专利名称：双波长双视场米散射激光雷达的结构及其探测方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达探测领域，具体的说是一种双波长双视场米散射激光雷达的结构及其探测方法。
背景技术：
激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。激光与大气的相互作用，产生包含气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用反演的方法就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年，即1961年，科学家就提出了激光雷达的设想，并开展了研究工作，40多年来，随着激光技术日新月异的发展，先进的信号探测和数据采集系统的应用，激光雷达以它的高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及大的探测跨度而成为一种重要的主动遥感工具。
目前，探测对流层气溶胶的米散射激光雷达系统一般存在以下三个方面的不足首先是系统比较复杂、体积较大、重量较重、不易移动和运输，限制了它的应用区域范围；其次探测高度有限，大部分局限在5～6km以下的边界层内，白天探测高度更低，第三长时间连续运行往往可靠性较差。
为了克服常规米散射激光雷达的上述缺点和不足，国际上，一种微脉冲激光雷达(Micro Pulse Lidar，简称MPL)问世。但是由于其输出能量在μJ量级，依靠高重复率(数千Hz)提高探测信噪比，因此探测时间长，白天探测高度也仅6km，而且如果其过长的几何重叠因子(4km左右)不能精确确定，会给气溶胶探测结果带来较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有可靠性强和准确度高的双波长双视场米散射激光雷达结构及探测方法。
本发明可以通过以下技术方案予以实现
一种双波长双视场米散射激光雷达的结构，其特征在于，包括激光发射单元、回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和采集单元及控制单元；所述的激光发射单元包括Nd:YAG激光器，激光器发射出532nm及1064nm两个波长的激光脉冲，与激光器的输出光轴平行的光轴上设置有回波信号接收单元，所述的回波信号接收单元包括直径200mm接收望远镜和直径400mm接收望远镜，直径400mm接收望远镜的后继光路上依次排列有小孔光阑、反射镜、目镜和分束镜；分束镜后光路分为两路，一路通过1064nm窄带滤光片连接光子计数探测器，光子计数探测器的输出电路上设置有放大器VT120，放大器VT120的输出电路上设置有光子计数卡MCS，光子计数卡MCS把采集到的信号送至计算机进行处理；另一路通过532nm窄带滤光片连接模拟探测器，模拟探测器的后继光路上设置有放大器777，放大器777的输出电路上设置有A/D数据采集卡，A/D数据采集卡把采集到的数字信号送至计算机进行处理；直径200mm接收望远镜的后继光路上依次排列有小孔光阑和目镜；目镜通过光纤把信号传送给分束镜，分束镜后光路分为两路，一路通过1064nm窄带滤光片连接光子计数探测器，光子计数探测器的输出电路上设置有放大器VT120，放大器VT120的输出电路上设置有光子计数卡MCS，光子计数卡MCS把采集到的信号送至计算机进行处理；另一路通过532nm窄带滤光片连接模拟探测器，模拟探测器的输出电路上设置有放大器777，放大器777的输出电路上设置有A/D数据采集卡，A/D数据采集卡把采集到的数字信号送至计算机进行处理。
双波长双视场米散射激光雷达的探测方法，其特征在于，包括激光发射单元回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和采集单元及控制单元；所述的激光发射单元采用Nd:YAG激光器，同时发射532nm及1064nm两个波长的激光脉冲，由直径分别为400mm和200mm的两个接收望远镜接收；直径400mm接收望远镜接收的光经过小孔光阑，由反射镜反射到目镜后平行射出，经过分束镜后分成两束光，一束为1064nm波长反射光，另一束为532nm波长透射光；98％的1064nm波长反射光通过1064nm窄带滤波片滤波后由光子计数探测器转换成电信号，经过放大器VT120放大后由光子计数卡MCS采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；85％的532nm波长透射光通过532nm窄带滤波片滤波后由模拟探测器进行光电转换，经过放大器777放大后由A/D数据采集卡采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；直径200mm接收望远镜接收的光经过小孔光阑后，通过目镜汇聚耦合送至光纤，经过分束镜分成两束光，一束为1064nm波长反射光，另一束为532nm波长透射光，98％的1064nm波长反射光通过1064nm窄带滤波片滤波后由光子计数探测器转换成电信号，经过放大器VT120放大后由光子计数卡MCS采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；85％的532nm波长透射光通过532nm窄带滤波片滤波后由模拟探测器进行光电转换，经过放大器777放大后由A/D数据采集卡采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；计算机通过RS232串口控制激光器出光，激光器输出的Q-Switch同步信号通过主波发生器，产生主波信号，其中4路分别送至两个光子计数卡MCS和两个A/D数据采集卡，作为4个采集板卡的触发信号，另外2路分别送至直径400mm接收望远镜后的光子计数探测器和模拟探测器，作为两个探测器的门控信号。
所述的直径400mm接收望远镜采用小视场，其视场大小由小孔光阑调节，接收高层大气后向散射回波信号。
所述的直径200mm接收望远镜采用大接收视场。
以下是本发明双波长双视场米散射激光雷达系统的主要技术参数
本发明具有以下特点1.双接收通道分别用于高低层532nm及1064nm的同时探测，每个通道有各自独立的视场，可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角度探测高度的要求；2.高低层同时探测，有效地缩短了获取大气信息的时间；3.低层接收通道可以进行水平探测，能够修正重叠因子和探测大气水平能见度；4.分别探测532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线和连续分布，以及水平消光系数连续分布，通过分析能够获得大气气溶胶的各种光学参数。
图1为本发明的结构框图；图2为直径400mm接收望远镜后继光学系单元另一光路图；图3为直径200mm接收望远镜后继光学系单元另一光路图；图4为双波长双视场米散射激光雷达系统工作流程图；图5为双波长双视场米散射激光雷达探测到的532nm波长实际回波信号图；图6为双波长双视场米散射激光雷达探测到的1064nm波长实际回波信号图；图7为双波长双视场米散射激光雷达探测到的532nm实际大气后向散射回波信号与数值模拟计算信号的比较图；图8为双波长双视场米散射激光雷达大气后向散射回波信号线性度的测试结果图；
图9为双波长双视场米散射激光雷达探测到的532nm和1064mm波长的大气气溶胶消光系数垂直廓线图；图10为双波长双视场米散射激光雷达(DWL)与偏振米散射激光雷达(PML)探测大气气溶胶消光系数垂直廓线对比图；图11为2007年1月9日17:00至10日18:00连续25小时探测大气消化系数变化图；图12为2007年1月9日17:00至10日18:00连续25小时，双波长双视场米散射激光雷达与Vaisala探测大气水平能见度变化对比图；图13为1月8日10:00至14:00，双波长双视场米散射激光雷达与太阳辐射计探测大气光学厚度的对比结果图；具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述图1为本发明的结构框图，图中包括激光发射单元、回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和采集单元及控制单元。激光发射单元包括Nd:YAG激光器，回波信号接收单元包括直径200mm接收望远镜和直径400mm接收望远镜。
图2为本发明中直径400mm接收望远镜后继光学系单元光路图，在图中直径400mm接收望远镜采用小视场(视场大小由小孔光阑调节)，接收高层大气后向散射回波信号，能够压制白天强烈的天空背景噪声，提高双波长双视场米散射激光雷达的探测高度。由接收望远镜接收的光经过小孔光阑后，由反射镜反射至目镜后平行出射，经过分束镜后，98％的1064nm波长反射光通过1064nm窄带滤光片后由光子计数探测器转换为电信号，经过放大器放大后由光子计数卡采集；85％的532nm波长透射光经过532nm窄带滤光片后，由模拟探测器进行光电转换后，经放大器放大后由A/D数据采集卡采集。
图3为本发明中直径200mm接收望远镜后继光学单元光路图，在图中直径200mm接收望远镜采用大接收视场，接收低层大气后向散射回波信号，可以降低探测的盲区，提高双波长双视场米散射激光雷达探测近地面大气气溶胶消光系数的准确性。由接收望远镜接收的光经过小孔光阑后，通过目镜会聚耦合至光纤，再经过球面反射镜与两个反射镜后，由分束镜分成两束光，与高层相同，98％的1064nm波长反射光和85％的532nm波长透射光分别经由相应的窄带滤光片、探测器和采集卡后，对数据进行采集。
图4为本发明双波长双视场米散射激光雷达系统的工作流程图，本系统中的计算机控制单元可以实现对整个系统的控制，实现数据的采集、传输和存储，并实时计算与显示测量数据。探测大气气溶胶垂直消光系数廓线时，先将两个接收望远镜垂直放置。开启双波长双视场米散射激光雷达系统软件后，进行系统的自检，并对光子计数卡、A/D数据采集卡和激光器进行初始化，正确初始化完毕，根据需要对探测参数进行设置，包含测量的组数与每组的采集的激光脉冲数，设置完毕后给激光器与数据采集卡发出开始工作指令，激光器出光后便开始采集，直至完成设定的组数后，激光器停止出光，同时对采集的数据进行存储、处理和实时显示。
图5和图6分别为2006年6月10日22:14，双波长双视场米散射激光雷达探测到的532nm和1064nm波长的实际回波信号。累计激光脉冲均为10000个，实线和虚线分别表示两个波长的高层和低层，532nm波长的高层门控位置设置在3.57km，1064nm波长的高层门控设置在1.56km。
图7是双波长双视场米散射激光雷达探测得到的532nm实际大气后向散射回波信号(实线)与数值模拟计算信号(虚线)比较结果，可以看出从6km至26km范围内完全相同。近地面至6km范围内，由于受地面人类活动与大气运动影响，实际探测的大气后向散射回波与数值模拟计算值不完全重合，但两条曲线的趋势基本一致。
图8是双波长双视场米散射激光雷达大气后向散射回波信号线性度测试结果。实线是在532nm波长低层通道的滤光片前插入与未插入50％的中性衰减片后探测得到的大气后向散射回波信号的比值，虚线是将激光器能量降低75％与激光器能量正常时探测得到的大气后向散射回波信号的比值，可以看出两条曲线值分别在0.5与0.75左右，表明了双波长双视场米散射激光雷达大气后向散回波射信号的强度未造成探测器的饱和或者失真状况，良好的线性度表明了该激光雷达探测获得的数据的准确性。
图9为双波长双视场米散射激光雷达在2006年12月29日8:51探测到的532nm(实线)和1064nm波长(虚线)的大气气溶胶消光系数垂直廓线，点划线是大气分子Rayleigh消光系数垂直廓线。从图中可以看出两个波长的消光系数探测结果符合波长指数关系。
为了检测双波长双视场米散射激光类探测大气气溶胶消光系数的性能及其可靠性，2007年1月10日夜晚，与另一台偏振米散射激光雷达同时进行了大气气溶胶消光系数垂直廓线的探测。
图10为双波长双视场米散射激光雷达(实曲线)和偏振米散射激光雷达(虚曲线)同时探测的532nm波长大气气溶胶消光系数垂直廓线的比较结果。图中的点划线是大气分子Rayleigh消光系数垂直廓线。显然，两个激光雷达系统探测的对流层大气气溶胶消光系数垂直廓线是相当一致的，同一高度区域上细微的结构也基本相似。大气气溶胶消光系数垂直廓线的探测高度白天大于10km，夜晚大于15km。
图11是2007年1月9日17:00至10日18:00连续25小时内，双波长双视场米散射激光雷达探测得到的532nm波长大气气溶胶消光系数变化情况。图12是相同时间内双波长双视场米散射激光雷达(实心)与Vaisala(空心)探测大气水平能见度变化对比情况。从图中可以看出两个系统探测的大气水平能见度变化趋势基本一致，9日17:00至18:00大气水平能见度急剧降低，由18km降低至5km左右，随后一直缓缓下降，至10日9:00达到最低值3km。之后大气水平能见度逐渐升高，直至15:00后大气水平能见度逐渐下降。双波长双视场米散射激光雷达具有自动连续观测的能力。
图13是2007年1月8日四个小时内，双波长双视场米散射激光雷达(实心)与太阳辐射计(空心)探测大气光学厚度的对比结果，可以看出两个系统探测的结果完全一致。双波长双视场米散射激光雷达具有探测大气光学厚度的能力。
权利要求
1.一种双波长双视场米散射激光雷达的结构，其特征在于，包括激光发射单元、回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和采集单元及控制单元；所述的激光发射单元包括Nd:YAG激光器，激光器发射出532nm及1064nm两个波长的激光脉冲，与激光器的输出光轴平行的光轴上设置有回波信号接收单元，所述的回波信号接收单元包括直径200mm接收望远镜和直径400mm接收望远镜，直径400mm接收望远镜的后继光路上依次排列有小孔光阑、反射镜、目镜和分束镜；分束镜后光路分为两路，一路通过1064nm窄带滤光片连接光子计数探测器，光子计数探测器的输出电路上设置有放大器VT120，放大器VT120的输出电路上设置有光子计数卡MCS，光子计数卡MCS把采集到的信号送至计算机进行处理；另一路通过532nm窄带滤光片连接模拟探测器，模拟探测器的后继光路上设置有放大器777，放大器777的输出电路上设置有A/D数据采集卡，A/D数据采集卡把采集到的数字信号送至计算机进行处理；直径200mm接收望远镜的后继光路上依次排列有小孔光阑和目镜；目镜通过光纤把信号传送给分束镜，分束镜后光路分为两路，一路通过1064nm窄带滤光片连接光子计数探测器，光子计数探测器的输出电路上设置有放大器VT120，放大器VT120的输出电路上设置有光子计数卡MCS，光子计数卡MCS把采集到的信号送至计算机进行处理；另一路通过532nm窄带滤光片连接模拟探测器，模拟探测器的输出电路上设置有放大器777，放大器777的输出电路上设置有A/D数据采集卡，A/D数据采集卡把采集到的数字信号送至计算机进行处理。
2.双波长双视场米散射激光雷达的探测方法，其特征在于，包括激光发射单元回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和采集单元及控制单元；所述的激光发射单元采用NdYAG激光器，同时发射532nm及1064nm两个波长的激光脉冲，由直径分别为400mm和200mm的两个接收望远镜接收；直径400mm接收望远镜接收的光经过小孔光阑，由反射镜反射到目镜后平行射出，经过分束镜后分成两束光，一束为1064nm波长反射光，另一束为532nm波长透射光；98％的1064nm波长反射光通过1064nm窄带滤波片滤波后由光子计数探测器转换成电信号，经过放大器VT120放大后由光子计数卡MCS采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；85％的532nm波长透射光通过532nm窄带滤波片滤波后由模拟探测器进行光电转换，经过放大器777放大后由A/D数据采集卡采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；直径200mm接收望远镜接收的光经过小孔光阑后，通过目镜汇聚耦合送至光纤，经过分束镜分成两束光，一束为1064nm波长反射光，另一束为532nm波长透射光，98％的1064nm波长反射光通过1064nm窄带滤波片滤波后由光子计数探测器转换成电信号，经过放大器VT120放大后由光子计数卡MCS采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；85％的532nm波长透射光通过532nm窄带滤波片滤波后由模拟探测器进行光电转换，经过放大器777放大后由A/D数据采集卡采集送至计算机进行数据的储存，处理和实时显示；计算机通过RS232串口控制激光器出光，激光器输出的Q-Switch同步信号通过主波发生器，产生主波信号，其中4路分别送至两个光子计数卡MCS和两个A/D数据采集卡，作为4个采集板卡的触发信号，另外2路分别送至直径400mm接收望远镜后的光子计数探测器和模拟探测器，作为两个探测器的门控信号。
3.根据权利要求1所述的双波长双视场米散射激光雷达的结构，其特征在于所述的直径400mm接收望远镜采用小视场，其视场大小由小孔光阑调节，接收高层大气后向散射回波信号。
4.根据权利要求2所述的双波长双视场米散射激光雷达的结构，其特征在于所述的直径200mm接收望远镜采用大接收视场。
全文摘要
本发明公开了一种双波长双视场米散射激光雷达的结构及其探测方法，包括激光发射单元回波信号接收单元、后续光学单元、信号探测和采集单元及控制单元；所述的激光发射单元采用Nd:YAG激光器，同时发射532nm及1064nm两个波长的激光脉冲，由直径分别为400mm和200mm的两个接收望远镜接收，两个接收望远镜后是后续光学单元，后续光学单元出来的光信号由信号探测和采集单元及控制单元接收。双接收通道分别用于高低层532nm及1064nm的同时探测，每个通道有各自独立的视场，可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角度探测高度的要求；分别探测532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线和连续分布，以及水平消光系数连续分布，通过分析能够获得大气气溶胶的各种光学参数。
文档编号G01S7/481GK101071171SQ200710023308
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者刘博 , 钟志庆, 迟如利, 范爱媛, 黄威, 王珍珠, 戚福弟, 周军 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所