實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置的製作方法

2023-12-06 12:01:51

專利名稱：實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射測量大氣風場的裝置，更具體地說是一種測量大氣風場的實
時定標高光譜解析度雷射雷達裝置。
背景技術：
大氣風場是氣象觀測中的重要參數，在天氣、氣候、海洋、環境以及交通、航空、航 天等領域都有重要的應用價值。高光譜解析度雷射雷達可以獲取高精度高時空解析度的大 氣風場數據，為數值天氣預報提供初始數據，提高中小尺度災害性天氣的觀測和預報能力； 為風力發電廠提供風場監測，提高發電機功率；亦可快速、準確探測飛行全程中湍流、風切 變等嚴重影響飛機安全的大氣結構，為飛行導航提供安全保障。 當前用於大氣風場測量的測風雷射雷達，主要分為相干測風雷射雷達和非相干測 風雷射雷達。相干測風雷射雷達只能作用於氣溶膠含量較高的低空區域。非相干探測技術 (又稱為高光譜解析度技術、直接探測技術)通過高解析度的光譜分析器件來直接探測頻 率變化引起的探測信號強度變化，進而求取風速，可以測量大氣分子和氣溶膠散射信號，探 測高度0. 5km 20km的大氣風場。基於碘分子濾波器的高光譜解析度雷射雷達，是非相干 技術的典型代表。它利用碘分子濾波器的某一吸收譜線(如532nm雷射選用1109吸收線) 作為鑑別都卜勒頻移的濾波器，將發射雷射頻率鎖定於吸收線的邊緣中心處，大氣後向散 射的回波信號通過碘池，則都卜勒頻移將體現到後向散射光通過碘分子濾波器時的透過率 (即碘分子光譜吸收線與散射光譜的巻積)的變化上，利用光電探測器件測得散射光信號 透過碘池的能量，進而反演透過率，獲取頻移量得到大氣風速。 但由於高光譜解析度雷射雷達探測的大氣彈性散射信號中包含光譜特性截然不 同的氣溶膠散射(Mie散射，帶寬窄)和大氣分子散射(Rayleigh散射，帶寬寬)，兩種散射 信號通過鑑頻濾波器的透過率各不相同，因此，為了準確測風，探測時必須知道當時大氣中 氣溶膠和分子的相對濃度，用以實時標定測量靈敏度(即lm/s單位風速引起的探測器響應 變化)。高光譜解析度雷射雷達可以探測氣溶膠相對濃度，但是這種探測必須在風速測量以 外的時間獨立進行。這不僅需要分配額外的測量時間(也就是發射功率)，更重要的是，氣 溶膠的時空變化劇烈，非同步的氣溶膠測量不能準確反映測風當時的大氣狀態(以上現象 在海面風場、邊界層風場探測等小尺度天氣過程中更加明顯)。 此外，為準確測量大氣分子散射信號的都卜勒頻移，高光譜解析度雷射雷達還需 要獲得當時大氣的溫度信息，以校正大氣分子散射光譜的譜線寬度。已有測風雷射雷達系 統中，大氣溫度信息來自其他獨立的觀測資料(如探空氣球等)，或者來自於大氣模型(某 區域大氣統計數據)。因此採用的溫度信息都不是在測風同時獲得的，難免會引入誤差。
雖然高光譜解析度雷射雷達技術已經進入業務化實驗階段，但仍無法實時獲得準 確的氣溶膠相對濃度和大氣溫度狀態信息，即無法實時定標測量靈敏度而進入真正實用 化。

發明內容
本發明的目的是提供一種實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，以彌補已有技術 的不足。 本發明是在已有的高光譜解析度雷射雷達基礎上，由於其測量通道和參考通道只 包含了氣溶膠散射和大氣分子散射的總和信息，故僅能檢測出因都卜勒頻移而產生的能量 總差。考慮到實時獲取氣溶膠相對濃度和大氣溫度信息以準確測風並獲取更多大氣參數 的重要性，在已有的高光譜解析度雷射雷達接收系統中增加兩個轉動拉曼的接收通道，以 提取高光譜解析度雷射雷達探測信號中被忽略的光譜成分——非彈性散射光譜，即大氣分 子轉動拉曼譜，它包含大氣分子散射的信息，可提取氣溶膠的相對濃度。利用分光鏡從已 有探測光譜中分離出非彈性散射光譜，再利用一片分光鏡將分離出的光譜分成兩個接收通 道一轉動拉曼通道一和轉動拉曼通道二，通道一中選用相應的窄帶光學濾波器提取隨溫 度升高而增強的轉動拉曼譜，通道二中選用相應的窄帶光學濾波器提取隨溫度升高而減弱 的轉動拉曼譜，兩個通道分別用一個光電探測器接收。兩通道的結合使用既可降低溫度對 測量的影響，獲得準確的實時氣溶膠相對濃度，又能反演實時的大氣溫度信息。如此，就能 實時定標測量靈敏度，準確測量大氣風場，解決高光譜解析度雷射雷達實用化的技術難點。
本發明包括由脈衝雷射器、擴束鏡和反射鏡組成的發射系統；由望遠鏡、光學濾波 器a、碘分子濾波器、分光鏡a和兩個光電探測器組成的接收系統；與兩個光電探測器相連 接的數據採集系統和數據處理計算機，其特徵在於它還包括了由分光鏡b、光學濾波器b及 一個光電探測器組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c、光學濾波器c及一個光電探測器組成 的轉動拉曼通道二，且這兩個轉動拉曼通道經由通道一的分光鏡b，從已有接收系統分光鏡 a透射而來的光譜中分離透射出非彈性散射光譜，且這兩個通道之間通過通道二的分光鏡 b相連，又與數據採集系統相連接，並經數據採集系統將採集的信息傳入到數據處理計算 機。 本發明的主要優點在於能在一次光探測中，同時獲取諸多大氣參量(大氣分子 後向散射係數，氣溶膠後向散射係數，氣溶膠消光係數、大氣溫度)及風速，測量效率高。實 時獲取的氣溶膠相對濃度信息能顯著減少因氣溶膠時空變化而引入的測量誤差；實時獲取 的同步大氣溫度信息可以減少利用統計大氣模型引入的反演誤差，平均誤差量降低到原來 的30%以內，風速測量精度達到lm/s，實時定標，測量準確度高。


下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖l，本發明的總體結構方框示意圖。 其中，l.脈衝雷射器2.擴束鏡3.反射鏡4.望遠鏡5.光學濾波器a 6.分光鏡 a7.分光鏡b 8.分光鏡c 9.碘分子濾波器IO.光學濾波器b 11.光學濾波器c 12.光 電探測器13.光電探測器14.光電探測器15.光電探測器16.數據採集系統17.數據處理 計算機。
具體實施例方式如圖l，本發明包括由脈衝雷射器1、擴束鏡2和反射鏡3組成的發射系統；由望
4遠鏡4、光學濾波器a5、分光鏡a6、碘分子濾波器9、光電探測器12和光電探測器13組成的 接收系統；與光電探測器12、光電探測器13相連接的數據採集系統16和數據處理計算機 17，其特徵是它還包括由分光鏡a6的透射光所到達的分光鏡b7，且由分光鏡b7、光學濾波 器blO、光電探測器14組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c8、光學濾波器cll、光電探測器 15組成的轉動拉曼通道二，且兩個轉動拉曼通道相互間通過分光鏡c8相連，光電探測器14 和光電探測器15又都與數據採集系統16相連接，並經數據採集系統16將採集的信息傳入 到數據處理計算機17而同時測量大氣散射參數，實時定標靈敏度準確測量風速。
上述脈衝雷射器1可以採用已有脈衝雷射器，如各種固體雷射器、光纖雷射器，單 縱模穩頻(波長為532. 25nm)。例如，選用photonics公司的倍頻Nd: YAG脈衝雷射器，單脈 衝能量600mJ，重複頻率50KHz，採用種子注入技術。 上述望遠鏡4可採用反射式、折反式等通用望遠鏡，例如美國Celestron公司生產 的820mm卡塞格倫望遠鏡。擴束鏡2可選用10倍擴束的即可。 上述光學濾波器a 5為帶通光學濾波器(波長範圍528. 2nm 532. 8)，光學濾波 器b 10和光學濾波器c 11為窄帶光學濾波器(中心波長為別為531. lnm和528. 5nm)，可 選用幹涉濾光片、Fabry-Perot標準具或者法拉第反常色散濾波器。 上述分光鏡a 6、分光鏡b 7和分光鏡c 8為透過率隨入射角變化而變化的帶通濾
色片，可選用幹涉濾光片、光柵分光系統或者Fabry-Perot標準具。 碘分子濾波器9，可採用15cm長的碘池，通光口徑應略大於光束。 上述光電探測器12U3、14和15，為同一型號種類的光電探測器件，可以選用高靈
敏度和高速響應的光電二極體、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD)，可選用濱淞光子公司
的光電倍增管Electron tubes 9893/350。 數據採集系統16，可選用德國Licel公司的TR16-160數據採集系統。
本發明的脈衝雷射器1發射的光束經過擴束鏡2擴束壓縮發散角後，經過反射鏡3 發射到大氣當中，被大氣分子或氣溶膠散射。而大氣的運動-風，會使散射光的中心頻率產 生都卜勒頻移。上述大氣的散射光由望遠鏡4收集後，通過光學濾波器a 5壓縮天空背景 輻射，接著由分光鏡a 6、分光鏡b 7和分光鏡c 8選通分光，分別進入帶碘分子濾波器9的 測量通道，直接測光通量的參考通道，帶光學濾波器b 10的轉動拉曼通道一和帶光學濾波 器c ll的轉動拉曼通道二。四個通道分別利用光電探測器12、13、14和15這四個光電探 測器進行光電轉換，得到的電信號輸入數據採集系統16，由數據採集系統16將電信號數字 化，匯總到數據處理計算機17進行反演運算，得到實時的氣溶膠相對濃度和大氣溫度，準 確計算出大氣分子後向散射係數，氣溶膠後向散射係數，氣溶膠消光係數及都卜勒頻移量， 獲得大氣風場。
權利要求
一種實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，包括由脈衝雷射器(1)、擴束鏡(2)和反射鏡(3)組成的發射系統；由望遠鏡(4)、光學濾波器a(5)、分光鏡a(6)、碘分子濾波器(9)、光電探測器(12)和光電探測器(13)組成的接收系統；與光電探測器(12)、光電探測器(13)相連接的數據採集系統(16)和數據處理計算機(17)，其特徵是它還包括由分光鏡a(6)的透射光所到達的分光鏡b(7)，且由分光鏡b(7)、光學濾波器b(10)、光電探測器(14)組成的轉動拉曼通道一，和分光鏡c(8)、光學濾波器c(11)、光電探測器(15)組成的轉動拉曼通道二，而且兩個轉動拉曼通道相互間通過分光鏡c(8)相連，光電探測器(14)和光電探測器(15)又都與數據採集系統(16)相連接，並經數據採集系統(16)將採集的信息傳入到數據處理計算機(17)而同時測量大氣散射參數。
2. 如權利要求1所述的實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，其特徵是上述同時測量的大氣散射參數是大氣分子彈性散射、拉曼散射和氣溶膠散射參數。
3 如權利要求1所述的實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，其特徵是上述的光學濾波器a(5)為帶通光學濾波器，波長範圍528. 2nm 532. 8nm。
4. 如權利要求1所述的實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，其特徵是上述的光學濾波器b(10)為窄帶光學濾波器，中心波長為531. lnm。
5. 如權利要求1所述的實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置，其特徵是上述的光學濾波器c(ll)為窄帶光學濾波器，中心波長為528. 5nm。
全文摘要
本發明涉及一種測量大氣風場的實時定標高光譜解析度雷射雷達裝置。包括由脈衝雷射器、擴束鏡和反射鏡組成的發射系統；由望遠鏡、光學濾波器、碘分子濾波器、分光鏡和光電探測器組成的接收系統；與光電探測器相連接的數據採集系統和數據處理計算機，其特徵在於它還包括了兩個轉動拉曼的接收通道，且這兩個轉動拉曼通道經由分光鏡並行相連，從原探測信號中提取大氣分子轉動拉曼譜，又與數據採集系統相串接，且數據採集系統與數據處理計算機相連而將採集的信息傳入到數據處理計算機。本發明特點是在一次光探測中獲取氣溶膠相對濃度及大氣參量，同時反演風速，提高測量效率和測量準確度，風速測量精度達到1m/s。
文檔編號G01S7/481GK101710178SQ20091023137
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者劉智深, 吳松華, 陳陽 申請人:中國海洋大學