大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法

摘要

本发明公开了一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法，该激光雷达由发射激光单元（1）、接收望远镜（2）、接收光纤（3）、信号检测单元（4）和信号处理单元（5）组成；采用高分辨光谱检测方法，测得激光激发大气分子产生的拉曼散射光谱信号，以及激发大气气溶胶颗粒物和大气分子上产生的米‑瑞利散射光谱信号，利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，从米‑瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱，获得只有大气气溶胶颗粒物的信号，反演获得大气气溶胶颗粒物信息。由于本发明增加了拉曼散射通道对低空回波信号的校正，消除低空米散射中瑞利散射造成的影响，具有提高大气气溶胶颗粒物探测精度的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及大气探测激光雷达，尤其涉及大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。

背景技术

大气的污染成分主要由气溶胶颗粒物(如：烟雾、尘埃等)和有害气体分子构成。其中，气溶胶颗粒物通常采用大气米散射机制的激光雷达测得，由米散射信号强度可得到大气中气溶胶颗粒物的浓度，如文献1(Mie LIDAR Observations of Tropospheric Aerosol over Wuhan.Atmosphere 2015,6,1129-1140)。

采用米散射激光雷达测量大气气溶胶颗粒物时，在回波光中，除了包含大气气溶胶颗粒物的米散射回波信号，还包含有其它大气分子(如N₂、O₂等)的瑞利散射和拉曼散射光信号，给颗粒物的定量检测带来了误差，尤其是随着高度的增加，大气气溶胶颗粒物逐渐减少，大气分子的所占的比例逐渐增加(当然存在特殊的天气情况，如遇到高层薄云、火山、大区域沙尘暴天气时，高空大气气溶胶也有可能含量较高)，瑞利散射和拉曼散射光信号的所占比重更大,对颗粒物的检测带来的误差也就更大。

为获得大气气溶胶颗粒物的含量，需要探测得到大气气溶胶和大气分子两种成分各自所占的比例。文献2(Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature,water vapor,particle extinction coefficient,and particle backscatter coefficient，APPLIED OPTICS，Vol.41,No.36，7657-7666,2002)采用探测米-瑞利弹性散射通道信号和大气分子的两个转动拉曼通道信号的方法，通过两个转动拉曼通道信号得到大气分子的密度，推算出米-瑞利弹性散射通道信号中大气分子所占的比例，进而得到米散射的大气气溶胶颗粒物的含量。

文献3(纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法，地球物理学报,Vol.55，No.11：3527-3533，2012)，采取与文献2类似的原理方法，不同之处在于，其所选的两个转动拉曼通道为氮气分子J＝4和J＝14的两个单支谱线。

上述文献2和文献3有效的获得了大气气溶胶和大气分子两种成分各自所占的比例，提高了对大气气溶胶颗粒物含量的探测精度，但同时也增加了系统结构和反算法的复杂度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。该雷达采用高分辨光谱检测方法，测得激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱信号，以及激光在大气气溶胶颗粒物和大气分子上产生的米-瑞利散射光谱信号，利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，选取探测拉曼散射光谱中对温度不敏感的一段光谱信号代表大气分子散射强度，再从米-瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱，获得只有大气气溶胶颗粒物信号。本发明通过增加一个拉曼散射通道对回波信号进行校正，消除米散射中瑞利散射对探测大气气溶胶颗粒物造成的影响，具有结构简单、探测探测精度高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、系统组成与结构

大气气溶胶颗粒物探测激光雷达由发射激光单元、接收望远镜、接收光纤、信号检测单元和信号处理单元组成；

其中，信号检测单元的构成是：在接收光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜、第一滤光片、第一聚焦镜和第一光电探测器；分光镜安装在准直镜和第一滤光片之间的光路中，且与光轴呈45度角，在分光镜的反射光路中依次同轴安装第二滤光片、第二聚焦镜和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器分别输出米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman。

接收望远镜的接收光轴与发射激光单元发出的激光束平行，接收光纤的一端安装于接收望远镜的焦点处，另一端连接到信号检测单元的输入端，信号检测单元输出的米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman分别连接到信号处理单元的输入端，发射激光单元输出的触发信号连接到信号处理单元的触发信号输入端。

米散射强度I_Mie按下式计算：

其中，I_Mie+Rayleigh为米-瑞利散射谱强度、I_Raman为拉曼光谱谱线强度、σ_Rayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、σ_Raman为大气分子常数拉曼散射截面；由米散射强度I_Mie可得到大气中气溶胶颗粒物的浓度。

上述分光镜为短波通滤光片，比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，米-瑞利散射光谱透射。

上述的第一滤光片为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光单元发出的激光波长，透射带宽为20cm^-1。

上述第二滤光片为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm^-1，透射带宽为5cm^-1。

2、工作原理

在激光激发大气的回波光谱中，包含米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱，其中，米散射谱的线宽与激光光谱线宽相当，米散射谱的回波强度I_Mie与大气气溶胶颗粒物的密度成正比；瑞利散射谱的线宽远大于激光光谱线宽，瑞利散射谱的回波强度I_Rayleigh与大气分子密度N成正比；米散射谱和瑞利散射谱是叠加在一起的，接收到的米-瑞利散射谱混合在一起的强度为I_Mie+Rayleigh，两者的比例随着大气中大气气溶胶颗粒物和大气分子的比例变化而变化，大致上随着高度的增加米散射谱的占比逐渐减少(当然，米散射谱和瑞利散射谱的占比随着污染程度具有不确定的变化性)。但目前没有有效的光谱分离手段将米散射光谱的回波强度I_Mie和瑞利散射光谱的回波强度I_Rayleigh准确的分离开。

在瑞利散射谱的两边产生拉曼散射谱，拉曼散射谱是激光激发大气中氮气和氧气等分子上产生的，比激光波长长的一侧是Stokes拉曼散射谱，比激光波长短的一侧是Anti-Stokes拉曼散射谱，因分子有很多转动能级，拉曼散射谱也就对应有很多条谱线，各拉曼散射谱峰值连线构成的包络线随着大气温度的变化而变化，但在偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线强度几乎不随温度而变化，该拉曼光谱谱线的强度只与大气分子的密度N成正比。根据上述分析，偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线的强度I_Raman与瑞利散射谱的强度I_Rayleigh均与大气分子密度N成正比，即：

I_Raman＝σ_RamanNLt

I_Rayleigh＝σ_RayleighNLt

其中σ_Raman和σ_Rayleigh分别是大气分子的已知常数拉曼散射截面和瑞利散射截面，L为空间分辨率，t为时间分辨率，由此得到：

从公式可以看出，只要测得I_Raman，就可得到I_Rayleigh。

根据上述分析，可以得到：

由上式可以看出：根据上述探测到米-瑞利散射谱强度I_Mie+Rayleigh和拉曼光谱谱线强度I_Raman，即可获得米散射谱强度I_Mie，I_Mie即是表征大气气溶胶颗粒物的米散射信号。

本发明的优点是：通过增加拉曼散射通道获得大气纯分子的散射信号，对回波信号进行校正，消除瑞利散射对探测大气气溶胶颗粒物造成的影响，具有提高探测精度的优点。

附图说明

图1为大气气溶胶颗粒物探测激光雷达结构示意图。

其中，1发射激光单元、2接收望远镜、3接收光纤、4信号检测单元、5信号处理单元。

图2为信号检测单元的结构示意图。

其中，3接收光纤、41准直镜、42分光镜、43第一滤光片、44第一聚焦镜、45第一探测器、46第二滤光片、47第二聚焦镜、48第二探测器、5信号处理单元。

图3为激光光谱、散射回波信号光谱及光学元件透射谱。

其中，42P分光镜透射谱、43P第一滤光片透射谱、46P第二滤光片透射谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，大气气溶胶颗粒物探测激光雷达由发射激光单元1、接收望远镜2、接收光纤3、信号检测单元4和信号处理单元5组成。

如图2所示，信号检测单元4的构成是：在接收光纤3的输出光路中依次同轴安装准直镜41、第一滤光片43、第一聚焦镜44和第一光电探测器45；分光镜42安装在准直镜41和第一滤光片43之间的光路中，且与光轴呈45度角，在分光镜42的反射光路中依次同轴安装第二滤光片46、第二聚焦镜47和第二光电探测器48；第一光电探测器45和第二光电探测器48分别输出拉曼信号I_Raman和米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh。

接收望远镜2的接收光轴与发射激光单元1发出的激光束平行，接收光纤3的一端安装于接收望远镜2的焦点处，另一端连接到信号检测单元4的输入端，信号检测单元4输出的拉曼信号I_Raman和米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端，发射激光单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端。

米散射强度I_Mie按下式计算：

其中，I_Mie+Rayleigh为米-瑞利散射谱强度、I_Raman为拉曼光谱谱线强度、σ_Rayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、σ_Raman为大气分子常数拉曼散射截面；由米散射强度I_Mie可得到大气中气溶胶颗粒物的浓度。

上述分光镜42为短波通滤光片，比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，米-瑞利散射光谱透射。

上述第一滤光片43为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光单元1发出的激光波长，透射带宽为20cm^-1。

上述第二滤光片46为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm-¹，透射带宽为5cm^-1。

本发明工作流程为：

发射激光单元1向空中发射一束激光,激光激发空中的大气气溶胶颗粒物和大气分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)回波，经接收望远镜2接收汇聚到接收光纤3，并传输进入信号检测单元4，信号检测单元4输出的拉曼信号I_Raman和米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端，发射激光单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端，用于同步数据采集。

回波光信号经接收光纤3进入信号检测单元4后，先由准直镜41准直成平行光，再经分光镜42进行光谱分光；分光镜42为短波通滤光片，从分光镜透射谱42P(图3)可知，大气散射回波光中的比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射，米-瑞利散射光谱以及比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被透射；分光镜42的反射光进入第二滤光片46，第二滤光片46是带通滤光片，从第二滤光片透射谱46P(图3)可知，第二滤光片46只允许Stokes拉曼散射谱中强度不随温度变化的谱线透过，透射光经第二聚焦镜47汇聚到第二探测器48，第二探测器48将光信号变成电信号，得到I_Raman，传送到信号处理单元4。

分光镜42的透射光照射到第一滤光片43，第一滤光片43为带通滤光片，由第一滤光片透射谱43P(图3)可知，比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被抑制，第一滤光片43只允许米-瑞利散射谱透过，并经第一聚焦镜44汇聚到第一探测器45，第一探测器45将光信号变成电信号，得到I_Mie+Rayleigh，传送到信号处理单元4。

信号处理单元4根据发射激光单元1的同步信号，同步采集第一探测器45和第二探测器48探测输出的I_Mie+Rayleigh信号和I_Raman信号。

根据公式根据上述探测到米-瑞利散射谱强度I_Mie+Rayleigh和拉曼光谱谱线强度I_Raman，即可获得米散射谱强度I_Mie，I_Mie即是表征大气气溶胶颗粒物的米散射信号。