专利名称：全天时全高程大气探测激光雷达的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光雷达，尤其涉及从近地面到110公里这一宽范围大气层段探 测的全高程激光雷达和连续24小时不间断大气探测的全天时激光雷达。
技术背景 从近地面到110公里高空大气层段，是日-地关系链中的重要环节，是空间物理和
大气科学的重要研究领域。激光雷达具有时空分辨率高、探测灵敏度高、可分辨探测物种和
不存在大气探测盲区等优点，特别适用于对这一层段大气多参量的探测。 大气探测激光雷达通常以30公里为界，分为低空探测激光雷达和高空探测激光
雷达。高空探测激光雷达主要有瑞利散射激光雷达和共振荧光激光雷达两种，瑞利散射激
光雷达的探测高度一般为30 80公里，而共振荧光激光雷达的探测高度为80 110公里。
30公里以下低空探测激光雷达则主要有米氏散射激光雷达、拉曼散射激光雷达、差分吸收
激光雷达等，其中米氏散射激光雷达可以实现约1 30公里的大气连通性探测。 德国IAP激光雷达组将共振荧光、瑞利散射、拉曼散射三台激光雷达联合起来
共同实现1 105公里夜间温度探测和80 105公里全天时探测(Temperature lidar
measurements from 1 to 105km altitude using resonance, Rayleigh， and Rotational
Raman scattering, Atmos. Chem. Phys. 2004，4 :793 800)。这种由多台激光器、多台望远
镜和诸多检测设备组成的系统，造价昂贵，调整复杂，维护困难。 一方面，多台激光器很难实
现同步发射，这会造成多台激光雷达回波信号在时间上不同步；另一方面，多个激光束会在
空间上产生一定偏离，造成多台激光雷达回波信号在空间上不一致。
发明内容 本实用新型的目的是提供一种全天时全高程大气探测激光雷达，该激光雷达通 过双波长发射、三通道同时接收、窄带滤光、以及收发联调等有机融合，不但实现了单台激 光雷达对1 110公里高空大气的夜间全程探测，还实现了对1 60公里和80 110公 里大气的全天时探测，进一步拓展了激光雷达的探测能力，为大气探测提供了一种更为有 效的设备。 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案 全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分、光学接收部分、信号检测部分 组成，其中 激光发射部分中的双波长发射装置可同时产生稳频的532nm和589nm两束激光。 532nm激光经第一棱镜发射，用于激发30公里以下的米氏散射和30 80公里的瑞利散射； 589nm激光经第二棱镜发射，用于激发80 110公里钠层的共振荧光。两个棱镜分别安装 在两个电动双轴倾斜台上，由计算机控制电动双轴倾斜台，对棱镜进行调节，使得两束激光 按要求的方向进行发射。
其中双波长发射装置为一种综合型多功能中高层大气探测激光雷达(专利号ZL 200710051538.5)中的第二发射装置，该装置中的Nd:YAG激光器采用种子注入技术获 得稳频的532nm激光，589nm激光的输出波长被锁定在钠原子的共振峰上(中国科学G， 37 (2) : 196-201)，使之与高空钠层产生有效共振。 光学接收部分采用两台接收望远镜，一台高空望远镜的焦平面上平行放置两根光 纤，分别用于接收532nm瑞利散射回波光和589nm钠层荧光回波光，并送入瑞利散散射通 道和钠层荧光通道；一台低空望远镜焦平面上放置一根光纤，用于接收532nm激光低空米 氏散射回波光，并送入米氏散射通道。高空望远镜采用较大口径接收望远镜且离两发射棱 镜3 8米，是为了获得更高的探测能力的同时，有效避免低空强散射回波光的干扰，实现 30 110公里探测；低空望远镜采用较小口径接收望远镜且离发射棱镜0. 1 1米，是为 了避免低空强散射回波光饱和的同时，使得收发匹配的起始高度尽可能低，实现1 30公 里探测。 信号检测部分同时获取米氏散射通道、瑞利散射通道(专利号
ZL200710051538. 5)和钠层荧光通道(专利号ZL 200710051538. 5)回波信号，并由计算机
采集和存储。在米氏散射通道、瑞利散射通道和钠层荧光通道中均采用了 pm量级带宽的窄
带滤光器，比普通干涉滤光片带宽窄2 3个数量级，且具有带外抑制更强的特点，可有效
滤除白天天空背景光噪声，配合稳频的532nm和589nm激光，实现三通道的全天时探测。 其中米氏散射通道由光纤准直器、窄带滤光器、聚焦镜、光电探侧器组成，光纤准
直器、窄带滤光器、聚焦镜、光电探测器依次排列，光纤出口的回波光经光纤准直器准直成
平行光，再经窄带滤光器后经聚焦镜聚焦到光电探测器，将回波光转变成电信号。 要实现两束激光同时发射，两台望远镜和三个通道的同时有效接收，须采用有效
的收发联调步骤，才能保证1 110公里全高程大气回波信号均收发匹配。高空收发匹配方
法为，高空望远镜竖直放置且固定不动，以保证其探测的是天顶方向大气回波信号，调整两
发射激光束方向使之与其接收视场匹配；低空收发匹配方法为，低空望远镜竖直放置，发射
激光束方向固定不动，调整低空望远镜焦面处光纤一端输入口位置使其接收视场与532nm
发射激光束方向匹配。具体步骤为，高空钠层荧光通道和瑞利散射通道收发匹配由计算机
控制两电动双轴倾斜台，带动发射棱镜实现发射激光束空间二维扫描，使得接收回波光聚
焦于高空望远镜焦平面上两接收光纤输入端，分别实现30 80公里和80 110公里收发
匹配；低空米氏散射通道的收发匹配由计算机控制电动双轴平移台，带动电动双轴平移台
上光纤水平二维移动，将接收光纤头的输入端对准低空望远镜接收回波光焦点，实现1
30公里收发匹配。至此，双波长同时发射、双望远镜同时接收的米氏散射、瑞利散射、钠层荧
光三个通道激光雷达接收系统整机收发联调完成，确保高、低空望远镜在其有效探测范围
内收发匹配。 全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分、光学接收部分、信号检测部分 组成。其中光学接收部分由低空望远镜、第一光纤、电动双轴平移台、高空望远镜、第二光 纤和第三光纤组成；低空望远镜竖直放置，电动双轴平移台平行安置在低空望远镜的焦平 面处，第一光纤一端的光纤头垂直安装在电动双轴平移台的中心，光纤头的端面位于焦平 面上；高空望远镜竖直放置，距离低空望远镜3 8米，第二光纤一端和第三光纤一端的光 纤头相距3 30毫米并排放置，两光纤头的端面均位于高空望远镜的焦平面处，两光纤头 的光轴均与高空望远镜的光轴平行；
4[0015] 激光发射部分由双波长激光发射装置、第一棱镜、第一电动双轴倾斜台、第二棱 镜、第二电动双轴倾斜台组成；双波长激光发射装置同时输出532nm和589nm两束激光， 532nm激光束对准第一棱镜中心，第一棱镜安装在第一 电动双轴倾斜台上，532nm激光束 经第一棱镜反射后与高空望远镜光轴平行；589nm激光束对准第二棱镜中心，第二棱镜安 装在第二电动双轴倾斜台上，589nm激光束经第二棱镜反射后偏离高空望远镜光轴方向 1. 5 15亳弧度； 信号检测部分由计算机、米氏散射通道、瑞利散射通道和钠层荧光通道组成；米氏
散射通道、瑞利散射通道和钠层荧光通道的输出端分别与计算机连接，计算机的输出控制
端分别连接到电动双轴平移台、第一电动双轴倾斜台和第二电动双轴倾斜台上。 上述信号检测部分中米氏散射通道、瑞利散射通道和钠层荧光通道中的窄带滤光
器采用复合滤光器或者双折射滤光器或原子滤光器。 上述光学接收部分中的低空望远镜或高空望远镜采用反射式望远镜、折射式望远 镜、折反式望远镜或组合望远镜。 本实用新型的优点和效果 全天时全高程大气探测激光雷达不但实现了单台激光雷达探测1 110公里高空 大气的夜间全程探测，还实现了单台激光雷达从1 60公里和80 110公里大气全天时探 测，具有技术方案先进、系统集成度高、工作可靠、操作简单、使用维护方便等优点，尤其是 保证了发射激光束在时间上同步，空间上一致，提升了单台激光雷达探测能力和应用范围， 从而可为中高层大气观测研究提供一种高性能探测设备，也为临近空间大气环境探测和空 间天气监测预报提供了一种有效的新手段。
图1为全天时全高程大气探测激光雷达示意图。 其中1激光发射部分、100双波长激光发射装置、101第一棱镜、102第一电动双轴 倾斜台、103 532nm激光束、104第二棱镜、105第二电动双轴倾斜台、106 589nm激光束； 2光学接收部分、210低空望远镜、211第一光纤、212电动双轴平移台、200高空望 远镜、221第二光纤、231第三光纤； 3信号检测部分、300计算机、310米氏散射通道、320瑞利散射通道、330钠层荧光 通道。
具体实施方式
实施例1 全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分1、光学接收部分2、信号检测部 分3组成，其中 光学接收部分2由低空望远镜210、第一光纤211、电动双轴平移台212、高空望远 镜200、第二光纤221和第三光纤231组成。低空望远镜210竖直放置，电动双轴平移台212 平行安置在低空望远镜210的焦平面处，第一光纤211 —端的光纤头垂直安装在电动双轴 平移台212的中心，光纤头的端面位于焦平面上；高空望远镜200竖直放置，与低空望远镜 210相距3 8米，第二光纤221 —端和第三光纤231 —端的光纤头并排相距3 30毫米放置，两光纤头的端面均位于高空望远镜200的焦平面处，两光纤头的光轴均与高空望远 镜200的光轴平行； 激光发射部分1由双波长激光发射装置100、第一棱镜101、第一电动双轴倾斜 台102、第二棱镜104、第二电动双轴倾斜台105组成。双波长激光发射装置100同时输出 532nm和589nm两束激光，532nm激光束103对准第一棱镜101中心，第一棱镜101安装在 第一电动双轴倾斜台102上，532nm激光束103经第一棱镜101反射后偏离高空望远镜200 光轴方向1. 5 15毫弧度；589nm激光束106对准第二棱镜104中心，第二棱镜104安装 在第二电动双轴倾斜台105上，589nm激光束106经第二棱镜104反射后与高空望远镜200 光轴平行； 信号检测部分3由计算机300、米氏散射通道310、瑞利散射通道320和钠层荧光 通道330组成；米氏散射通道310、瑞利散射通道320和钠层荧光通道330的输出端分别与 计算机300连接，计算机300的输出控制端分别连接到电动双轴平移台212、第一电动双轴 倾斜台102和第二电动双轴倾斜台105上。 要实现两束激光同时发射，两台望远镜和三个通道的同时有效接收，须采用有效
的收发联调步骤，才能保证1 110公里全高程大气回波信号均收发匹配。 全天时全高程大气探测激光雷达收发联调步骤为 al、采集钠层荧光通道330回波信号，并与模式大气廓线比较； a2、如果两者一致，表明钠层荧光通道330调整好，进入步骤a4 ;如果不一致，进入
步骤a3 ; a3、由计算机300控制第二电动双轴倾斜台105，调整第二棱镜104倾斜角度，使得
589nm回波光远场焦点逼近第三光纤231的输入口，进入步骤al ; a4、采集瑞利散射通道320回波信号，并与模式大气廓线比较； a5、如果两者一致，表明瑞利散射通道320调整好，进入步骤a7 ;如果不一致，进入
步骤a6 ; a6、由计算机300控制第一电动双轴倾斜台102，调整第一棱镜101倾斜角度，使得
532nm回波光远场焦点逼近第二光纤221 —端的输入口，进入步骤a4 ; a7、采集米氏散射通道310回波信号，并与模式大气廓线比较； a8、如果两者一致，表明米氏散射通道310调整好，进入步骤a10 ;如果不一致，进
入步骤a9 ; a9、由计算机300控制电动双轴平移台212，调整第一光纤211的接收位置，使得第 一光纤211的输入口逼近532nm激光束103远场焦点，进入步骤a7 ; alO、调整完毕，由计算机同时采集和处理三个通道回波信号。 实施例2 实施例1中的低空望远镜210或高空望远镜200采用反射式望远镜、折射式望远 镜、折反式望远镜或组合望远镜。 实施例3 实施例1中的窄带滤光器采用复合滤光器、双折射滤光器或原子滤光器。 本实用新型的工作过程为 激光发射部分的双波长发射装 发出的589nm激光，激发80 110公里钠层荧光，其回波光经高空望远镜聚焦到第三光纤入口 ，送入钠层荧光通道，获得80 110公里钠 层的钠原子数密度、波动信息；双波长发射装置发出的532nm激光，激发30 80公里大气 瑞利散射，其回波光经高空望远镜聚焦到第二光纤入口 ，送入瑞利散射通道，获得30 80 公里大气密度、温度、波动等信息；双波长发射装置发出的532nm激光，还同时激发1 30 公里大气米氏散射，其回波光经低空望远镜聚焦到第一光纤入口 ，送入米氏散射通道，获得 1 30公里大气密度、气溶胶、波动等信息。 在米氏散射、瑞利散射通道和钠层荧光中均采用了pm量级带宽的窄带滤光器，配 合稳频的532nm和589nm激光，实现三通道的全天时探测。 实现了单台激光雷达探测1 110公里高空大气的夜间全程覆盖，以及单台激光 雷达从1 60公里和80 110公里大气的全天时探测。
权利要求全天时全高程大气探测激光雷达由激光发射部分(1)、光学接收部分(2)、信号检测部分(3)组成，其特征在于，光学接收部分(2)由低空望远镜(210)、第一光纤(211)、电动双轴平移台(212)、高空望远镜(200)、第二光纤(221)和第三光纤(231)组成；低空望远镜(210)竖直放置，电动双轴平移台(212)平行安置在低空望远镜(210)的焦平面处，第一光纤(211)一端的光纤头垂直安装在电动双轴平移台(212)的中心，光纤头的端面位于焦平面上；高空望远镜(200)竖直放置，距离低空望远镜(210)3～8米，第二光纤(221)一端和第三光纤(231)一端的光纤头相距3～30毫米并排放置，两光纤头的端面均位于高空望远镜(200)的焦平面处，两光纤头的光轴均与高空望远镜(200)的光轴平行；激光发射部分(1)由双波长激光发射装置(100)、第一棱镜(101)、第一电动双轴倾斜台(102)、第二棱镜(104)、第二电动双轴倾斜台(105)组成；双波长激光发射装置(100)同时输出532nm和589nm两束激光，532nm激光束(103)对准第一棱镜(101)中心，第一棱镜(101)安装在第一电动双轴倾斜台(102)上，532nm激光束(103)经第一棱镜(101)反射后与高空望远镜(200)光轴平行；589nm激光束(106)对准第二棱镜(104)中心，第二棱镜(104)安装在第二电动双轴倾斜台(105)上，589nm激光束(106)经第二棱镜(104)反射后偏离高空望远镜(200)光轴方向1.5～15毫弧度；信号检测部分(3)由计算机(300)、米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和钠层荧光通道(330)组成；米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和钠层荧光通道(330)的输出端分别与计算机(300)连接，计算机(300)的输出控制端分别连接到电动双轴平移台(212)、第一电动双轴倾斜台(102)和第二电动双轴倾斜台(105)上。
2. 根据权利要求1所述的全天时全高程大气探测激光雷达，其特征在于，所述信号检 测部分(3)中米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和钠层荧光通道(330)中的窄带滤 光器采用复合滤光器或者双折射滤光器或原子滤光器。
3. 根据权利要求1所述的全天时全高程大气探测激光雷达，其特征在于，所述光学接 收部分(2)中的低空望远镜(210)或高空望远镜(200)采用反射式望远镜、折射式望远镜、 折反式望远镜或组合望远镜。
专利摘要本实用新型公开了全天时全高程大气探测激光雷达，涉及从近地面到110公里高空大气多参数同时探测的激光雷达。该激光雷达由激光发射部分(1)、光学接收部分(2)、信号检测部分(3)三部分组成。通过双波长发射、三通道同时接收、窄带滤光、以及收发联调等有机融合，形成全天时全高程大气探测激光雷达。其优点是在夜间，能实现对约1～110km高度范围的大气参量同时探测；在白天，能实现对约1～60km和80～110km两段高度范围的大气参量同时探测。本实用新型具有技术方案科学、系统集成度高、自动化程度好、工作可靠和使用方便等优点，为中高层大气研究和中高层大气环境监测提供一种高性能探测手段。
文档编号G01S17/95GK201464659SQ20092008396
公开日2010年5月12日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者李勇杰, 李发泉, 杨勇, 杨国韬, 王嘉珉, 王继红, 程学武, 窦贤康, 薛向辉, 贾汉春, 龚顺生 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所