無人值守晝夜兼用可攜式偏振－米雷射雷達及其探測方法
2023-06-06 05:40:46
專利名稱：無人值守晝夜兼用可攜式偏振－米雷射雷達及其探測方法
技術領域：
本發明涉及具有探測沙塵暴及捲雲退偏振比垂直廓線和對流層氣溶膠消光垂直廓線及大氣水平能見度雙重功能的雷射雷達。
背景技術：
雷射雷達是以雷射為光源，通過探測雷射與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。光波與大氣中介質相互作用，會產生包含氣體原子、分子和氣溶膠粒子有關信息的輻射信號，利用相應的反演方法就可以從中得到關於氣體原子、分子和氣溶膠粒子的信息。因此，雷射雷達技術基礎是光輻射與大氣中的氣體原子、分子以及氣溶膠粒子之間相互作用所產生的各種物理過程。
1960年世界上第一臺雷射器問世之後，雷射技術便被迅速地應用於大氣探測。1962年義大利Fiocco等人使用第一臺紅寶石雷射雷達探測了80～140km高層大氣中鈉離子的分布，1963年美國Stanford研究所研製了用於對流層氣溶膠探測的雷射雷達。自那時以來，隨著雷射技術日新月異的發展，以及先進的信號探測和數據採集處理系統的應用，雷射雷達以它的高時間、空間解析度和測量精度而成為一種重要的主動遙感工具。
大氣中的沙塵暴粒子和捲雲粒子都是典型的非球形粒子，當一束線偏振雷射照射到這些非球形粒子時，其後向散射光將不再是線偏振光，利用檢偏稜鏡可以將其後向散射光中的垂直分量和平行分量分開來，使用兩個光電倍增管同時對它們進行測量。垂直分量與平行分量的比值定義為退偏振比，它一般在0到1之間。當大氣中沒有沙塵暴粒子和捲雲粒子時，根據米散射理論，可以進行對流層氣溶膠消光廓線的探測，由於整個對流層氣溶膠回波信號的動態範圍太大，使用一個光電倍增管不能滿足需求，這時使用分光鏡將回波信號分成近距離信號和遠距離信號，使用兩個同時對它們進行測量，然後拼接在一起，就可得到整層對流層氣溶膠的回波廓線，反演後，即可得到對流層氣溶膠的消光廓線。當進行大氣水平能見度探測時，出射雷射水平發射，假設大氣水平均一，利用斜率法可以求出大氣水平消光係數，通過計算即可得到大氣水平能見度。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型的無人值守晝夜兼用的可攜式偏振-米散射雷射雷達，關鍵器件都採用輕小型全固化結構或模塊化結構，加上獨特的後繼光學和運行控制軟體的設計，具有結構緊湊、體積小、重量輕、易於移動、工作穩定可靠、晝夜連續運行、自動化程度高和和無人值守探測等優點，應用於白天和夜晚沙塵暴及捲雲退偏正比垂直廓線，對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度的探測，並在運行控制軟體的設置下，根據觀測需求，實現全自動無人值守連續探測。
本發明的技術方案如下無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達，包括有雷射發射單元、接收光學及後繼光學單元和信號探測採集顯示及運行控制單元，其特徵在於(1)、雷射發射單元由雷射發射器、雷射發射器電源、雷射發射器前安裝的一對對光反射鏡組(M1，M2)構成，雷射發射器發射線偏振雷射經過對光反射鏡組發射到大氣中，通過調整M2使出射光軸與接收望遠鏡光軸平行；(2)、接收光學單元由接收望遠鏡、小孔光闌、會聚透鏡組成，後繼光學單元由波片、檢偏稜鏡、分光鏡和全反鏡構成，接收光學單元與後繼光學單元的光軸重合；接收望遠鏡後安裝有小孔光闌，其後安裝會聚透鏡，會聚透鏡的焦點與接收望遠鏡的焦點重合，把接收望遠鏡接收到的大氣後向散射光會聚成平行光，再導入隨後的後繼光學單元；波片通過固定支架安裝在一個放置於會聚透鏡後面的滑槽上，可以沿著滑槽在垂直與接收望遠鏡光軸的方向上滑動，波片可以在其固定支架內沿自己的光軸做360度旋轉；當探測系統常數時，波片跟隨其固定支架沿著滑槽滑動，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，當進行沙塵暴及捲雲退偏振比垂直廓線和對流層氣溶膠消光垂直廓線及大氣水平能見度探測時，波片退出後繼光學單元；波片固定支架後面有一個插槽，檢偏稜鏡/分光鏡分別切換插在插槽內，當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線時，沿著插槽將檢偏稜鏡「插入」，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被檢偏稜鏡分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，沿著插槽將分光鏡「插入」，也使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被分光鏡分成近距離信號和遠距離信號，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；(3)、信號探測採集顯示及運行控制單元由主波探測器PD，光電倍增管A、光電倍增管B、雙通道放大器、雙通道A/D採集卡、主控計算機、光電倍增管的門控電路及配套電源組成，光電倍增管A、B分別將兩個通道的光信號轉換為電信號，送入雙通道放大器，電信號經過放大器放大後送入雙通道A/D採集卡，採集卡插在主控計算機內，在主波探測器PD的時序控制下，將採集到的電信號轉換為ASCII碼數字記錄到探測數據文件中，以便後續處理，配套電源包括光電倍增管、放大器和光電倍增管門控電路的電源。
所述的無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達，其特徵在於選用532nm波長的二分之一石英晶體波片；選用分光後垂直分量與平行分量相互垂直的檢偏稜鏡；選用4％反射、96％透射的黃玻璃分光鏡。
無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達的探測方法，其特徵在於雷射發射器發射532nm波長的線偏振雷射，大氣的後向散射光被接收望遠鏡接收，先通過小孔光闌，再通過會聚透鏡，變成平行光後再進入後繼光學單元當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比廓線時，後向散射光被檢偏稜鏡分成兩束，一束為垂直分量，另一束為平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，後向散射光被分光鏡也分成兩束，一束為近距離信號，另一束為遠距離信號，這兩束光的偏振特性相同，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B，光電倍增管A、B都選用對532nm波長響應靈敏的光電倍增管，由光電倍增管將光信號轉換為電信號，再由雙通道放大器放大，進入高速16比特PCI採集卡，由主控計算機運行控制軟體進行採集、存儲和顯示，運行控制軟體可以根據實際測量要求設置定時測量參數，實現全自動無人值守探測，得到連續的探測結果。
雷射發射器、雷射發射器電源和對光反射鏡組構成雷射發射單元；接收望遠鏡、小孔光闌和會聚透鏡構成接收光學單元，波片、檢偏稜鏡、分光鏡和全反鏡構成後繼光學單元；濾光片、光電倍增管、放大器、採集卡、主控計算機、運行控制軟體和輔助控制設備及配套電源構成信號探測採集顯示及運行控制單元。
採用雙軸系統，雷射發射器與接收望遠鏡裝配在同一個箱體上，可以同時做俯仰和方位運動，雷射發射器出射雷射與接收望遠鏡光軸保持平行。雷射發射器電源單獨放置；雷射發射器、接收光學、後繼光學和信號探測這四個子單元集合成統一的整體，此部分裝配在三角支架上，可以做俯仰和方位運動；數據採集顯示單元和其他輔助控制單元及配備電源裝配在一個輕便可移動的控制櫃內。
本發明採用Quantel公司生產的Brilliant Nd:YAG二倍頻雷射發射器及其電源。雷射發射器和對光反射鏡組背負在接收望遠鏡和後繼光學單元箱體的上部，可隨著接收望遠鏡一起進行俯仰和方位的轉動，以進行垂直或水平方向上的測量。對光反射鏡組由兩塊反射鏡(M1，M2)構成，M1為1064nm波長全透、532nm波長全反鏡，M2為532nm波長全反鏡。
接收望遠鏡選用Meada公司生產的Schmidt-Cassegrain型望遠鏡，直徑為25.4釐米(10英寸)。小孔光闌選用CVI Laser公司的可變小孔光闌，接收視場角從1mrad到4mrad可調節。會聚透鏡由K9玻璃製成，並鍍有532nm波長的增透膜。會聚透鏡將接收望遠鏡接收到的後向散射光會聚成平行光，導入隨後的後繼光學單元。
波片選用532nm波長的二分之一波片，通過其固定支架安裝一個獨立的滑槽上，放置於會聚透鏡的後面，滑槽的滑動方向與接收望遠鏡光軸垂直，波片可以在其固定支架內沿自己的光軸做360度旋轉，也可以沿著滑槽在垂直與接收望遠鏡光軸的方向上滑動，波片僅在探測系統常數時用，正常觀測實驗時不用。當探測系統常數時，波片沿著滑槽滑動，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合。當進行沙塵暴及捲雲退偏振比垂直廓線和對流層氣溶膠消光垂直廓線及大氣水平能見度探測時，波片取出，退出後繼光學單元。檢偏稜鏡和分光鏡通過切換方式插在同一個插槽上，插槽的滑動方向也與接收望遠鏡光軸垂直，只需簡單的「插入、拔出」動作，實現檢偏稜鏡和分光鏡的切換，檢偏稜鏡選用CVI Laser公司的PBS-532-100偏振分光稜鏡，分光鏡選用4％反射，96％透射的黃玻璃。當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線時，沿著插槽將檢偏稜鏡「插入」，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被檢偏稜鏡分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B。當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，將檢偏稜鏡「撥出」插槽，將分光鏡「插入」，也使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被分光鏡分成近距離信號和遠距離信號，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B。
光電倍增管選用Hamamatsu公司H7680和H7680-01光電倍增管，光電倍增管前面裝有Bar公司的532nm窄帶濾光片。光電倍增管A、B分別將兩個通道的光信號轉換為電信號後，送入Philllips公司的Model 777雙通道放大器。被放大後的電信號，由Gage公司的16比特PCI-1610高速採集卡完成A/D轉換，在運行控制軟體的指令下完成數據的採集、存儲、顯示和定時連續測量。
本發明晝夜兼用的可攜式米散射雷射雷達，它具有以下特點1)偏振探測和米散射探測雙重功能。可進行沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線和對流層氣溶膠消光垂直廓線及大氣水平能見度的探測。
2)信噪比大，探測高度高。不論白天還是夜晚，退偏振比垂直廓線探測高度為2km到18km，氣溶膠消光垂直廓線探測高度從地面到18km，水平能見度探測範圍從幾十米到幾十公裡。
3)完成一次探測的時間短。每次探測最短時間僅為2分鐘。
4)無人值守連續探測。根據觀測需求，設置運行控制程序後，即可以進行定時連續探測。
5)結構緊湊、重量較輕，便於攜帶和移動，適用於外場使用。
圖1為本發明無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達結構示意圖。
圖2為雙通道增益比廓線探測結果。
圖3為大氣回波信號的平行分量與垂直分量廓線探測結果。
圖4為典型的退偏振比廓線探測結果。
圖5為典型的對流層氣溶膠消光廓線探測結果。
圖6為本發明無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達的幾何因子。
圖7為典型的大氣水平能見度探測結果。
具本實施方式本發明無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達結構示意圖如圖1所示。其總體結構分三個部分雷射發射器電源單獨放置；雷射發射器、對光反射鏡組、接收望遠鏡、後繼光學單元和光電倍增管集合成統一的整體，裝備在一個三角支架上；採集卡插在主控計算機內和放大器、光電倍增管門控電路及配套電源安裝在一個輕便可移動的控制櫃內。雷射發射器發射532nm波長的線偏振雷射，大氣的後向散射光被接收望遠鏡接收，先通過小孔光闌，再通過會聚透鏡，變成平行光後再進入後繼光學單元。為了實現偏振探測和米散射探測雙重功能，採用獨特的後繼光學單元當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線時，後向散射光被檢偏稜鏡分成兩束，一束為垂直分量，另一束為平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，後向散射光被分光鏡也分成兩束，一束為近距離信號，另一束為遠距離信號，這兩束光的偏振特性相同，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B 。兩個光電倍增管都選用對532nm波長響應靈敏的光電倍增管，由光電倍增管將光信號轉換為電信號，再由雙通道放大器放大，進入高速採集卡，由主控計算機運行控制軟體進行採集、存儲和顯示。運行控制軟體可以根據實際測量要求設置定時測量參數，實現全自動無人值守探測，得到連續的探測結果。
本發明無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達主要技術參數
使用本發明裝置得到的各種典型探測結果1.沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線在測量沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線之前，需要對兩個探測通道的增益比常數K進行測量，圖2所示是一次測量的結果。從圖2可以看出，本發明雷射雷達的增益比常數的平均值為1.2，並且從2km到18km高度保持著很好的線性。系統的增益比常數確定後，只要保持系統的硬體參數設置不變，則此常數也不便，一旦系統的硬體參數發生變化，則需要重新確定此常數。
圖3所示的是一次典型的平行分量(p)和垂直分量(s)回波信號的探測的結果。從圖3中可以看出垂直分量要比平行分量小的多，只是在出現捲雲的情況下，才能探測到較大的垂直分量。
圖4所示的是一次無人值守連續探測的退偏振比垂直廓線結果。可以看出在15∶15分到16∶15分之間和17∶45分在8km高度附近有一層捲雲存在，其退偏振比在0.4到0.6之間。
2.對流層氣溶膠消光垂直廓線圖5所示的是無人值守連續探測的對流層氣溶膠消光垂直廓線結果。可以看出此段時間內，大氣邊界層的高度在1.5km左右，邊界層的消光係數比自由大氣層的消光係數大。在16∶25到16∶55時間內，在7km處出現一層氣溶膠，其消光係數在0.2到0.4之間。
3.大氣水平能見度圖6所示的是本發明雷射雷達的幾何因子探測曲線。從圖6中可以看出，對於本發明雷射雷達幾何因子充滿區開始於0.8km處。
圖7所示的是一次大氣水平能見度的典型探測結果。從圖7中可以看出，從2.5km到10km的擬合曲線(紅色)基本上與LnPR2廓線(藍色)重合，證明此時的大氣水平均一性很好。擬合曲線的斜率為-0.498，計算可得此時大氣水平能見度為15.7km。
權利要求
1.無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達，包括有雷射發射單元、接收光學及後繼光學單元和信號探測採集顯示及運行控制單元，其特徵在於(1)、雷射發射單元由雷射發射器、雷射發射器電源、雷射發射器前安裝的一對對光反射鏡組(M1，M2)構成，雷射發射器發射線偏振雷射經過對光反射鏡組發射到大氣中，通過調整M2使出射光軸與接收望遠鏡光軸平行；(2)、接收光學單元由接收望遠鏡、小孔光闌、會聚透鏡組成，後繼光學單元由波片、檢偏稜鏡、分光鏡和全反鏡構成，接收光學單元與後繼光學單元的光軸重合；接收望遠鏡後安裝有小孔光闌，其後安裝會聚透鏡，會聚透鏡的焦點與接收望遠鏡的焦點重合，把接收望遠鏡接收到的大氣後向散射光會聚成平行光，再導入隨後的後繼光學單元；波片通過固定支架安裝在一個放置於會聚透鏡後面的滑槽上，可以沿著滑槽在垂直與接收望遠鏡光軸的方向上滑動，波片可以在其固定支架內沿自己的光軸做360度旋轉；當探測系統常數時，波片跟隨其固定支架沿著滑槽滑動，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，當進行沙塵暴及捲雲退偏振比垂直廓線和對流層氣溶膠消光垂直廓線及大氣水平能見度探測時，波片退出後繼光學單元；波片固定支架後面有一個插槽，檢偏稜鏡/分光鏡分別切換插在插槽內，當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比垂直廓線時，沿著插槽將檢偏稜鏡「插入」，使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被檢偏稜鏡分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，沿著插槽將分光鏡「插入」，也使其光軸與接收望遠鏡光軸重合，後向散射光被分光鏡分成近距離信號和遠距離信號，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；(3)、信號探測採集顯示及運行控制單元由主波探測器PD，光電倍增管A、光電倍增管B、雙通道放大器、雙通道A/D採集卡、主控計算機、光電倍增管的門控電路及配套電源組成，光電倍增管A、B分別將兩個通道的光信號轉換為電信號，送入雙通道放大器，電信號經過放大器放大後送入雙通道A/D採集卡，採集卡插在主控計算機內，在主波探測器PD的時序控制下，將採集到的電信號轉換為ASCII碼數字記錄到探測數據文件中，以便後續處理，配套電源包括光電倍增管、放大器和光電倍增管門控電路的電源。
2.根據權利要求1所述的無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達，其特徵在於選用532nm波長的二分之一石英晶體波片；選用分光後垂直分量與平行分量相互垂直的檢偏稜鏡；選用4％反射、96％透射的黃玻璃分光鏡。
3.無人值守晝夜兼用可攜式偏振-米雷射雷達的探測方法，其特徵在於雷射發射器發射532nm波長的線偏振雷射，大氣的後向散射光被接收望遠鏡接收，先通過小孔光闌，再通過會聚透鏡，變成平行光後再進入後繼光學單元當測量沙塵暴和捲雲的退偏振比廓線時，後向散射光被檢偏稜鏡分成兩束，一束為垂直分量，另一束為平行分量，垂直分量直接進入光電倍增管A，平行分量經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B；當測量對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度時，後向散射光被分光鏡也分成兩束，一束為近距離信號，另一束為遠距離信號，這兩束光的偏振特性相同，近距離信號直接進入光電倍增管A，遠距離信號經過全反鏡後，進入另一個光電倍增管B，光電倍增管A、B都選用對532nm波長響應靈敏的光電倍增管，由光電倍增管將光信號轉換為電信號，再由雙通道放大器放大，進入高速16比特PCI採集卡，由主控計算機運行控制軟體進行採集、存儲和顯示，運行控制軟體可以根據實際測量要求設置定時測量參數，實現全自動無人值守探測，得到連續的探測結果。
全文摘要
本發明公開了一種新型的無人值守晝夜兼用的可攜式偏振－米散射雷射雷達及其探測方法，其總體結構分三個部分雷射發射器電源單獨放置；雷射發射器、對光反射鏡組、接收望遠鏡、後繼光學單元和光電倍增管集合成統一的整體，裝備在一個三角支架上；採集卡插在主控計算機內和放大器、光電倍增管門控電路及配套電源安裝在一個輕便可移動的控制櫃內。應用於白天和夜晚沙塵暴及捲雲退偏正比垂直廓線，對流層氣溶膠消光垂直廓線和大氣水平能見度的探測，並在運行控制軟體的設置下，根據觀測需求，實現全自動無人值守連續探測。
文檔編號G01S17/00GK1673771SQ200510038410
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月10日 優先權日2005年3月10日
發明者劉 東, 戚福弟, 範愛媛, 毛敏娟, 嶽古明, 蘭舉生, 曹京平, 江慶伍, 徐吉勝, 周軍 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院