本发明属于气溶胶探测装置技术领域，涉及一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统。
背景技术：
目前，探测大气气溶胶是环境研究的重要方法之一，它能提供宽泛的光谱信息，帮助我们更好地解释发生在大气中的各种现象，例如污染排放及其迁移传输、雾霾天气的形成机理、气溶胶的物理和化学特性等，这对许多研究领域都起着重要的作用。然而现有的气溶胶探测激光雷达由于采用脉冲激光器作光源，输出波长有限，不利于开展气溶胶特性研究，尤其是研究大气在特定波长上的辐射效应更是困难。同时，激光器体积大，驱动电路复杂，对环境要求高，成本高，维护困难。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统，解决了现有气溶胶探测激光雷达输出波长有限的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统，包括光源部分，还包括与光源部分所发射光束位于同一轴线的光信号接收部分，光源部分与光信号接收部分之间设置有反射镜，反射镜能够使光源部分所发射光束射入大气后散射向光信号接收部分，光信号接收部分通过光纤连接有分光检测部分，分光检测部分连接有数据采集模块，数据采集模块连接有计算机。
本发明的特点还在于，
靠近光源部分的光束发射处设置有光探测器PD，光探测器PD与数据采集模块连接。
光源部分包括位于同一轴线的白光LED和聚焦准直透镜组，白光LED连接有脉冲驱动电源。
聚焦准直透镜组包括距离白光LED发射光束处由近及远依次设置且位于同一轴线的全内反射式准直器、第一透镜、光阑和第二透镜。
脉冲驱动电源的脉冲频率为100kHz。
光信号接收部分包括卡塞格林望远镜，卡塞格林望远镜下方依次设置有小孔光阑和第一聚焦透镜，卡塞格林望远镜具有主镜和副镜，主镜中心设置有第一小孔，小孔光阑中心设置有第二小孔，且第二小孔与第一小孔位置对应。
分光检测部分包括通过光纤与第一聚焦透镜连接的第二聚焦透镜，还包括与第二聚焦透镜位于同一轴线的多个二向色镜，二向色镜的反射面正后方均依次设置有滤光片和光电倍增管，且距离第二聚焦透镜最远的二向色镜的透射面正后方依次设置有滤光片和光电倍增管，光电倍增管均与数据采集模块连接。
卡塞格林望远镜口径为254mm，视场角为13mrad。
滤光片为窄带滤光片。
本发明的有益效果是：本发明的一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统结构简单，使用方便；由一个探测光源便可同时获取多个波长的米氏散射信号，实现可分析气溶胶消光特性、粒子谱分布等各种要素信息；测量精度高，对测量结果的数据分析准确高效。
附图说明
图1是本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统的结构示意图；
图2是本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统中聚焦准直透镜组的结构示意图；
图3是本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统中分光检测部分的结构示意图；
图4是本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统实施例1的白光LED光源光谱图。
图中，1.反射镜，2.计算机，3.光探测器PD，4.脉冲驱动电源，5.白光LED，6.聚焦准直透镜组，7.小孔光阑，8.第一聚焦透镜，9.第二小孔，10.第二聚焦透镜，11.二向色镜，12.滤光片，13.光电倍增管，14.数据采集模块，15.卡塞格林望远镜，16.全内反射式准直器，17.第一透镜，18.光阑，19.第二透镜。
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。
本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统，如图1所示，包括光源部分，还包括与光源部分所发射光束位于同一轴线的光信号接收部分，光源部分与光信号接收部分之间设置有反射镜1，反射镜1能够使光源部分所发射光束射入大气后散射向光信号接收部分，光信号接收部分通过光纤连接有分光检测部分，分光检测部分连接有数据采集模块14，数据采集模块14连接有计算机2，靠近光源部分的光束发射处设置有光探测器PD3，光探测器PD3与数据采集模块14连接。
光源部分包括位于同一轴线的白光LED5和聚焦准直透镜组6，白光LED5连接有脉冲频率为100kHz的脉冲驱动电源4。
如图2所示，聚焦准直透镜组6包括距离白光LED5发射光束处由近及远依次设置且位于同一轴线的全内反射式准直器16、第一透镜17、光阑18和第二透镜19。
光信号接收部分包括口径为254mm，视场角为13mrad的卡塞格林望远镜15，卡塞格林望远镜15下方依次设置有小孔光阑7和第一聚焦透镜8，卡塞格林望远镜15具有主镜和副镜，主镜中心设置有第一小孔，小孔光阑7中心设置有第二小孔9，且第二小孔9与第一小孔位置对应。
如图3所示，分光检测部分包括通过光纤与第一聚焦透镜8连接的第二聚焦透镜10，还包括与第二聚焦透镜10位于同一轴线的多个二向色镜11，二向色镜11的反射面正后方均依次设置有窄带滤光片和光电倍增管13，且距离第二聚焦透镜10最远的二向色镜11的透射面正后方依次设置有窄带滤光片和光电倍增管13，光电倍增管13均与数据采集模块14连接。
本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统的工作过程具体如下：
打开脉冲驱动电源4，白光LED5发出的光束经过全内反射式准直器16进行一级准直，全内反射式准直器16将光束的发散角压缩在5°以内，该光束再依次经过第一透镜17、光阑18和第二透镜19进行二级准直，然后光束射出，白光LED5发出的光束经过聚焦准直透镜组6实现了毫弧度级的准直，光探测器PD3对射出光束的信号频率进行监控，并将实时数据传入数据采集模块14，再由数据采集模块14传送给计算机2，射出光束又经反射镜1反射后垂直或水平射入大气，经大气后向散射后的光由卡塞格林望远镜22接收，并依次经过小孔光阑7和第一聚焦透镜8由光纤传输到第二聚焦透镜10，光又通过第二聚焦透镜10后射向二向色镜11，二向色镜11根据波长使一部分光透过，而其余光反射，滤光片12使经二向色镜11反射的光选择性透过，其中，透过的二向色镜11距离第二聚焦透镜10越远，则透过二向色镜11的光的波长越长，选择性透过滤光片12的光经光电倍增管13检测后，将检测出的回波信号传入数据采集模块14，由数据采集模块14将数据送入计算机2进行分析处理。
计算机2对回波信号的处理即通过求解米氏散射雷达方程，求出气溶胶的消光系数，继而求得大气能见度、气溶胶粒谱分布等信息。
米氏散射雷达方程为：
(1)式中，P(z)为雷达接收到的来自z到z+Δz距离处的回波信号功率，z为探测距离，Δz为距离分辨率，C为雷达的系统常数，q为对应通道的效率(即通道的光学效率×PMT的量子效率)，P0为发射光束的功率，Ar为接收望远镜的收光面积，Y(z)为重叠因子，β(z)为被探测组分的后向散射系数，α(z)为气溶胶消光系数。
其中，在水平探测条件下，大气近似均匀，采用斜率法能够方便的对雷达方程进行求解。
斜率法求解过程具体如下：
令D(z)＝ln[P(z)·z2]
则气溶胶消光系数为：
根据米氏散射理论，气溶胶粒子对不同波长的光波发生的光学效应与其粒径大小有关，不同波长的光波对不同粒径颗粒的敏感性不同，可以利用多个波长的光学系数获取粒子的尺度分布信息。球形气溶胶粒子的光学系数可用第一类Fredholm积分表示为：
(2)式中，gi为气溶胶光学系数，i为光学系数的类型，Qi(r,m,λ)为光学作用的效率因子，r为粒子半径，m为复折射率，λ为入射光波长，dn(λ)/dr代表粒子数密度谱分布。
本发明一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统探测到回波数据，通过反演(1)式得到多个波长的光学系数gi后，通过Tikhonov正则化方法求解积分方程(2)式得到数密度谱，将(2)式改写成体积谱和表面积谱的形式可获得气溶胶粒子的体积谱和表面积谱，进一步计算得到有效半径、体积浓度、表面积浓度等微物理参量。
实施例1
本实施例提供一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统，包括光源部分，还包括与光源部分所发射光束位于同一轴线的光信号接收部分，光源部分与光信号接收部分之间设置有反射镜1，反射镜1能够使光源部分所发射光束射入大气后散射向光信号接收部分，光信号接收部分通过光纤连接有分光检测部分，分光检测部分连接有数据采集模块14，数据采集模块14连接有计算机2，靠近光源部分的光束发射处设置有光探测器PD3，光探测器PD3与数据采集模块14连接。
光源部分包括位于同一轴线的白光LED5和聚焦准直透镜组6，白光LED5连接有脉冲频率为100kHz的脉冲驱动电源4，白光LED5选用单颗功率为3W的暖黄光白光LED，该暖黄光白光LED的光谱图如图4所示。
聚焦准直透镜组6包括距离白光LED5发射光束处由近及远依次设置且位于同一轴线的全内反射式准直器16、第一透镜17、光阑18和第二透镜19。
光信号接收部分包括口径为254mm，视场角为13mrad的卡塞格林望远镜15，卡塞格林望远镜15下方依次设置有小孔光阑7和第一聚焦透镜8，卡塞格林望远镜15具有主镜和副镜，主镜中心设置有第一小孔，小孔光阑7中心设置有第二小孔9，且第二小孔9与第一小孔位置对应。
分光检测部分包括通过光纤与第一聚焦透镜8连接的第二聚焦透镜10，还包括与第二聚焦透镜10位于同一轴线的三个二向色镜11，三个二向色镜11的反射面正后方均依次设置有窄带滤光片和光电倍增管13，且距离第二聚焦透镜10最远的二向色镜11透射面正后方依次设置有窄带滤光片和光电倍增管13，光电倍增管13均与数据采集模块14连接。
其中，距离第二聚焦透镜10由近及远的二向色镜11可通过的长波波长依次为不小于490nm、不小于567nm和不小于638nm，并且根据图3暖黄色白光LED的光谱图的曲线峰值段选取与三个二向色镜11对应的窄带滤光片可通过长波的中心波长分别为450nm、525nm、600nm、661nm，其中可通过长波的中心波长为661nm的窄带滤光片与三个二向色镜11位于同一轴线。
打开脉冲驱动电源4，白光LED5发出的光束经过全内反射式准直器16进行一级准直，全内反射式准直器16将光束的发散角压缩在5°以内，该光束再依次经过第一透镜17、光阑18和第二透镜19进行二级准直，然后光束射出，白光LED5发出的光束经过聚焦准直透镜组6实现了毫弧度级的准直，光探测器PD3对射出光束的信号频率进行监控，并将实时数据传入数据采集模块14，再由数据采集模块14传送给计算机2，射出光束又经反射镜1反射后垂直或水平射入大气，经大气后向散射后的光由卡塞格林望远镜22接收，并依次经过小孔光阑7和第一聚焦透镜8由光纤传输到第二聚焦透镜10，光又通过第二聚焦透镜10后射向可通过的长波波长不小于490nm的二向色镜11，光先由该二向色镜11分为两部分，波长小于490nm的光被反射，并经过中心波长为450nm的窄带滤光片后，被与之对应的光电倍增管13检测，波长大于或等于490nm的光被透射，并照射到可通过的长波波长不小于567nm的二向色镜11，该二向色镜11又将光束分为两部分，波长小于567nm的光被反射，并经过中心波长为525nm的窄带滤光片后，被与之对应的光电倍增管13检测，波长大于或等于567nm的光被透射，并照射到可通过的长波波长不小于638nm的二向色镜11，该二向色镜11又将光束分为两部分，波长小于638nm的光被反射，并经过中心波长为600nm的窄带滤光片后，被与之对应的光电倍增管13检测，波长大于或等于638nm的光被透射，再经过中心波长为661nm的窄带滤光片后，被与之对应的光电倍增管13检测。这样，在本实施例的分光与检测部分就可以提取到四个波长的大气回波信号:450nm、525nm、600nm和661nm，将检测出的回波信号传入数据采集模块14，由数据采集模块14将数据送入计算机2进行分析处理，最终得到大气气溶胶的消光系数、大气能见度、Angstrom指数，以及气溶胶粒谱分布。
通过上述方式，本发明的一种采用白光LED作光源的气溶胶探测雷达系统结构简单，使用方便；由一个探测光源便可同时获取多个波长的米氏散射信号，实现可分析气溶胶消光特性、粒子谱分布等各种要素信息；测量精度高，对测量结果的数据分析准确高效。