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CN103792544B - 振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法 - Google Patents

振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法 Download PDF

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CN103792544B
CN103792544B CN201410053652.1A CN201410053652A CN103792544B CN 103792544 B CN103792544 B CN 103792544B CN 201410053652 A CN201410053652 A CN 201410053652A CN 103792544 B CN103792544 B CN 103792544B
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Abstract

本发明公开了一种振动‑转动拉曼‑米散射多波长激光雷达系统及其工作方法，该系统包括：第一系统和第二系统，其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括：激光发射单元，用于向空中发射激光；光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行。本发明可以实现全天候大气综合连续自动观测。

Description

振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及大气探测技术领域，尤其涉及振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统及其工作方法。
背景技术
激光设备与光电探测设备的快速发展，使得使用遥感手段对大气温湿廓线进行连续观测成为可能。由于所用探测束波长较短和定向性较强，使激光雷达具有很高的空间、时间分辨能力(空间分辨可达数米，时间分辨可达数秒)和很高的探测灵敏度(可探测近百公里高度处立方厘米仅几个原子的稀疏大气成分)等优点。应用大气探测激光雷达可以方便高效的对大气中的各种气体成分及气溶胶进行探测，同时应用激光雷达还可以获得高时空分辨率的大气温度廓线等参数。相对而言，激光雷达最适合用于对大气的探测与研究，因此激光雷达在大气探测领域据有广阔的发展前景。
大气温度和水汽廓线是气象预报、大气科学研究、甚至气候研究中最为重要的观测数据一部分。传统的观测方法是使用探空气球手段，然而其高昂成本、水平方向的漂移和操作的复杂性以及对天气条件的依赖性使得无法实现连续高时间精度的观测。许多气象站通常一天仅进行1次或2次探空气球观测。随着人类社会对于大气污染和气候变化的关注，对于气溶胶(人类污染)和云(气候变化预测最大不确定性因子)的观测需要急剧增加。目前对于云和气溶胶的观测，通常使用独立的遥感观测仪器，例如激光雷达。
大气温度廓线通常是基于微波辐射计(有时配合雷达)遥感观测，大气湿度廓线通常是基于拉曼激光雷达(有时配合微波辐射计)的观测。尽管基于微波辐射计开发的一些方法也可以同时测量温度和湿度廓线，但其精度和准确度都不是很好。而基于拉曼雷达探测大气湿度廓线的方法已经相对比较成熟，精确度也很好。并且拉曼散射激光雷达在测温方面能够实现温度的实时探测，具有高的时空分辨率，在连续监测和测量精度等方面所具有的独到优势，是其它探测手段无法比拟的新颖大气遥感技术。
目前，国内虽然有很多方法能够用来观测温度和湿度的廓线，但是能够同时进行温度 和湿度全天自动观测的雷达系统还很少或不完善；另外，随着对于大气污染和全球变化的广泛关注，社会和科研越来越需要气溶胶和云的长期连续性观测，而对云和气溶胶分别探测的仪器也伴随需求而出现了很多。然而，能够同时对大气温度、水汽、气溶胶和云进行同步、连续、自动、全天观测的仪器几乎没有。
就该技术领域而言，国内的研究主要是基于中科院安徽光机所大气光学中心于1995年建造的L625多功能激光雷达，此雷达于1999年增加了测量水汽的Raman通道，但鉴于雷达本身的限制只能进行1～5km水汽的测量，并且仅仅限于夜晚观测，且不含有1064nm的发射波长，不能进行对云的观测。不管是系统结构还是探测范围、探测精度都有待进一步改善。
发明内容
本发明实施例提供一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，用以实现全天候大气综合连续自动观测，该振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统包括：
第一系统和第二系统，其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括：
激光发射单元，用于向空中发射激光；
光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；
所述第一系统的光学接收单元包括：紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；
所述第二系统的光学接收单元包括：可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；
所述紫外望远镜具体用于接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；
所述可见红外望远镜具体用于接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
一个实施例中，所述激光发射单元包括：
激光器、与激光器连接的二色分束片、以及与二色分束片连接的扩束器。
一个实施例中，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。
一个实施例中，所述扩束器针对355nm激光束采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束采用5倍扩束。
一个实施例中，所述紫外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为450mm，焦距为4000mm；所述可见红外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为300mm，焦距为4000mm。
一个实施例中，所述紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均包括：光纤、与光纤连接的准直镜、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片。
一个实施例中，所述信号探测及数据采集单元包括：
光电倍增管，用于将对应探测波长的光信号进行光电转换；
数据采集器和光子计数卡，用于对光电转换后的信号进行数据采集。
一个实施例中，所述光电倍增管采用的参数为Φ8mm/80mA/W。
一个实施例中，所述数据采集器的频率为20MHz，采用12bit模数AD转换；所述光子计数卡的频率为250MHz。
一个实施例中，所述控制单元包括：
脉冲延时器，用于在感应到激光发射单元发出的激光后，发出触发脉冲信号，触发光学接收单元、和信号探测及数据采集单元启动运行；
工控机，用于控制激光发射单元发射激光的时序和光学接收单元接收激光的时序。
本发明实施例还提供一种上述振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法，用以实现全天候大气综合连续自动观测，该方法包括：
在第一系统和第二系统中，通过激光发射单元向空中发射激光；
通过光学接收单元接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
通过信号探测及数据采集单元从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
通过控制单元控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；
其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；
通过第一系统的光学接收单元接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；
通过第二系统的光学接收单元接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号；
通过第一系统的信号探测及数据采集单元从354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号中获取大气温度和水汽的参数信息；
通过第二系统的信号探测及数据采集单元从532nm和1064nm大气米散射信号中获取气溶胶和云的参数信息。
一个实施例中，在第一系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对355nm激光进行扩展和准直后，进入大气，发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过紫外望远镜接收紫外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm五个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器和光子计数卡进行数据采集，以转换成温度、湿度和355nm消光系数廓线数据。
一个实施例中，在第二系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对可见红外激光进行扩展和准直后，进入大气；发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后的回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过可见红外望远镜接收可见红外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到532nm、1064nm两个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器 和光子计数卡进行数据采集，以转换成532nm和1064nm消光系数廓线数据。
本发明实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统使用新型的双系统设计方案，第一系统和第二系统均包括激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、控制单元，其中第一系统和第二系统分别工作于紫外波段和可见红外波段，第一系统和第二系统的光学接收单元分别接收和处理紫外回波和可见红外回波，由信号探测及数据采集单元实现混合层信号无畸变采集，由控制单元保证系统有序运行，与现有激光雷达系统相比，能够同时对大气温度和湿度廓线、气溶胶和云物理特征进行连续自动的全天候观测；不仅探测范围大、探测精度高、连续性好，对于天气(如人工影响天气，天气预报等)和气候(如全球气候变化等)研究具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的一具体应用实例的示意图；
图3为本发明实施例中第一系统的一具体实例的示意图；
图4为本发明实施例中第二系统的一具体实例的示意图；
图5为本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，可实现全天候大气综合连续自动观测，具体的，能够实现大气温度、垂直水汽、气溶胶和云的全天候同时连续观测。
图1为本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统10可以包括：
第一系统101和第二系统102，其中，第一系统101工作在紫外波段，第二系统102工作在可见红外波段；第一系统101和第二系统102均包括：
激光发射单元201，用于向空中发射激光；
光学接收单元202，用于接收大气对激光发射单元201所发射激光的后向散射回波信号，对后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
信号探测及数据采集单元203，用于从分光后的后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
控制单元204，用于控制激光发射单元201、光学接收单元202、和信号探测及数据采集单元203运行。
由图1所示结构可以得知，本发明实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统使用新型的双系统设计方案，第一系统和第二系统均包括激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、控制单元，其中第一系统和第二系统分别工作于紫外波段和可见红外波段，第一系统和第二系统的光学接收单元分别接收和处理紫外回波和可见红外回波，由信号探测及数据采集单元实现混合层信号无畸变采集，由控制单元保证系统有序运行，能够同时对大气温度和湿度廓线、气溶胶和云物理特征进行连续自动的全天候观测；不仅探测范围大、探测精度高，对于天气(如人工影响天气，天气预报等)和气候(如全球气候变化等)研究具有重要意义。
具体实施时，本发明实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统中，大部分元器件都尽可能的采用轻小型全固化或模式化结构，使整个系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、工作稳定可靠等优点。
具体实施时，激光发射单元可以包括：激光器(LASER)、与激光器连接的二色分束片(DBS)、以及与二色分束片连接的扩束器(BE)。其中扩束器可以采用扩束镜。可以理解，实施时激光发射单元还可以包括发射镜片组，用于使得激光脉冲光束垂直射入空中。
具体实施时，激光发射单元为多波长发射单元，可以提供355nm、532nm和1064nm脉冲激光光源。具体的，可以由激光器向空中发射激光脉冲，提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。实施时激光器可以采用美国continuum公司的POWERLITE DLS 8020调Q Nd:YAG激光器，发射355nm、532nm、1064nm三个脉冲激光发射波长，单模脉冲稳定度达到5％，频率20HZ，单脉冲发射能量分别大于300mJ，150mJ，400mJ，同时输出，脉 宽小于10ns，线宽小于1.5cm-1，24小时连续工作。
具体实施时，扩束器对出射脉冲激光进行准直扩束，针对355nm激光束可以采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束可以采用5倍扩束。扩束镜的基本参数可以为10mm/3X(355nm)/5X(532nm，1064nm)；入射孔径：10mm；光学材质：紫外波段融石英；光学透过率：>95％；抗损伤阈值：0.8J/cm2。
具体实施时，光学接收单元可以采用多通道接收光学单元设计，可以包括望远镜(TEL)及其分光滤光和聚光镜片组。第一系统和第二系统同时运行，工作在不同波段，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段(532nm和1064nm波段)。第一系统的光学接收单元可以包括：紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；第二系统的光学接收单元可以包括：可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组。具体的，紫外望远镜可以采用卡塞格林型，望远镜口径可以是450mm，焦距可以是4000mm；可见红外望远镜可以采用卡塞格林型，望远镜口径可以是300mm，焦距可以是4000mm。具体的，紫外望远镜可以接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；可见红外望远镜可以接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
具体实施时，紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均可以包括：光纤(OF)、与光纤连接的准直镜(L)、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片(F)。实施时可以使用先进的窄带滤波片构成体积较小的全滤波片分光光路，占用体积小，结构设计巧妙。
具体的，在紫外望远镜的分光滤光和聚光镜片组中，由二色分束片和多片窄带滤波片组成第一多色仪；在可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组中，由二色分束片和多片窄带滤波片组成第二多色仪。通过二色分束片与多片高性能窄带滤波片的结构组合分别组成的第一多色仪和第二多色仪，对望远镜收集的回波进行分光，如分开回波中的振动、转动拉曼信号及米、瑞利散射信号，以获取水汽、温度及云、气溶胶等的散射信息。第一多色仪和第二多色仪可以采用下表表1的参数：
具体实施时，信号探测及数据采集单元可以包括：光电倍增管(PMT)，用于将对应探测波长的光信号进行光电转换；数据采集器和光子计数卡，用于对光电转换后的信号进行数据采集。实施时，信号探测及数据采集单元还可以包括雪崩光电二极管(APD)。具体的，光电倍增管采用的参数可以是Φ8mm/80mA/W。数据采集器的频率可以是20MHz，采用12bit模数AD转换；光子计数卡的频率可以是250MHz。实施时，信号探测及数据采集单元可以分别探测分光后的七个通道的激光雷达回波信号，其中，转动拉曼通道2个，振动拉曼通道2个，米散射通道3个；可以采用高动态范围、低噪声光电倍增管与宽带放 大器；可以使用高速无畸变采集大动态范围回波光电信号，同时采集模拟和光子计数信号以避免由大动态范围引起的接收信号畸变，还可将采集的数据实时传入计算机以供后续处理。
具体实施时，控制单元可以采用脉冲触发控制，可以包括：脉冲延时器(PDG)，用于在感应到激光发射单元发出的激光后，发出触发脉冲信号(TRIG)，触发光学接收单元、和信号探测及数据采集单元启动运行；工控机，用于控制激光发射单元发射激光的时序和光学接收单元接收激光的时序。实施时，控制单元还可以包括显示器、键盘和鼠标等；控制单元可以按照操作时序控制整个系统各单元有条不紊的工作。
图2为本发明实施例中振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的一具体应用实例的示意图。图3为本发明实施例中第一系统的一具体实例的示意图。图4为本发明实施例中第二系统的一具体实例的示意图。在图3和图4所示的实例中：
第一系统包括：激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、和控制单元。其中激光发射单元包括：激光器LASER，二色分束片DBS3，扩束器BE1；光学接收单元包括：望远镜TEL1，光纤OF，准直镜L0，二色分束片DBS1-DBS2与多片高性能窄带滤波片F0-F5组成的第一多色仪；信号探测及数据采集单元包括：光电倍增管PMT1-PMT5，数据采集器和光子计数卡DA1-DA5；控制单元包括：脉冲延时器PDG，用于发出触发脉冲TRIG。望远镜TEL1可用于接收波长353nm、354nm、355nm、386nm、407nm的大气散射回波，其中355nm用于探测气溶胶后向散射，353nm、354nm用于探测大气温度及气溶胶消光系数，386nm、407nm用于测水汽分布。望远镜TEL1可以选用南京施密特光学仪器有限公司生产的卡塞格林系统，有效口径450mm，焦距4000mm。第一多色仪，用于对望远镜TEL1收集的回波进行分光，输出353nm、354nm、355nm、386nm、407nm五个波长。第一多色仪的各个参数可以如表1所示。
第二系统包括：激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、和控制单元。其中激光发射单元包括：激光器LASER，二色分束片DBS3，扩束器BE2；光学接收单元包括：望远镜TEL2，光纤OF，准直镜L1，二色分束片DBS4与多片高性能窄带滤波片F6-F7组成的第二多色仪；信号探测及数据采集单元包括：光电倍增管PMT6-PMT7，数据采集器和光子计数卡DA6-DA7；控制单元包括：脉冲延时器PDG，用于发出触发脉冲TRIG。望远镜TEL2可用于接收532nm、1064nm回波信号，分别用于探测两个波长上的消光系数及后向散射系数，结合355nm后向散射用于分析气溶胶和云的粒径分布信息。望远镜TEL2可以选用南京施密特光学仪器有限公司生产的卡塞格林系统，有效口径 300mm，焦距4000mm。第二多色仪，用于对望远镜TEL2收集的回波进行分光，输出532nm、1064nm回波，用于反演两个波长上的消光系数，与355nm结合用来反演云滴谱分布、气溶胶粒子谱分布。第二多色仪的各个参数可以如表1所示。图3和图4中，DIA表示小孔光阑，MIRROR表示转向镜。
图5为本发明实施例中上述振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法示意图。如图5所示，包括在第一系统和第二系统中：
步骤501、通过激光发射单元向空中发射激光；
步骤502、通过光学接收单元接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
步骤503、通过信号探测及数据采集单元从分光后的后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以云的参数信息；
步骤504、通过控制单元控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；
其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统同时运行。
具体实施时，在第一系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对355nm激光进行扩展和准直后，进入大气，发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过紫外望远镜接收紫外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm五个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器和光子计数卡进行数据采集，以转换成温度、湿度和355nm消光系数廓线数据。
具体实施时，在第二系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对可见红外激光进行扩展和准直后，进入大气；发射的355nm、 532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后的回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过可见红外望远镜接收可见红外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到532nm、1064nm两个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器和光子计数卡进行数据采集，以转换成532nm和1064nm消光系数廓线数据。
以图3的第一系统为例，在第一系统中：
第1步：由激光器LASER发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片DBS3分为紫外(355nm)与可见红外(532nm、1064nm)两部分，经扩束器BE1对355nm激光进行扩展和准直后，进入大气，发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；
同时，位于激光器附近的脉冲延迟器PDG感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号TRTG，使得在激光发出后回波信号到达前数据采集器和光子计数卡DA1-DA5准备接收后向散射回波信号。
第2步：通过望远镜TEL1接收紫外回波，由光纤OF导入准直镜L0。
第3步：通过二色分束片DBS1和DBS2与多片高性能窄带滤波片F0-F5的结构组合进行分光，这些滤波片与二色分束片共同组成第一多色仪，分别输出到353nm、354nm、355nm、386nm、407nm五个波长通道中。
第4步：由光电倍增管PMT1-PMT5(后置放大器)对输出信号进行探测，通过高性能采集卡进行模拟和光子计数DA1-DA5两种方式进行采集以防信号畸变。
第5步：采集后信号处理转换成温度、湿度和355nm消光系数廓线数据以供研究使用。
工控机用来控制激光发射和光电系统接收的时序，脉冲延时电路PDG用来控制发射和接收时差。
以图4的第二系统为例，在第二系统中：
第1步：由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片DBS3分为紫外(355nm)与可见红外(532nm、1064nm)两部分，经扩束器BE2对可见红外(532nm、1064nm)激光进行扩展和准直后，进入大气；发射的355nm、532nm、1064nm激光通过反射镜使得激 光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；
同时，位于激光器附近的脉冲延迟器PDG感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号TRTG，使得在激光发出后回波信号到达前数据采集器和光子计数卡DA6和DA7打开准备接收后向散射回波信号。
第2步：通过望远镜TEL2接收可见红外回波，由光纤OF导入准直镜L1。
第3步：通过二色分束片DBS4与多片高性能窄带滤波片F6-F7的结构组合进行分光，这些滤波片与二色分束片共同组成第二多色仪，分别输出到532nm、1064nm两个波长通道中。
第4步：由光电倍增管PMT6和PMT7(后置放大器)对输出信号进行探测，通过高性能采集卡进行模拟和光子计数DA6-DA7两种方式进行采集以防信号畸变。
第5步：采集后信号处理转换成532nm和1064nm消光系数廓线数据以供研究使用。
工控机用来控制激光发射和光电系统接收的时序,脉冲延时电路用于来控制发射和接收时差。第一系统和第二系统所得三个波长的消光系数可用来联合反演气溶胶粒径的垂直分布信息。
综上所述，本发明实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统使用新型的双系统设计方案，第一系统和第二系统均包括激光发射单元、光学接收单元、信号探测及数据采集单元、控制单元，其中第一系统和第二系统分别工作于紫外波段和可见红外波段，第一系统和第二系统的光学接收单元分别接收和处理紫外回波和可见红外回波，由信号探测及数据采集单元实现混合层信号无畸变采集，由控制单元保证系统有序运行，与现有激光雷达系统相比，能够同时对大气温度和湿度廓线、气溶胶和云物理特征进行连续自动的全天候观测；不仅探测范围大、探测精度高、连续性好，对于天气(如人工影响天气，天气预报等)和气候(如全球气候变化等)研究具有重要意义。
本发明实施例的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统中，大部分元器件都尽可能的采用轻小型全固化或模式化结构，使整个系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、易于控制和调节、工作稳定可靠等优点。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，包括：
第一系统和第二系统，其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；第一系统和第二系统均包括：
激光发射单元，用于向空中发射激光；
光学接收单元，用于接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
信号探测及数据采集单元，用于从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以及云的参数信息；
控制单元，用于控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；
所述第一系统的光学接收单元包括：紫外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；
所述第二系统的光学接收单元包括：可见红外望远镜及其分光滤光和聚光镜片组；
所述紫外望远镜具体用于接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；
所述可见红外望远镜具体用于接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号。
2.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元包括：
激光器、与激光器连接的二色分束片、以及与二色分束片连接的扩束器。
3.如权利要求2所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述激光器提供355nm、532nm和1064nm的脉冲激光光源。
4.如权利要求3所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述扩束器针对355nm激光束采用3倍扩束，针对532nm和1064nm激光束采用5倍扩束。
5.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述紫外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为450mm，焦距为4000mm；所述可见红外望远镜采用卡塞格林型，望远镜口径为300mm，焦距为4000mm。
6.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述紫外望远镜和可见红外望远镜的分光滤光和聚光镜片组均包括：光纤、与光纤连接的准 直镜、与准直镜连接的二色分束片、和与二色分束片连接的多片窄带滤波片。
7.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述信号探测及数据采集单元包括：
光电倍增管，用于将对应探测波长的光信号进行光电转换；
数据采集器和光子计数卡，用于对光电转换后的信号进行数据采集。
8.如权利要求7所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述光电倍增管采用的参数为Φ8mm/80mA/W。
9.如权利要求7所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集器的频率为20MHz，采用12bit模数AD转换；所述光子计数卡的频率为250MHz。
10.如权利要求1所述的振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统，其特征在于，所述控制单元包括：
脉冲延时器，用于在感应到激光发射单元发出的激光后，发出触发脉冲信号，触发光学接收单元、和信号探测及数据采集单元启动运行；
工控机，用于控制激光发射单元发射激光的时序和光学接收单元接收激光的时序。
11.一种权利要求1至10任一项所述振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统的工作方法，其特征在于，包括：
在第一系统和第二系统中，通过激光发射单元向空中发射激光；
通过光学接收单元接收大气对激光发射单元所发射激光的后向散射回波信号，对所述后向散射回波信号进行转动拉曼、振动拉曼以及弹性散射分光；
通过信号探测及数据采集单元从分光后的所述后向散射回波信号中获取大气温度、水汽、气溶胶以及云的参数信息；
通过控制单元控制激光发射单元、光学接收单元、和信号探测及数据采集单元运行；
其中，第一系统工作在紫外波段，第二系统工作在可见红外波段；
通过第一系统的光学接收单元接收355nm出射激光激发的354nm和353nm大气转动拉曼散射信号，355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号；
通过第二系统的光学接收单元接收532nm和1064nm出射激光激发的532nm和1064nm大气米散射信号；
通过第一系统的信号探测及数据采集单元从354nm和353nm大气转动拉曼散射信号， 355nm大气米散射信号，以及386nm大气氮气拉曼散射信号和407nm大气水汽拉曼散射信号中获取大气温度和水汽的参数信息；
通过第二系统的信号探测及数据采集单元从532nm和1064nm大气米散射信号中获取气溶胶和云的参数信息。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在第一系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对355nm激光进行扩展和准直后，进入大气，发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过紫外望远镜接收紫外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm五个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器和光子计数卡进行数据采集，以转换成温度、湿度和355nm消光系数廓线数据。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在第二系统中：
在激光发射单元中，由激光器发射三个波长的激光脉冲，通过二色分束片分为紫外与可见红外两部分，经扩束器对可见红外激光进行扩展和准直后，进入大气；发射的355nm、532nm、1064nm激光束通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并穿过大气，云以及气溶胶；同时，在控制单元中，位于激光器附近的脉冲延时器感应到发出的激光后，发出触发脉冲信号，使得在激光发出后的回波信号到达前信号探测及数据采集单元的数据采集器和光子计数卡准备接收后向散射回波信号；
在光学接收单元中，通过可见红外望远镜接收可见红外回波，由光纤导入准直镜；通过二色分束片与多片窄带滤波片的结构组合进行分光，分别输出到532nm、1064nm两个波长通道中；
在信号探测及数据采集单元中，由光电倍增管对输出信号进行探测，通过数据采集器和光子计数卡进行数据采集，以转换成532nm和1064nm消光系数廓线数据。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104793218A (zh) * 2015-05-07 2015-07-22 中国科学院合肥物质科学研究院 基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置
CN105319191A (zh) * 2015-07-13 2016-02-10 兰州大学 一种探测生物气溶胶的光谱仪式激光雷达系统
CN105988124A (zh) * 2016-03-04 2016-10-05 中国科学院合肥物质科学研究院 基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法
CN105891804A (zh) * 2016-06-27 2016-08-24 北方民族大学 一种多波长拉曼偏振激光分光系统及雷达系统
CN106054158A (zh) * 2016-08-09 2016-10-26 北方民族大学 一种探测拉曼激光雷达光路系统
CN106483531B (zh) * 2016-10-26 2018-11-16 中国科学院武汉物理与数学研究所 大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达及反演方法
EP3563180A4 (en) * 2016-12-30 2020-08-19 Innovusion Ireland Limited MULTI-WAVELENGTH LIDAR DESIGN
CN107144856B (zh) * 2017-05-16 2019-05-24 武汉大学 一种高精度测量0-35km大气温度的转动拉曼激光雷达系统
CN107894406B (zh) * 2017-10-23 2019-08-20 深圳市太赫兹系统设备有限公司 傅里叶变换红外光谱分析仪的控制方法、装置、存储介质和计算机设备
CN108106998B (zh) * 2018-01-05 2018-10-09 王子剑 大气污染物检测装置及检测方法
US11927696B2 (en) 2018-02-21 2024-03-12 Innovusion, Inc. LiDAR systems with fiber optic coupling
US12085673B2 (en) 2018-02-23 2024-09-10 Seyond, Inc. Distributed LiDAR systems
CN108445510A (zh) * 2018-06-08 2018-08-24 安徽科创中光科技有限公司 便携式高能高频激光雷达系统
CN109164466A (zh) * 2018-10-12 2019-01-08 北京聚恒博联科技有限公司 用于测量温度湿度廓线的激光雷达系统
CN109283550B (zh) * 2018-11-23 2023-05-05 中国科学院合肥物质科学研究院 全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法
CN109490905A (zh) * 2018-11-27 2019-03-19 苏州仓江行电子科技有限公司 一种臭氧监测激光雷达传送设备装置
CN111089824B (zh) * 2019-12-25 2022-04-22 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置
CN112558109A (zh) * 2020-12-07 2021-03-26 北京遥测技术研究所 一种机载多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统
CN113640831B (zh) * 2021-08-19 2024-03-08 中国科学院上海技术物理研究所 微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法
CN118112535A (zh) * 2024-03-01 2024-05-31 北方民族大学 一种基于取样光纤布拉格光栅的水汽探测分光系统及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203786295U (zh) * 2014-02-17 2014-08-20 北京师范大学 振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100543495C (zh) * 2006-12-20 2009-09-23 西安理工大学 气象与大气环境观测拉曼散射激光雷达系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203786295U (zh) * 2014-02-17 2014-08-20 北京师范大学 振动-转动拉曼-米散射多波长激光雷达系统

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