起轉動，所述大氣細粒子探測光源(I)的探測光中心波長為532nm和355nm，兩波長探測光的光軸同軸，均被多波長共軸發射望遠鏡(2)進行準直擴束，擴束後兩探測光束的發射角均被壓縮至0.4mrad，被準直擴束後的532nm波長探測光和355nm波長探測光的具有較好的同軸性，兩探測光的偏離角小於0.1mrad ;所述多波長共軸發射望遠鏡(2)能同時對多個波長進行準直擴減少不同波長的色差，其在紫外光355nm波長和可見光532nm波長具有大於85%的透過率；多波長共軸發射望遠鏡(2)入瞳直徑5mm，出瞳直徑30mm，擴束倍數為10倍；所述第二反射鏡(4)位於雷射雷達接收光學系統(5)光軸上，中心波長為532nm和355nm探測光經第二反射鏡(4)後沿雷射雷達接收光學系統(5)光軸發射到大氣中；所述雷射雷達接收光學系統(5)安裝在雷射雷達底座(7)上，能夠實現任意俯仰角度調整，雷射雷達接收光學系統(5)探測口徑200mm，系統焦距為2000mm，F數為F/10，遮擋區域比為18%，雷射雷達接收光學系統(5)鍍高反射介質膜，對532nm波長的可見光反射率大於98%，對355nm波長和387nm波長的紫外光反射率大於95%，雷射雷達接收光學系統(5)對探測光的總透過率優於70% ;所述多通道後繼光學系統(6)安裝在雷射雷達接收光學系統(5)後端，二者光軸重合；所述計算機(9)自動控制系統各部件工作，計算機(9)分別與雷射器電源(8)和瞬態記錄儀(10)連結，實時監控大氣細粒子探測光源(I )、雷射器電源(8)和瞬態記錄儀(10)的工作狀態，如果監測系統各部件工作狀態正常，計算機(9 )首先給信號雷射器電源(8 )和瞬態記錄儀(10 )發送工作信號指令，兩部件進入預工作狀態，同時向計算機(9)返回信號；雷射器電源(8)完成對自身和大氣細粒子探測光源(I)自檢和預熱後，發射雷射脈衝開始工作，並向瞬態記錄儀(10)發送同步信號，瞬態記錄儀(10)開始進行數據採集，並向計算機(9)發送其工作狀態的信號，計算機(9)開始採集計數和計時，瞬態記錄儀(10)同步從387nm探測器(27)、355nm探測器(31)、532nm-P探測器(35)和532nm-S探測器(39)進行數據採集，並將實際採集脈衝數實時傳送給計算機(9)，計算機(9)根據瞬態記錄儀(10)反饋的實際採集脈衝數進行計時，計時脈衝數結束後，計算機(9 )向雷射器電源(8 `)和瞬態記錄儀(10 )發送工作信號指令發送停止工作命令，計算機(9)對採集數據存儲和數據反演工作。
2.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述的多波長共軸發射望遠鏡(2)由K9負透鏡(12)、氟化鋇正透鏡(13)、K9正透鏡(14)、氟化鋇負透鏡(15)和K9負透鏡(16)組成，所述K9負透鏡(12)前面和後面的曲率半徑分別為-9.12mm和-13.2mm，氟化鋇正透鏡(13)前面和後面曲率半徑分別為45mm和25mm, K9負透鏡(12)與氟化鋇正透鏡(13)組成第一膠合鏡,置於入瞳法蘭(19)中，由壓圈(20)固定後，與入瞳法蘭(19)沿多波長共軸發射望遠鏡(2)光軸進行前後移動，便於進行調節；K9正透鏡(14)、氟化鋇負透鏡(15)和Κ9負透鏡(16)組成第二膠合鏡，放置在多波長共軸發射望遠鏡(2)的輸出端由壓圈(17)固定；所述Κ9正透鏡(14)的前面和後面曲率半徑分別為145mm和95mm，K9正透鏡(14)前面和後面的曲率半徑分別為145mm和95mm，氟化鋇負透鏡(15)的前面和後面的曲率半徑為-78.6_和-98mm，K9負透鏡(16)前面和後面曲率半徑分別為51mm和95.8mm ;多波長共軸發射望遠鏡(2)長150mm,氟化鋇正透鏡(13)後面與K9正透鏡(14)前面距離在120-130mm之間。
3.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述的多通道後繼光學系統(6)包括可調諧小孔光闌(21)、準直透鏡(22)、第一分光鏡(23)、第一 45°反射鏡(24)、387nm濾光片(25)、387nm聚集鏡(26)、387nm探測器(27)、第二分光鏡(28)、355nm濾光片(29)、355nm聚集鏡(30)、355nm探測器(31)、檢偏振稜鏡(32)、第一 532nm濾光片(33)、532nm-P聚焦鏡(34)、532nm-P探測器(35)、第二45° 發射鏡(36 )、第二 532nm濾光片(37 )、532nm_S聚焦鏡(38 )和532nm_S探測器(39 );首先不同波長的回波信號，經可調諧小孔光闌(21)進入，經過準直透鏡(22)後，不同波長的回波信號變為準平行光束，準直後的平行光束經第一分光鏡(23)後,波長387nm的信號光被反射，波長355nm和532nm信號光被透射,波長387nm的信號光經第一 45°反射鏡(24)發射,依次通過387nm濾光片(25)與387nm聚集鏡(26)，進入387nm探測器(27)轉換為387nm探測通道電信號；而波長355nm和532nm信號光進入第二分光鏡(28),波長532nm信號光被發射，而波長355nm的信號光被透射,波長355nm的信號光依次通過355nm濾光片(29)和355nm聚集鏡(30)，進入355nm探測器(31)轉換為355nm探測通道電信號；波長532nm信號光經檢偏振稜鏡(32)被分為532nm_P信號光和532nm_S信號光，532nm_P信號光被檢偏振稜鏡(32)45°發射，依次通過第一 532nm濾光片(33)和532nm_P聚焦鏡(34)，進入532nm_P探測器(35)轉換532nm-P探測通道電信號，532nm_S信號光透過檢偏振稜鏡(32)，被第二 45°發射鏡(36)發射，依次通過第二 532nm濾光片(37)和532nm_S聚焦鏡(38)進入532nm_S探測器(39)轉換532nm-S探測通道電信號。
4.根據權利要求1所述一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述裝置能夠實現對大氣顆粒物中細粒子和超細粒子探測，其能夠響應的最小粒徑約為10nm。
5.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述大氣細粒子探測光源(I)和瞬態記錄儀(10)同步進行採集工作，同步時間誤差小於10ns，雷射雷達裝置距離分辨誤差優於3m。
6.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述小孔光闌(21)通光孔徑調諧範圍為lmm-5mm。
7.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述準直透鏡(22)為焦距120mm石英透鏡，前後面均鍍有對紫外和可見光增透的介質膜。
8.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述大氣細粒子探測光源(I)為小型化全固化Nd: YAG雷射器。
9.根據權利要求1所述的一種大氣細粒子時空分布拉曼米散射雷射雷達測量裝置，其特徵在於:所述多通道後繼光學系統(6)具有密閉殼金屬外殼，具有IP5的防護等級和A級抗電磁幹擾能力，避免外界雜散光和電磁信號對系統的幹擾，能夠在複雜環境實現對9個數量級動態範圍的信號光探測，能夠同時完成4個通道光信號的分光與探測，探測通道數可擴展至5個，不同通道間光信號隔離能力優於46dB，能夠實現弱信號光的高靈敏探測。
【文檔編號】G01S17/95GK103616698SQ201310586672
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】董雲升, 陸亦懷, 劉建國, 劉文清, 張天舒, 趙雪松, 趙南京, 陳結祥, 王文舉 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院