探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统及反演方法与流程

本发明属于人工影响天气和激光主动遥感的交叉领域，涉及一种探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，本发明还涉及利用上述机载激光雷达系统探测云中过冷水的反演方法。

背景技术：

云中过冷水是人工影响天气领域中特别关注的参量，过冷水的存在及其含量是催化过冷云人工增雨作业的重要条件之一，也是衡量区域人工增雨潜力和增雨作业条件选择的重要指标之一。另外，云中的过冷水也严重威胁着飞机的安全，极易造成飞航事故。

目前，云粒子探测技术主要采用机载入云直接探测和地基微波雷达遥感探测两种方法。机载入云直接探测时，采用多种类型的机载粒子测量系统，可直接探测云粒子特性，具有自动连续取样、自动记录测量、精度高等优点；但是，其采样体积小而无法确保代表性，而且云中过冷水会直接威胁测量飞机的安全，对飞航安全存在较大的安全隐患。地基微波雷达遥感探测在大范围云系遥感探测中效果明显，如毫米波雷达除能描绘云的宏观结构，探测云的反射率、速度和谱宽，还可反演云微物理参数；但是由于微波波长远大于云中粒子直径，不能有效探测云中粒子的微观特性，探测精度受到限制。

而现有偏振激光雷达雷达技术大多集中于532nm的可见光波段和355nm的紫外域，主要用于大气底层气溶胶粒子的遥感探测，或者是晴空条件下的高空薄卷云的粒子特性研究，而用于云中过冷水探测的机载近红外激光雷达尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，解决了现有机载入云探测技术威胁飞航安全和微波遥感技术限制探测精度的问题。

本发明所采用的另一目的是提供利用上述激光雷达系统探测云中过冷水的反演方法。

本发明所采用的技术方案是，探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，该激光雷达系统为机舱式或外挂式，包括激光雷达主机和与激光雷达主机连接的收发系统，激光雷达主机包括依次连接的脉冲激光器、耦合凸透镜、分光镜、收发耦合反射镜，分光镜还与光电检测器连接，收发耦合反射镜依次连接有偏振分光系统和第一光电倍增管，偏振分光系统还与第二光电倍增管连接，脉冲激光器、光电检测器、第一光电倍增管和第二光电倍增管还分别与计算机控制处理系统连接；收发系统用于向大气发射激励激光脉冲，并接收大气粒子后向散射的回波信号。

本发明的特点还在于，

收发系统为机舱式收发系统或外挂式收发系统，其中机舱式收发系统包括依次与收发耦合反射镜连接的光阑、望远镜筒和望远镜；外挂式收发系统包括依次与收发耦合反射镜连接的第一光纤耦合器、多模光纤、第二光纤耦合器、外挂型望远镜筒、外挂型望远镜、外挂型反射镜。

收发耦合反射镜中央开有发射激光孔，使脉冲激光器输出的脉冲激光束通过耦合凸透镜后，通过发射激光孔会聚于光阑或第一光纤耦合器处。

光阑的直径为0.8mm，望远镜的口径为200mm，光阑位于望远镜的焦点处，望远镜位于机舱内。

外挂型望远镜的口径为200mm，第二光纤耦合器位于外挂型望远镜的焦点处，多模光纤的芯径为0.8mm，数值孔径为0.22，外挂型反射镜与外挂型望远镜光轴成45°角。

偏振分光系统包括依次连接的准直凸透镜、偏振分光棱镜、第一窄带干涉滤光片、第一会聚凸透镜，偏振分光棱镜还依次连接有第二窄带干涉滤光片和第二会聚凸透镜，偏振分光棱镜将入射光束分成两路，一路依次经过第一窄带干涉滤光片、第一会聚凸透镜输出至所述第一光电倍增管，实现光电检测，第一光电倍增管处于第一会聚凸透镜的焦点处，另一路经过第二窄带干涉滤光片及第二会聚凸透镜输出至所述第二光电倍增管，实现光电检测，第二光电倍增管处于第二会聚凸透镜的焦点处，第一窄带干涉滤光片和第二窄带干涉滤光片的中心波长与脉冲激光器发射激光的波长相同，带宽为0.25nm。

脉冲激光器通过第四连接电缆与计算机控制处理系统连接，光电检测器通过第三连接电缆与计算机控制处理系统连接，第一光电倍增管通过第一连接电缆与计算机控制处理系统连接，第二光电倍增管通过第二连接电缆与计算机控制处理系统连接。

脉冲激光器发射激光的波长为1000nm～1600nm的近红外波段。

本发明所采用的第二个技术方案是，上述探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的反演方法，包括以下步骤：

步骤1：由偏振激光雷达方程可知，系统接收到的由距离z处粒子所产生的P光和S光，经光电转换后的功率分别表示为：

$P_P\left(z\right)=k_P\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{z^2}\·{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)\·\exp \[-{\∫}_0^{z}2{\mathrm{\σ}}_P\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]---\left(1\right)$

$P_S\left(z\right)=k_S\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{z^2}\·{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)\·\exp \{-{\∫}_0^z\[{\mathrm{\σ}}_p\left(z^{\′}\right)+{\mathrm{\σ}}_S\left(z^{\′}\right)\]{\mathrm{dz}}^{\′}\}---\left(2\right)$

式中，P₀为激光束的单脉冲能量，k_P和k_S表示相应通道的系统常数，Y(z)为激光雷达系统的重叠因子，c为光速，τ为激光脉冲的宽度，A_R为望远镜的接收面积，β_P(z)和β_S(z)分别为距离z处粒子团后向散射系数的平行和垂直分量，σ_P(z)和σ_S(z)表示大气消光系数的平行分量和垂直分量；

步骤2：由于β_P(z)和β_S(z)可反映距离z处的粒子相态及数密度，其比值认为是该处粒子的退偏比，即

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}=K\·\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}---\left(3\right)$

式中，K＝k_P/k_S，表示偏振通道的灵敏度比，可由实验方法标定。因此，可得到退偏比随距离变化的廓线δ(z)，进而依据退偏比廓线δ(z)甄别云粒子相态；

步骤3：利用偏振通道的灵敏度比K加权式(2)，然后与式(1)相加，得到粒子的米散射信号P(z)，即

$P\left(z\right)=P_P\left(z\right)+K\·P_S\left(z\right)=(k_P+K\·k_S)\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{r^2}\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp \[-{\∫}_0^{z}2\mathrm{\σ}\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]---\left(4\right)$

选择地面静稳的雾霾天气，利用均匀的雾霾粒子，校正获得系统常数(k_P+K·k_S)和重叠因子Y(z)，然后，假设消光系数σ(z)与后项散射系数β(z)满足线性关系，利用成熟的Klett算法反演云粒子的消光系数廓线σ(z)；

步骤4：云含水量廓线C(z)通常表示为：

$C\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·r^3\·n(r,z)\·dr---\left(5\right)$

式中，ρ为水密度，r为粒子半径，n(r,z)是距离z处云粒子的数密度谱；而此处云粒子的消光系数σ(z)表达为：

$\mathrm{\σ}\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\mathrm{\π}\·r^2\·Q_{ex}\left(r\right)\·n(r,z)\·dr---\left(6\right)$

式中，Q_ex(r)为粒子的消光效率；

步骤5：式(5)与式(6)的比值表示为：

$\frac{C\left(z\right)}{\mathrm{\σ}\left(z\right)}=\frac{4\·\mathrm{\ρ}\·{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^3\·n(r,z)\·dr}{3\·{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^2\·Q_{ex}\left(r\right)\·n(r,z)\·dr}---\left(7\right)$

由于云粒子通常较大，近似取Q_ex≈2，上式化简为：

$C\left(z\right)=\frac{2}{3}\mathrm{\ρ}\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^3\·n(r,z)\·dr}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^2\·n(r,z)\·dr}\·\mathrm{\σ}\left(z\right)=\frac{2}{3}\·\mathrm{\ρ}\·R_{eff}\·\mathrm{\σ}\left(z\right)---\left(8\right)$

式中，R_eff是粒子的有效半径，通过机载的原位测量仪器PMS测得，因此由云粒子消光系数可反演得到云含水量廓线C(z)；

步骤6：要求飞机飞行在零摄氏度高度，激光雷达向上探测，则利用对流层内大气温度下降的趋势，则探测云粒子的都处于零摄氏度以下，因此，依据步骤2得到的退偏比廓线δ(z)和步骤5得到云含水量廓线C(z)，描述云中过冷水分布。

本发明的有益效果是，本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，通过激光遥感手段探测云中过冷水分布，解决了现有机载入云探测技术存在的云中过冷水威胁飞航安全的问题；解决了现有微波遥感技术中，由于微波波长远大于云中粒子直径，限制过冷水探测精度的问题，采用更短波长的近红外激励光源，提高云中过冷水探测精度。

附图说明

图1是本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的舱内安装示意图；

图2是本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的外挂型安装示意图；

图3是本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的结构示意图；

图4是本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的外挂型部分结构示意图；

图5是本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统中偏振分光系统的内部结构示意图。

图中，1.脉冲激光器，2.耦合凸透镜，3.分光镜，4.光电检测器，5.收发耦合反射镜，6.发射激光孔，7.光阑，8.望远镜筒，9.望远镜，10.偏振分光系统，11.第一光电倍增管，12.第一连接电缆，13.计算机控制处理系统，14.第二连接电缆，15.第二光电倍增管，16.第三连接电缆，17.第四连接电缆，18.第一光纤耦合器，19.多模光纤，20.第二光纤耦合器，21.外挂型望远镜筒，22.外挂型望远镜，23.外挂型反射镜，24.准直凸透镜，25.偏振分光棱镜，26.第一窄带干涉滤光片，27.第一会聚凸透镜，28.第二窄带干涉滤光片，29.第二会聚凸透镜，30.机舱开孔，31.外挂式收发系统。

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。

本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，如图1和图2所示，该激光雷达系统为机舱式或外挂式，机舱式激光雷达系统是集成设备，通过机舱开孔30与外界大气连接；外挂式激光雷达系统是分布式设备。

如图3所示，本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统，包括激光雷达主机和与激光雷达主机连接的收发系统，激光雷达主机包括依次连接的脉冲激光器1、耦合凸透镜2、分光镜3、收发耦合反射镜5，分光镜3还与光电检测器4连接，收发耦合反射镜5依次连接有偏振分光系统10和第一光电倍增管11，偏振分光系统10还与第二光电倍增管15连接，脉冲激光器1通过第四连接电缆17与计算机控制处理系统13连接，光电检测器4通过第三连接电缆16与计算机控制处理系统13连接，第一光电倍增管11通过第一连接电缆12与计算机控制处理系统13连接，第二光电倍增管15通过第二连接电缆14与计算机控制处理系统13连接。

收发系统为机舱式收发系统或外挂式收发系统31，其中机舱式收发系统包括依次与收发耦合反射镜5连接的光阑7、望远镜筒8和望远镜9；光阑7的直径为0.8mm，望远镜9的口径为200mm，光阑7位于望远镜9的焦点处，望远镜9位于机舱内。

外挂式收发系统31直接与外界大气连接，如图4所示，外挂式收发系统31包括依次与收发耦合反射镜5连接的第一光纤耦合器18、多模光纤19、第二光纤耦合器20、外挂型望远镜筒21、外挂型望远镜22、外挂型反射镜23。外挂型望远镜22的口径为200mm，第二光纤耦合器20位于外挂型望远镜22的焦点处，多模光纤19的芯径为0.8mm，数值孔径为0.22，外挂型反射镜23与外挂型望远镜22光轴成45°角。

收发耦合反射镜5中央开有发射激光孔6，使脉冲激光器1输出的脉冲激光束通过耦合凸透镜2后，通过发射激光孔6会聚于光阑7或第一光纤耦合器18处。

偏振分光系统10的结构，如图5所示，包括依次连接的准直凸透镜24、偏振分光棱镜25、第一窄带干涉滤光片26、第一会聚凸透镜27，偏振分光棱镜25还依次连接有第二窄带干涉滤光片28和第二会聚凸透镜29，偏振分光棱镜25将入射光束分成两路，一路依次经过第一窄带干涉滤光片26、第一会聚凸透镜27输出至所述第一光电倍增管11，实现光电检测，所述第一光电倍增管11处于第一会聚凸透镜27的焦点处，另一路经过第二窄带干涉滤光片28及第二会聚凸透镜29输出至所述第二光电倍增管15，实现光电检测，第二光电倍增管15处于第二会聚凸透镜29的焦点处，第一窄带干涉滤光片26和第二窄带干涉滤光片28的中心波长与脉冲激光器1发射激光的波长相同，带宽为0.25nm。

本发明探测云中过冷水的机载近红外激光雷达系统的工作原理为：脉冲激光器1发射激光的波长为1000nm～1600nm的近红外波段，例如，波长可为1570nm，脉冲能量为65mJ，激光脉冲重复率为20Hz，脉冲宽度为10ns，该激光束由耦合凸透镜2会聚，会聚光束依次经过分光镜3、收发耦合反射镜5上的发射激光孔6，会聚于光阑7处，然后经望远镜9准直后射向大气；光阑7位于望远镜9的焦点处；望远镜9的口径为200mm；激光束小部分能量由分光镜3反射，射向光电检测器4，实现光电转换，实时监测激光脉冲发射时刻，光电检测器4将监测到的信号经第三连接电缆16，返回计算机控制处理系统13，激光脉冲起始时刻用来控制计算机控制处理系统13的模数转换起始时刻，实现多激光脉冲回波信号累加，以提高激光雷达回波信号信噪比；计算机控制处理系统13还通过第四连接电缆17控制脉冲激光器1的工作状态。

射向大气的脉冲激光束在传输过程中，将与大气中的云粒子等物质产生相互作用，形成大气散射，其部分后向散射光被望远镜9收集；望远镜9收集的后向散射光，即激光雷达回波信号，将经光阑7照射在收发耦合反射镜5上，发射激光孔6以外的激光雷达回波信号经反射进入偏振分光系统10，偏振分光系统10的两路输出光信号分别进入第一光电倍增管11和第二光电倍增管15，实现光电转换，两路电信号分别经第一连接电缆12和第二连接电缆14输出至计算机控制处理系统13，实现模数转换；计算机控制处理系统还为第一光电倍增管11和第二光电倍增管15提供电源。

外挂式的激光雷达系统中，脉冲激光器1发射的激光束，透过收发耦合反射镜5上的发射激光孔6时，会聚于第一光纤耦合器18，耦合进入多模光纤19，传输至第二光纤耦合器20，再经外挂型望远镜22和外挂型反射镜23准直后射向大气；第二光纤耦合器20位于外挂型望远镜22的焦点处。激光雷达回波信号，经外挂型反射镜23和外挂型望远镜22会聚于第二光纤耦合器20处，耦合进入多模光纤19，经第一光纤耦合器18，照射在收发耦合反射镜5上，发射激光孔6以外的激光雷达回波信号经反射进入偏振分光系统10中进行分光处理。

信号在偏振分光系统10中传递时，输入信号照射在准直凸透镜24上，准直后进入偏振分光棱镜25，透射的P偏振光依次经第一窄带干涉滤光片26、第一会聚凸透镜27后出射，反射的S偏振光依次经第二窄带干涉滤光片28、第二会聚凸透镜29后出射，第一窄带干涉滤光片26和第二窄带干涉滤光片28的中心波长与脉冲激光器1发射激光的波长相同，带宽为0.25nm。

计算机控制处理系统13不仅需要完成四个通道电路信号处理，而且还要实现云中过冷水分布的反演算法，包括以下步骤：

步骤1：由偏振激光雷达方程可知，系统接收到的由距离z处粒子所产生的P光和S光，经光电转换后的功率分别表示为：

$P_P\left(z\right)=k_P\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{z^2}\·{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)\·\exp \[-{\∫}_0^{z}2{\mathrm{\σ}}_P\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]---\left(1\right)$

$P_S\left(z\right)=k_S\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{z^2}\·{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)\·\exp \{-{\∫}_0^z\[{\mathrm{\σ}}_p\left(z^{\′}\right)+{\mathrm{\σ}}_S\left(z^{\′}\right)\]{\mathrm{dz}}^{\′}\}---\left(2\right)$

式中，P₀为激光束的单脉冲能量，k_P和k_S表示相应通道的系统常数，Y(z)为激光雷达系统的重叠因子，c为光速，τ为激光脉冲的宽度，A_R为望远镜的接收面积，β_P(z)和β_S(z)分别为距离z处粒子团后向散射系数的平行和垂直分量，σ_P(z)和σ_S(z)表示大气消光系数的平行分量和垂直分量。

步骤2：由于β_P(z)和β_S(z)反映距离z处的粒子相态及数密度，其比值认为是该处粒子的退偏比，即

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}=K\·\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}---\left(3\right)$

式中，K＝k_P/k_S，表示偏振通道的灵敏度比，可由实验方法标定。因此，可得到退偏比随距离变化的廓线δ(z)，进而依据退偏比廓线δ(z)甄别云粒子相态。

步骤3：利用偏振通道的灵敏度比K加权式(2)，然后与式(1)相加，得到粒子的米散射信号P(z)，即

$P\left(z\right)=P_P\left(z\right)+K\·P_S\left(z\right)=(k_P+K\·k_S)\·P_0\·Y\left(z\right)\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_R}{r^2}\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp \[-{\∫}_0^{z}2\mathrm{\σ}\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]---\left(4\right)$

选择地面静稳的雾霾天气，利用均匀的雾霾粒子，校正获得系统常数(k_P+K·k_S)和重叠因子Y(z)。然后，假设消光系数σ(z)与后项散射系数β(z)满足线性关系，利用成熟的Klett算法反演云粒子的消光系数廓线σ(z)。

步骤4：云含水量廓线C(z)通常表示为

$C\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\frac{4}{3}\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·r^3\·n(r,z)\·dr---\left(5\right)$

式中，ρ为水密度，r为粒子半径，n(r,z)是距离z处云粒子的数密度谱。而此处云粒子的消光系数σ(z)表达为：

$\mathrm{\σ}\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\mathrm{\π}\·r^2\·Q_{ex}\left(r\right)\·n(r,z)\·dr---\left(6\right)$

式中，Q_ex(r)为粒子的消光效率。

步骤5：式(5)与式(6)的比值表示为：

$\frac{C\left(z\right)}{\mathrm{\σ}\left(z\right)}=\frac{4\·\mathrm{\ρ}\·{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^3\·n(r,z)\·dr}{3\·{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^2\·Q_{ex}\left(r\right)\·n(r,z)\·dr}---\left(7\right)$

由于云粒子通常较大，近似取Q_ex≈2，上式化简为：

$C\left(z\right)=\frac{2}{3}\mathrm{\ρ}\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^3\·n(r,z)\·dr}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{r}^2\·n(r,z)\·dr}\·\mathrm{\σ}\left(z\right)=\frac{2}{3}\·\mathrm{\ρ}\·R_{eff}\·\mathrm{\σ}\left(z\right)---\left(8\right)$

式中，R_eff是粒子的有效半径，可通过机载的原位测量仪器PMS测得。因此由云粒子消光系数可反演得到云含水量廓线C(z)。

步骤6：要求飞机飞行在零摄氏度高度，激光雷达向上探测，则利用对流层内大气温度下降的趋势，则探测云粒子的都处于零摄氏度以下，因此，依据步骤2得到的退偏比廓线δ(z)和步骤5得到云含水量廓线C(z)，描述云中过冷水分布。