气象与大气环境观测拉曼散射激光雷达系统

摘要

本发明公开的一种气象与大气环境观测拉曼散射激光雷达系统，包括发射系统、接收系统、分光与光电检测系统和数据处理系统。由发射系统脉冲激光器发出的脉冲激光，经准直后垂直射向大气，激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光由激光雷达的接收系统接收，接收到的激光雷达大气回波信号再送入分光系统进行分光后，由光电检测系统检测后，再送入数据处理系统进行分析处理，并根据预装入的程序，分别求得大气的温度数值、水蒸气密度、大气气溶胶光学特性参数和非球形粒子后向散射光的退偏振比。

说明书

技术领域

本发明属于气象与环境监测技术领域，涉及一种用于气象与环境监测的遥感探测工具，具体涉及一种用于气象与环境观测的拉曼散射激光雷达系统。

背景技术

在大气环境研究领域中，大气温度、水蒸气密度和大气成分等是进行大气研究的重要参数，比如：大气温度、水蒸气密度或相对湿度，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度及大气能见度、非球形粒子后向散射光的退偏振比等。现有获取上述参数的遥感探测工具中，最有效的是激光雷达，已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。

由于观测大气环境的激光雷达使用的是大气回波信号中的米散射信号，而用于气象观测的激光雷达利用的是瑞利散射或拉曼散射信号，所以通常的气象观测激光雷达与大气环境观测激光雷达都是使用各自独立的系统，不能实现一套系统同时进行气象参数和大气环境的观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种气象与大气环境观测拉曼散射激光雷达系统，利用该系统能实现大气温度、水蒸气密度(相对湿度)垂直分布等气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及后向散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等大气环境参数的测量，而且实现了一套系统同时进行气象参数和大气环境的观测。

本发明所采用的技术方案是，气象与大气环境观测拉曼散射激光雷达系统，包括：

一个发射系统，用于向大气发出脉冲激光；

一个接收系统，用于接收上述激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的大气回波信号，并将该回波信号送入

一个分光与光电检测系统，包括

分光器，用于将该回波信号中的转动拉曼谱线，水汽分子的振动拉曼谱线与米-瑞利散射谱线和太阳背景光进行分离，和

光电检测器，用于将上述分离后的各种散射光信号变为电信号接收下来并送入

一个数据处理系统，用于接收上述转换的电信号，进行分析处理，根据预装入的基于求解激光雷达方程的程序，分别求得大气的温度数值、水蒸气密度、大气气溶胶光学特性参数和非球形粒子后向散射光的退偏振比。

本发明的激光雷达系统不仅实现了大气温度、水蒸气密度(相对湿度)垂直分布等气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等大气环境参数的测量，而且实现了一套系统同时进行气象参数和大气环境观测的功能。

附图说明

图1是本发明激光雷达系统结构原理图；

图2是本发明的分光与光电探测系统的构成原理图；

图3是本发明分光系统中被确定的两个滤光片中心波长与转动拉曼光谱关系的曲线图；

图4是本发明分光系统中边缘反射镜位置的确定示意图；

图5是经分光器滤光以及边缘反射镜后大气回波信号的强度分布图；

图6是本发明系统理论上可实现的白天与夜晚的测量信噪比和温度测量误差的高度分布图。

图中，1.发射系统，2.接收系统，3.分光与光电检测系统，4.扩束器，5.数据处理系统，6.Nd:YAG激光器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

激光遥感的基础是光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的各种物理过程。各种散射机理中，米散射(Mie scattering)是一种散射谱的中心波长与入射激光波长相同，散射谱的谱宽近似于入射激光谱宽的弹性散射，它是由粒径相当或大于激光波长的气溶胶粒子引起的散射；瑞利散射(Rayleigh scattering)也是一种中心波长与入射激光波长相同，谱宽依存大气温度变化的弹性散射，它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象，主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量；拉曼散射(Raman scattering)可分为转动拉曼和振动拉曼散射，是一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，散射谱分布于入射激光谱线的两侧，其散射截面是各种散射机理中较小的一种，需要高效率的分光及检测系统，但由于其特殊的散射机理，很适合用来探测大气温度、水蒸气密度和大气成分。

本发明的激光雷达系统就是采用拉曼散射机理，利用大气分子(主要是N₂，O₂)的纯转动拉曼散射强度用于测量大气的温度，利用大气中的水汽分子产生的振动拉曼散射强度探测大气水汽的密度分布，同时结合大气分子的转动拉曼散射信号，反演得到在气象/气候学研究中具有重要作用的相对湿度的分布。

图1是本发明提供的一种激光雷达系统的实施例，激光雷达系统由发射系统1、接收系统2、分光与光电检测系统3和数据处理系统5构成。发射系统1包括Nd:YAG激光器6和用于对脉冲激光束进行扩束和准直的扩束器4。Nd:YAG激光器6发出波长为355nm的脉冲激光束，经扩束器4扩束后，垂直射向大气；激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光由望远镜接收系统2接收下来，经光纤导入分光与光电检测系统3中的分光器，分光器将接收系统2接收到的大气后向散射光分光成为该激光雷达所需的各种光信号，并由光电检测器检测，再送入数据处理系统5进行处理；数据处理系统5包括高速高精度数据采集卡、工控计算机、测试系统软件以及为得到测量结果所进行的数据分析与计算，最终求得大气的温度数值、水蒸气密度、大气气溶胶光学特性参数和非球形粒子后向散射光的退偏振比。

本发明系统所用的激光器为Nd:YAG脉冲激光器，并具有能输出其三次谐波分量(λ0＝355nm)并发射出去的光学部件和结构，采用望远镜作为接收系统。

为了使同一个激光雷达系统既能观测气象参数，又能观测大气环境，就必须有效分离大气回波信号中的各个散射信号光谱成分，并检测出来，还要有效利用其相互关系进行分析求解。本发明中分光与光电检测系统3中分光器的作用就是将回波信号中的转动拉曼谱线，水汽分子的振动拉曼谱线与米-瑞利散射谱线和太阳背景光进行分离，在温湿度探测通道中最大程度上抑制米散射、瑞利散射信号以及太阳背景光的干扰。

图2是本发明的分光与光电检测系统的一组成实施例。分光与光电检测系统3由分光器和光电检测器组成，包括一个高光谱分辨率光栅Grating、一个边缘反射镜Edge_mirror、5个窄带干涉滤光片IF_1、IF_2、IF_3、IF_4、IF_5、一个分光镜BS、一个偏振分光镜PBS以及光电检测部件PMT_1、PMT_2、PMT_3、PMT_4、PMT_5和PMT_6。大气的后向散射光由望远镜接收，经由光纤、聚光镜L_1照射到高光谱分辨率光栅Grating上，利用光栅的衍射效应，将雷达接收到的大气后向散射信号以及太阳光谱从空间上分离开，配合边缘反射镜Edge_mirror，将接收到的大气后向散射光谱中的纯转动拉曼光谱的反斯托克斯谱线与Mie-Rayleigh散射光谱以及太阳光谱从空间分开，让Mie-Rayleigh信号透过边缘反射镜，而让转动拉曼信号由边缘反射镜反射。

反射的拉曼信号经透镜L_3入射到窄带干涉滤光片IF_1上，透过窄带干涉滤光片IF_1的信号再透过窄带干涉滤光片IF_2(IF_1与IF_2的中心波长相同，为λ1(如：λ1＝353.9nm)，入射角相同，方向不同)，经透镜L_4聚焦后由光电倍增管PMT_1接收，此为通道1；由窄带干涉滤光片IF_1反射的信号，射向窄带干涉滤光片IF_3，透过窄带干涉滤光片IF_3的信号再透过窄带干涉滤光片IF_4(IF_3与IF_4的中心波长相同，为λ2(如：λ2＝353.1nm)，入射角相同，入射方向不同)，经透镜L_5聚焦后由光电倍增管PMT_2接收，此为通道2；用这2个波长的窄带于涉滤光片，分离了中心波长为λ1和λ2的转动拉曼散射信号，同时对噪声信号信号进行2次高精度滤除，以满足白天及高密度气溶胶空间的温度测量要求。通道1和通道2的信号用于测量大气温度。

接收的大气回波信号在经由光栅Grating衍射后，还可分出波长为407.5nm的振动拉曼信号，经反射镜M1反射后，射向窄带干涉滤光片IF_5(IF_5的中心波长为407.5nm)，经透镜L_6聚焦后由光电倍增管PMT_3接收，此为通道3，用于测量水蒸气。

透过边缘反射镜Edge_mirror的Mie-Rayleigh散射信号用于测量气溶胶特性参数，这部分光束经透镜L_7准直后，射向分光镜BS，透过分光镜BS的光束经透镜L_8聚焦后，由光电倍增管PMT_4接收，此为通道4，用于测量气溶胶光学特性参数。由分光镜BS反射的光束经偏振分光镜PBS又分为2部分：由PBS反射的光束经透镜L_9聚焦后，由光电倍增管PMT_5接收，此为通道5；透过偏振分光镜PBS的光束经透镜L_10聚焦后，由光电倍增管PMT_6接收，此为通道6。通道5和通道6用于测量气溶胶粒子的偏振度。

窄带干涉滤光片IF_1和IF_2的中心波长相同，窄带干涉滤光片IF_3和IF_4的中心波长相同，并且两个波长应同时设在激光波长的同一侧，其中心波长位置要根据纯转动拉曼散射光谱函数作相应的理论计算，将窄带干涉滤光片IF_1和IF_2的中心波长设在转动拉曼信号随温度变化率为最小处(λ1)，而将窄带干涉滤光片IF_3和IF_4的中心波长设在转动拉曼信号随温度变化率为最大处(λ2)，其光束入射角在0～10度之间。

图3是本发明分光系统中被确定的两个滤光片中心波长与转动拉曼光谱关系的曲线图。选择探测纯转动拉曼光谱的反斯托克斯支，根据转动拉曼信号后向散射截面公式，可以计算出N2分子在不同波长处的拉散射截面的变化以及温度系数如图3所示，由于低层大气温度范围在200K-300K，这里分别取T＝200K和T＝300K计算。由图可见，在353.9nm光谱处，拉曼信号随温度的负变化率最大，在353.1nm光谱处，拉曼信号随温度的正变化率为最大。为了保证探测的两个拉曼信号都具有一定的强度，所选用的窄带干涉滤光片就要保证一定的带宽，因而两个干涉滤光片的中心波长不能过于靠近，取两个窄带干涉滤光片IF_1和IF_2的中心波长λ1和λ2分别为353.9nm和353.1nm。

由于大气纯转动拉曼谱线的低量子数和高量子数谱线的强度会随温度的升高而分别减少和增强，选用上述2个中心波长的喇曼信号，并对2个测量信号进行差分处理，系统的温度测量敏感度成为2个通道温度敏感度的和，从而改善了系统的整体测温敏感度特性。

图4是本发明分光系统中边缘反射镜位置的确定示意图，利用高光谱分辨率光栅Grating对系统接收到的大气散射信号进行分光，光栅的谱分辨率为6pm，衍射光聚焦长度为300mm，取1级衍射级次。由光栅方程计算得到，经聚光镜后波长为λ1和λ2的衍射光与波长为λ0＝354.67nm的衍射光的空间直线距离分别为0.66mm和1.37mm。可见，利用光栅衍射，可以将Raman波长λ1和λ2的散射信号和Mie-Rayleigh散射信号从空间上和光谱上分离开来，并同时也将日光光谱分开。

散射信号光谱可简化为高斯模型，先取光斑直径d0＝0.30mm，温度T＝300K，经光栅分光后，转动量子数分别为6和14的转动Raman散射信号强度与Mie-Rayleigh散射信号强度沿x轴的分布如图4所示。由图4可见，将边缘反射镜Edge_mirror的遮光位置设在0.43mm处，就可以使Mie-Rayleigh散射信号以及大部分太阳背景光透过，而将拉曼散射信号反射向窄带滤光片。

根据图4所示的光谱位置，将边缘反射镜Edge_mirror的遮光位置设在0.43mm处，对各散射信号从边缘反射镜的遮光位置开始沿x轴进行积分，取J＝6得到进入通道1的拉曼散射截面强度为1.199×10^-34，取J＝14得到进入通道2的拉曼散射截面强度为0.62×10^-34，进入各通道内的剩余米散射截面强度和瑞利散射截面强度分别为0.3×10^-34和1.128×10^-34。改变光斑直径d0＝0.25mm，Mie-Rayleigh散射信号的光谱分布也示于图中，积分后，得到进入各通道内剩余的瑞利散射截面强度为1.166×10^-35，信号强度又降低了一个数量级。

由以上分析可见，利用光栅分光，并借助边缘反射镜，对Mie-Rayleigh散射信号的抑制率可以达到4个数量级，并且同时能将日光光谱分离并抑制。相对于只使用窄带干涉滤光片分光，这种分光方法光谱分辨率要高的多，更益于滤除Mie-Rayleigh散射信号及太阳背景光，同时实现了对拉曼信号的高效率获得。

散射信号经光栅分光以及边缘反射镜后，再分别通过窄带干涉滤光片IF_1、IF_2和IF_3、IF_4，又使Mie-Rayleigh散射信号被抑制3个数量级以上。至此，整个光路系统对Mie-Rayleigh散射信号的抑制率达到7个数量级以上。

图5是经分光器滤光后大气回波信号的强度分布图。

假设在白天波长λ0附近的太阳背景光的辐射能量密度为300W/m2/sr/μm，根据激光雷达的系统参数，可以估算出在波长λ1和λ2光谱线附近，系统探测到的太阳背景光强度为3.7×10^-11[W]。按照大气米散射信号模型以及雷达的系统参数，并考虑到分光系统对Mie-Rayleigh散射信号有7个数量级的滤除率，通过激光雷达方程可计算出进入雷达系统的各散射信号及太阳背景光的强度随探测高度分布，其结果如图5所示。

由图5可见，经光栅分光、边缘反射镜遮挡以及窄带干涉滤光片的滤光，对Mie-Rayleigh散射信号的滤除率达到7个数量级，有效地保证了测温所需的系统信噪比，并且探测的拉曼信号在2.5km高度以下要比太阳背景光强，因而可以实现白天低空大气温度探测。

图6是本发明系统理论上可实现的白天与夜晚的测量信噪比和温度测量误差的高度分布图。根据通道1和通道2中各自接收的拉曼散射信号光子数以及通道中剩余Mie-Rayleigh信号光子数和太阳背景光的光子数，计算出系统总信噪比SNR示于图6。取测量时间10分钟，，得到温度误差随探测高度R的变化曲线也示于图6，在图6中同时给出了白天和夜晚观测时的可能实现的探测温度误差随高度变化曲线。

数据处理系统5包括多通道同步高速A/D采集卡，工控计算机，以及为求得大气温度、水蒸气密度(相对湿度)以及大气气溶胶消光系数、气溶胶光学厚度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等参数所列的数据反演方法及其对应的应用软件。

由各个光电倍增管(PMT_1-PMT_6)检测出的信号经A/D采集卡的信号转换后，送入计算机进行记录与分析处理。对于由通道1和通道2获得的测量信号，计算机通过解转动拉曼散射激光雷达方程，可以求出大气温度的高度分布。对于由通道3获得的测量信号，计算机通过解振动拉曼散射激光雷达方程，可以求出水蒸气密度的高度分布。对于由通道4获得的测量信号，计算机通过解米散射激光雷达方程，可以求出气溶胶消光系数、后向散射系数等光学参数。对于由通道5和通道6获得的测量信号，计算机通过解偏振激光雷达方程，可以求出卷云和沙尘气溶胶等非球形粒子后向散射光的退偏振比。

具体包括：

1.可根据光电检测部件PMT_1和PMT_2检测得到的拉曼散射信号，按拉曼散射激光雷达方程求出探测得到的两个信号的强度以及两个信号的强度比，结合系统温度探测的灵敏度及系统校正参数，求得大气的温度数值。通过利用气温探测的灵敏度及检测得到的拉曼散射信号的信噪比，继而求出系统的气温探测误差。

2.可根据光电检测部件PMT_3检测得到的水蒸气振动拉曼散射强度信号，利用水蒸气拉曼激光雷达方程和转动拉曼激光雷达方程，消除大气消光系数的影响，经反演求得水蒸气密度。

3.可根据光电检测部件PMT_4检测得到的米-瑞利散射信号，按米散射激光雷达方程，经反演求得大气气溶胶光学特性参数。

4.根据光电检测部件PMT_5和PMT_6检测得到的与激光发射频率相同的散射信号的平行与垂直偏振分量信号，按偏振激光雷达方程，经反演求得非球形粒子后向散射光的退偏振比。