测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统

摘要

本发明设计了测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统。本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道：其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号,实现对云中水的相态进行探测。最后，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。

说明书

技术领域：

本发明设计了一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统。本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，通过窄带滤光片及水的不同相态反演技术，获得云中固、液态水的含量。本发明使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道：其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号；实现对云中水的相态进行探测。最后，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。

背景技术：

云的形成和演变，是大气中运动过程的具体表现，是预示着未来天气变化的重要征兆，借助云的观测，对正确判断大气运动状况，特别是对短期临近天气预报有重要意义。人工影响天气方面，只有全面掌握云的参数信息才能更为有效的进行人工影响天气活动。气候研究方面，云具有辐射强迫作用，影响地球系统的收支平衡，进而影响气候变化。研究表明，云辐射导致的全球温度变化比二氧化碳的影响大3倍还要多。在模式研究方面，云的物理特性及过程也是一个重要的话题，云信息的正确参数化对全球模式及区域天气预报模式十分重要。云的参数可以从地面观测也可以天基形式观测, 因此，云参数信息如云高、云厚、云的微物理特征，是检验数值天气预报和天气模型的重要依据。

对云的探测，除对云高、云厚、云状等宏观物理特性探测外，目前急需解决的是云内部微物理结构信息的探测问题，如云中水的相态、水的含量、水的粒径谱分布等。云中水的相态信息是云的一个重要的描述参数。云中冰晶或者是水滴是云中的主要物质，云对大气辐射传输的影响主要是由于冰晶或者水滴的散射和吸收造成。根据粒子散射理论，不同大小和含量的冰晶或者水滴的散射特性不同，其造成的辐射效应也不同，而云中的冰晶和水滴的大小和含量又随大气环境和云的种类而发生变化，因此，云中水的含量和粒径大小对研究云的辐射效应十分重要。若已知云中的含水量，假设云中水的粒径分布满足某一关系，则云中水的粒径谱分布与水含量之间可以由简单的数学关系获得，因此，研究云中水的含量问题变得至关重要。

目前为止，有多种对云的观测方法。卫星遥感有其自身的优势，可以从卫星轨道对全球云分布进行观测，但在云相态的探测方面，它只能从宏观上将云分为水相、冰相或混合相，并不能从微观上判定云水凝物粒子的相态，而且在云分类、云层重叠处理、低云观测等方面也存在很多问题，地表大面积的雪/ 冰、逆温层的出现等也会对卫星设备的被动观测产生很大影响。机载云滴粒子测量仪是人工影响天气中常用的仪器，可以测量飞机飞行路径上的云的各种参数，主要是云滴粒粒径谱、含水量等。机载云滴粒子探测器优势是能够直接测量云滴粒子，其结果较为准确，另外飞机可以采用飞行穿云的形式，可以获得大范围内云粒子参数，其缺点是飞机探测花费太高，又受空管限制，飞行机会并不多。就云的地面观测而言，气象业务中最常见的是人工观测方法，观测员通过对云状的判断和与目标物的对比，判断云高、云量。但人工观测时空分辨率低，且对云高的判断不如器测准确，对云量的判断则受观主观影响和观测者所处位置限制，因此，云观测业务中点人工观测将逐渐被云高仪和全天空成像仪所取代。云高仪和全天空成像仪是对云的宏观物理特性进行测量，不涉及云内部的微物理结构信息。探空仪则是将云观测仪器利用气球升力带入云中，云参数传感器将所测的相关参数传回地面。探空方式测云可以准确的得到云高、含水量、云粒径分布等信息，但缺点是时空分辨率低。微波辐射计是常用的被动观测仪器，可用于云含水量的反演，但作为被动遥感设备，微波辐射计在探测能力和空间分辨率上还有待提升。普通天气雷达由于其波长限制，对云的探测能力有限，随着毫米波技术的发展，毫米波雷达成为云观测的有力工具，毫米波雷达与普通的天气雷达相比波长短，能更好的与云中的水滴和冰晶相互左右，再配以扫描设备，毫米波雷达能够探测以雷达为中心几十公里内云的相关参数。为便于实地观测，毫米波雷达多做成方舱的形式，拖运方便，NASA则将毫米波雷达作为卫星有效载荷发射了Cloudsat卫星，可以对全球云分布进行测量。

就云的微物理特性的连续观测而言，目前毫米波雷达是被公认的一种有效的探测设备。激光雷达比毫米波测云雷达更具有优势：空间分辨率方面，激光脉宽按照10ns计算，其距离分辨极限为1.5m，高于毫米波雷达的空间分辨能力率；波长方面，毫米波雷达的电磁波长是3mm或者是8mm（国内），一般来讲远大于云中粒子的大小，两者的作用强度必然受到限制，制约了毫米波雷达对小粒子薄云的探测能力，而激光雷达一般使用波长小于1微米的激光，能更好的与云中的粒子相互作用，可用于监测毫米波雷达无法观测到的云形成初期的小粒子和薄云；作用方式上，由于激光峰值功率较高，除传统的弹性作用外（弹性散射），还可能激发非线性效应（拉曼效应），丰富了探测波长，可以获得更多云中水的信息；技术成熟度方面，毫米波雷达关键技术，特别是磁控管寿命和造价问题，是制约国内毫米波雷达应用的主要因素，由于造价和维护成本较高，国内目前仅有少数几家单位拥有测云毫米波雷达，与毫米波雷达相比，激光雷达各项技术比较成熟，系统简单，运行维护成本低廉，在应用推广上具有一定的优势。

用于云和气溶胶探测的微脉冲激光雷达在国外起步较早，非球形粒子退偏这一技术在国外相对也比较成熟，美国和欧洲的几项观测计划中相关站点大都有偏振激光雷达。具有偏振通道的拉曼激光雷达可以定性的描述云中水的相态，但要准确的获取水汽中的水含量需要用到水的光谱学知识（吸收光谱或拉曼散射光谱）。水汽拉曼激光雷达比水汽差分吸收激光雷达在系统复杂性、造价等方面具有优势，因此，国内外水汽拉曼激光雷达方面的研究较多。水汽拉曼激光雷达主要测量大气里面的水汽含量，而在云体内部，水的存在相态以液态水和固态水为主，目前为止，申请人尚未查到以云中固、液态水为探测对象激光雷达系统。本发明通过对云中固、液态水的拉曼散射光谱进行探测，建立可用于定量探测云中固态水和液态水含量的激光雷达系统，通过使用毫米波云雷达或探空气球对激光雷达系统进行标定，发展云中分相态水含量反演算法。发明利用拉曼技术，定量获取云中的固、液态水含量，对云微物理研究具有重要意义，填补我国在云中水相态探测的空白。

发明内容：

本发明目的在于提供一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统，其主要解决的技术问题是利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用基于窄带滤光片的探测通道分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号。本发明根据固、液态水探测通道拉曼散射信号强度反演出云中水的固、液态含量。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测系统，该探测系统包括：

1）主控系统，用于设置系统工作方式，包括激光收发系统探测方式，激光器工作方式，并将命令发至下位机；主控系统包含数据分析模块，将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量；

2）激光发射系统，根据主控系统的设置，调整激光器的工作方式及激光能量；

3）激光接收系统，作用在于收集不同距离处的大气回波强度信号、云中水的拉曼散射信号，并通过后继光路送往探测通道；

4）光电探测系统，接收各个探测通道的光信号，并转换成电信号送往数据采集分析系统；

5）数据采集系统，采用光子计数卡及高速AD采集卡采集光电探测系统探测的信号，发送给数据分析系统。

其中，所述接收系统采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片后继光路。

其中，所述光电探测系统分为四个探测通道，分别接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射；液态水的拉曼散射；固态水的拉曼散射和氮气分子的拉曼散射。

其中，所述四个探测通道中每一个探测通道包含有一片透镜，一片滤光片和一个光电倍增管。四个探测通道的滤光片的透过中心波长不同，第一至第4通道分别为355nm，401nm，404nm，386.7nm，355nm对应弹性散射波长，401nm对应固态水拉曼散射波长，404nm对应液态水拉曼散射波长，386.7nm对应大气中的氮气拉曼散射波长。

本发明测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤：

1）利用主控程序选择激光器的工作方式、接收系统的采集方式及反演水固、液态含量的初值设定，并向激光发射系统和激光接收系统发送指令；

2）利用激光发射系统控制（SureliteⅡ-20）激光器以20Hz的重复频率发射波长为355nm的脉冲激光；

3）利用激光接收系统中收发同轴的（Meade LX200）望远镜接收不同距离处的回波；

4）利用分光镜及滤光片将回波信号分别送入4个探测通道：通道1接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射称为弹性散射通道；通道2接收液态水的拉曼散射称为液态水探测通道；通道3接收固态水的拉曼散射称为固态水探测通道；通道4接收氮气分子的拉曼散射，用于归一化固、液态水探测通道的信号强度；

5）各个通道接收的回波信号通过光电探测系统，将光信号转化为电信号，并送给数据采集系统；

6）数据采集系统利用（采样率为10M的NI）数据采集卡采集通道1的弹性散射信号，利用两张（P7882）光子计数卡对另三个拉曼通道的信号进行计数；

7）主控系统对采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，结合拉曼激光雷达系统的标定结果，实时计算并显示云中固、液态水的含量，并将结果进行实时保存处理。

其中，根据通道3、通道2输出的比值R，推算固、液态水的比值，对两个通道输出进行光谱重叠纠正，结果直接代入单一相态固、液态水反演算法进行反演，即可确定云中固、液态水含量。

其中，所述反演算法如下：固态水拉曼散射的激光雷达方程写为：

 （1）

其中R为探测高度，P_ice为拉曼测云系统接收到的固态水的拉曼散射光功率，P₀是激光的发射功率，C_ice拉曼激光雷达的系统常数，σ_ice为固态水的微分散射截面，IWC为固态水含水量，α(υ₀，r)、α(υ_ice，r)为大气分子和气溶胶对发射激光和拉曼散射光的消光系数；

对于氮气拉曼通道，其接收到的拉曼散射光功率为：

  （2）

式（2）中各参数与式（1）中各参数分别对应，其中，N_N2是氮气的密度。将式（1）和式（2）经整理、变形，得到固态水含量密度的表达式：

（3）

式中，P_ice(R)/P_N2(R)从雷达测量中获取，C_N2N_N2(R)σ_N2(υ₀,υ_N2,T)/C_iceσ_ice(υ₀,υ_ice,T)缩写为K，其中K为系统参数，β(R)为分子的后向散射系数，则式（3）变为：

   （4）

由式（4），要得到云中固态水的含量，其中获得拉曼测云激光雷达的系统参数K的过程即为激光雷达系统的标定。激光雷达系统标定主要使用毫米波雷达和探空气球。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：

1、利用窄带滤光片实现4个通道的拉曼信号分离探测，达到对云中水的固、液态含量进行有效探测，填补国内云中水相态探测的空白；

2、通过对低云使用探空气球携带探测仪器进行云中水探测，对于高云使用毫米波测云雷达进行探测，借此实现对拉曼激光雷达系统参数的精确标定。

3、可以实现对云中水相态的高空间分辨率和高时间分辨率的探测。

4、本发明可以实施全天候无人值守监控。

附图说明： 

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的主控流程图。

图1中：L为透镜；BS 为滤光片组；F 为滤光片组盘；M为全反镜；通道1为弹性散射通道；通道2为液态水探测通道；通道3为固态水探测通道；通道4为氮气拉曼通道；PMT为光电倍增管。

具体实施方式：

本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过主控系统设置激光工作方式及系统初值设定，利用望远镜接收云的后向散射信号，后向散射信号经透镜变成平行光，光学接收部分共有4个探测通道，其中两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号。该激光雷达系统的三个拉曼通道使用两张光子计数卡进行光子计数，弹性散射通道则使用高速AD采集卡进行采集。并通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。

该系统由主控系统，SureliteⅡ-20激光器一台、激光发射系统、激光接收系统，光电探测系统、数据采集系统、数据分析系统组成。其中，各个系统独立单元，整体由主控系统计算机进行控制，保证系统稳定性。其中，激光器发射波长为355nm。其中，接收系统采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片等后继光路。其中，数据分析显示由主控计算机上的集成于主控系统中的数据分析系统进行分析完成。

使用该系统进行探测的前提是在激光器工作状态良好时，利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。具体步骤是：

在主控系统程序设置激光工作方式、系统工作时间、系统初值、反演初值等初始化启动信息。激光发射系统控制SureliteⅡ-20激光器产生355nm波长的激光辐射。利用收发异轴的Meade LX200望远镜接收不同距离处的回波。回波信号经透镜变成平行光，分别送往4个探测通道，其中两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号。将各个通道接收到的回波通过光电探测系统，将光信号转化为电信号。数据采集系统中利用采样率为10M的NI数据采集卡采集弹性散射信号，利用两张P7882光子技术卡对三个拉曼通道进行计数。由数据分析系统将采集的数据进行分析，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量，并在主控界面中进行显示，同时原始数据及分析结果由主控系统进行整理保存。

实施例一：

如图1所示，本发明的测量云中固、液态水含量的激光雷达探测系统，该探测系统包括： 

1）主控系统，用于设置系统工作方式，包括激光发射系统的出光模式和光电探测系统的探测方式，系统工作前，主控系统将设置命令发至下位机；数据分析系统是主控系统的一个软件模块,该模块将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量；主控系统还完成对采集的数据及分析的结果进行实时保存处理；

2）激光发射系统采用SureliteⅡ-20激光器，发射波长为355nm，该激光发射系统的控制系统可以作为下位机接收上位机发出的设置命令，用以调整激光器的工作方式及激光能量；

3）激光接收系统，采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片等后继光路，各部分考虑光学效率，镀有相应的全反膜或者增透膜，用于收集不同距离处的大气回波强度信号，并通过后继光路送往各个探测通道； 

4）光电探测系统使用EMI9214型光电倍增管，用于接收各个探测通道的光信号，并转换成电信号送往数据采集分析系统，共分为4个探测通道，分别接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射，液态水的拉曼散射，固态水的拉曼散射和氮气分子的拉曼散射。；

5）数据采集系统，采用光子计数卡（P7882）及高速AD采集卡（NI5105）采集光电探测系统探测的信号，并将该信号发送给数据分析系统。

实施例二：

如图2所示，本发明测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤：

1）利用主控程序选择激光器的工作方式、接收系统的采集方式及反演水固、液态含量的初值设定等，并向激光发射系统和激光接收系统发送指令；

2）利用激光发射系统控制SureliteⅡ-20激光器以20Hz的重复频率发射波长为355nm的脉冲激光；

3）利用激光接收系统中收发同轴的Meade LX200望远镜接收不同距离处的回波；

4）利用分光镜及滤光片将回波信号分别送入4个探测通道：通道1接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射称为弹性散射通道，通过该通道可以获取消光系数廓线，用于对拉曼散射信号的衰减订正。通道2接收液态水的拉曼散射称为液态水探测通道，PMT2前面的干涉滤光片F2的中心波长为λ_L,通带带宽为0.2nm。通道3接收固态水的拉曼散射称为固态水探测通道，PMT3前面的干涉滤光片F3的中心波长为λ_I,通带带宽为0.2nm。通道4接收氮气分子的拉曼散射，用于归一化固、液态水探测通道，通道1和通道4前面也均放置对应的窄带干涉滤光片用以滤除噪声。

5）将各个通道接收的回波信号通过光电探测系统，将光信号转化为电信号；

6）利用采样率为10M的NI数据采集卡（NI5105）采集弹性散射信号，利用两张P7882光子技术卡对三个拉曼通道进行计数；

7）主控系统的数据分析模块将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量； 

其中，激光发射系统SureliteⅡ-20发射355nm激光，利用望远镜Meade LX200接收云的后向散射信号，后向散射信号经透镜变成平行光，光学接收部分共有4个探测通道，其中两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号。该激光雷达系统的三个拉曼通道使用两张光子计数卡（P7882）进行光子计数，弹性散射通道则使用高速AD采集卡（NI5105）进行采集。利用该激光雷达系统可以实现、云中固、液态水含量的同时观测。

其中，光电探测系统使用量子效率高，响应光谱宽的光电探测器系统。

其中，对于液态水探测和固态水探测通道，分别选择极端天气观测时间窗口（仅存在固态水的冰云和仅存在液态水的水云），结合毫米波测云雷达和释放气球探空，分别对液态水探测通道和固态水探测通道进行标定。

其中，数据采集系统的光子计数卡采用峰值光子探测效率>70%，时间分辨率>300ps的数据采集设备，采集到的数据信息与主控程序相联系，根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量。

其中，主控系统中反演水固、液态含量的初值设定根据固、液态水的拉曼散射特点确定标识某一相态的拉曼散射波长，固、液态水的拉曼散射波长的选择可以通过计算固、液态水的拉曼散射光谱的比值进行，当固、液比值（I_i-I_l）/(I_l+ I_i)最大为R_max时，该波长选为固态水的拉曼特征波长λ_I，反之，当固、液比值最小为R_min时，该波长选为液态水的拉曼散射波长λ_L。

云中固、液态水的反演方法为，固态水拉曼散射的激光雷达方程可以写为：

  （1）

其中R为探测高度，即探测点距离地面的高度，可通过激光雷达测得；P_ice为拉曼测云系统接收到的固态水的拉曼散射光功率，可通过探测通道3测得；P₀是激光的发射功率，C_ice拉曼激光雷达的系统常数，σ_ice为固态水的微分散射截面，IWC为固态水含水量，α(υ₀，r)、α(υ_ice，r)为大气分子和气溶胶对发射激光和拉曼散射光的消光系数，可通过探测通道1测量获得。

对于氮气拉曼通道，即第4个探测通道，其接收到的拉曼散射光功率为：各方程中的参数均限定清楚，已知需给出，未知的给出求法

  （2）

式（2）中各参数与式（1）中各参数分别对应，其中，N_N2是氮气的密度。将式（1）和式（2）稍做整理、变形，可以得到固态水含量密度的表达式：

（3）

式中，P_ice(R)/P_N2(R)可以从雷达测量中获取，C_N2N_N2(R)σ_N2(υ₀,υ_N2,T)/C_iceσ_ice(υ₀,υ_ice,T)可以缩写为K，其中K为系统参数，β(R)为分子的后向散射系数，则式（3）可以变为：

   （4）

由式（4），要得到云中固态水的含量，需要知道拉曼测云激光雷达的系统参数K，获得K的过程称为系统标定，激光雷达系统标定主要使用毫米波雷达和探空气球。系统参数K的标定过程为，对于低云可以使用探空气球携带探测仪器对云中水进行探测，对于高云则可以使用毫米波测云雷达，通过选取特定云样本进行观测的方法测得云中的含水量，再结合激光雷达各通道的测量结果，通过上述反演公式，计算获得系统参数K。上述算法为固态水的反演算法，对于单一的液态水而言，算法与之相同，在此不再赘述。

 对于混合相态的云而言，激光雷达对混合相态的云进行测量时，由于固、液态水拉曼光谱的重合，导致部分液态水的拉曼散射进入固态水探测通道，部分固态水的拉曼散射进入液态水探测通道。要使用上述的单一相态水的反演方法，首先需要将固、液态水探测值进行订正。根据对固、液态水的拉曼光谱的研究，冰云的比值为R_max，水云的比值为R_min，固、液态水之间的比值R大于R_min小于R_max， R的比值与两者之间的混合比例有关，并可以建立数学模型，将固、液态水的比值和R之间建立一一对应关系。因此，对混合相态水进行激光雷达观测时，首先使用建立的数学模型，根据固、液两通道输出的比值R，推算固、液态水的比值，并根据该比值，对两个通道输出进行光谱重叠纠正，订正后的结果，可以直接带入单一相态固、液态水反演算法进行反演。

本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道：其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号，实现对云中水的相态进行探测。并通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。