一种多视场偏振激光雷达探测系统及探测冰云的方法与流程
本发明涉及一种多视场偏振激光雷达探测系统及探测冰云的方法，具体涉及一种通过改变视场角测量反演冰云粒子微物理特性的方法，属于云粒子探测技术领域。
背景技术
云是地球气候系统的重要组成部分，60％～70％的地球表面被云覆盖，对于天气系统和气候变化的研究，云的物理特性是重要的考虑因素之一。云的辐射效应显著影响地气辐射收支的平衡。云的存在，不仅减少了到达地表的太阳辐射，同时也阻挡了部分地表长波辐射能量地散失，对大气温度有直接影响。此外，云的模拟是数值模式中最大的不确定因素和难点之一。云的探测为天气及气候模式提供初始场，不同类型云的降水潜力、内部动力特征和云的辐射效应都强烈依赖于其微物理特性，故深入研究云的微物理过程对提高模式的准确性具有重要意义。而且，了解云的微物理特性对于研究实际人工增雨作业及其效果评估具有重要意义。
云的几个物理量的探测中，探测云粒子的微物理特性是当务之急，如云粒子中的水粒子物理形态、水的含量、水粒子的大小。云中水的相态是一个非常重要的参数指标。如果探测到云中的含水量，假设云中水粒子的粒径分布满足某一种特定关系，则云中的粒径谱分布与含水量之间可用数学公式推导出来，所以，研究云中水含量十分重要。
常规地面观测为研究云的全球分布和变化以及云对全球气候的影响积累了大量宝贵的资料，但是人工观测只能提供云高、云状等宏观信息，主观性强，会对观测带来较大误差。各种遥感设备的应用使人们获得了更为准确连续的云物理特性信息，卫星遥感有其独特的特点，在卫星轨道上对全球云的分布进行观测，在云物理特性测量方面，它只能从整体上去区分水的相态是水相还是冰相，但不能从微观上对云中的水粒子进行区分，并且在出现多层重叠云时会出现观测方面的问题，在低云的观测等方面也存在问题。机载云粒子测量仪是目前常用的人影响天气的仪器，能够对飞机飞行路径上的云粒子的各种参数进行测量，能够测量云粒子的粒径以及云中的含水量，机载云粒子探测器可以直接测量云粒子，结果较为准确，但是费用相对其他观测方式比较高，观测次数受到限制。普通天气雷达由于其波长的限制，对云的微物理特性探测能力也有限，随着毫米波技术的发展，毫米波成为了观测云最常用的手段，相比于普通的天气雷达，毫米波测云雷达是探测云的理想工具，具有较高的时空分辨率且能连续观测，但对大粒子更为敏感，很难探测到较薄的卷云，激光雷达相比于毫米波雷达，更有其独特的优势：空间分辨率方面，其距离分辨率的最小值为1.5m，比毫米波雷达的空间分辨能力要强；对于波长，毫米波雷达的波长一遍是3mm或者8mm，对于大多数云来说，该波长远大于云粒子的大小，因此其探测能力肯定受到一定程度的限制，尤其是对薄云中小粒子的探测能力，而激光雷达的波长一般小于1微米，对云中各种粒子的探测能力更强，并且能够监测到毫米波无法监测到的小粒子薄云。技术方面，毫米波雷达的造价和维护的费用比较昂贵，相比于毫米波雷达，激光雷达的各项技术均已成熟，系统更为简洁，运行维护的费用相对更低，在以后的普及中更有优势。但是，传统的激光雷达仅能测量单一视场角下的激光雷达回波，根据mie散射理论，单一视场角的激光雷达回波无法反映云粒子的尺度谱信息，因此，多视场激光雷达对于研究云的微物理参数具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种多视场偏振激光雷达探测系统及探测冰云的方法，该方法通过改变视场角的大小，获得不同视场角下的云粒子的后向散射信号，通过使用t-matrix方法进而得到云粒子的横纵比、等效粒径以及冰水含量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种多视场偏振激光雷达探测系统，包括发射模块、接收模块和主控模块，其中：
所述发射模块包括激光器、扩束镜和第一反射镜，所述激光器发出的激光通过所述扩束镜和第一反射镜发射到大气中；
所述接收模块包括望远镜、第二反射镜、电动小孔、凸透镜、滤光片、偏振片、衰减片、偏振分束器、第一至第二光电探测器和信号采集模块；所述望远镜接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光依次经过电动小孔、凸透镜变换为平行光，平行光依次经过滤光片、偏振片、衰减片后经过偏振分束器，偏振分束器输出的两路光信号分别输入第一光电探测器、第二光电探测器，信号采集模块分别对第一光电探测器、第二光电探测器的输出进行光子计数；
所述主控模块分别与激光器、电动小孔、信号采集模块连接，以控制激光器发射激光、通过调节电动小孔的孔径变换激光雷达的视场角、根据接收信号采集模块的计数结果计算冰水含量以及不同视场角下的退偏比、比对不同视场角下的退偏比变化趋势与不同横纵比下六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势得到云粒子的横纵比、比对不同视场角下的退偏比变化趋势与不同等效粒径六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势得到云粒子的等效粒径。
作为本发明的进一步技术方案，所述信号采集模块采用p7882型号的光子计数卡。
作为本发明的进一步技术方案，所述激光器发出的激光波长为532nm。
作为本发明的进一步技术方案，所述第一光电探测器、第二光电探测器均为h10682-110型号的光电倍增管。
作为本发明的进一步技术方案，所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
另一方面，本发明还提供一种利用上述一种多视场偏振激光雷达探测系统探测冰云的方法，包括以下具体步骤：
步骤1，主控模块控制激光器发射激光，激光器发射的激光经过扩束镜和第一反射镜垂直发射到大气中；
步骤2，利用望远镜垂直接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光经过第二反射镜反射后依次穿过电动小孔和凸透镜后变为平行光，平行光再依次通过滤光片、偏振片和衰减片后进入偏振分束器，偏振分束器输出的水平偏振光和垂直偏振光分别传到第一光电探测器、第二光电探测器，其中，第一光电探测器将水平偏振光转化为电信号并传输至信号采集模块，第二光电探测器将垂直偏振光转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块分别对接收到的两个电信号进行光子计数，得到两个计数结果；
步骤3，通过主控模块调节电动小孔的孔径，并重复步骤2，得到两组对应不同视场角的计数结果，再利用主控模块对两组计数结果进行实时分析，计算不同视场角下的退偏比；
步骤4，对两组计数结果中的任一组进行处理得到消光系数廓形图，再利用激光雷达反演冰水含量的经验公式反演得到冰水含量；
步骤5，使用t-matrix方法计算不同横纵比下六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势，与步骤3得到的不同视场角下的退偏比的变化趋势进行对比，相似度最高时对应的横纵比即为云粒子的横纵比；
步骤6，使用t-matrix方法计算不同等效粒径六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势，与步骤3得到的不同视场角下的退偏比的变化趋势进行对比，相似度最高时对应的等效粒径即为云粒子的等效粒径。
作为本发明的进一步技术方案，步骤1中激光器发射532nm波长的激光。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明利用多视场偏振激光雷达探测冰云的方法，通过调节电动小孔的孔径大小，控制激光雷达接收系统接收到的激光的视场角，来获得不同视场下的水平偏振光信号和垂直偏振光信号，从而反演出冰云中粒子半径和冰水含量；
2、本发明多视场激光雷达探测系统及方法，利用偏振通道信息对云层特性进行遥感反演，系统简洁，运行维护的费用相对较低，在以后的普及中具有很好的优势。
附图说明
图1是本发明中多视场激光雷达的整体架构图。
其中，1-激光器，2-扩束镜，3-第一反射镜，4-望远镜，5-第二反射镜，6-电动小孔，7-凸透镜，8-滤光片，9-偏振片，10-衰减片，11-偏振分束器，12-第一光电探测器，13-第二光电探测器，14-信号采集模块。
图2是线性退偏比与云粒子横纵比和散射角之间的关系。
图3是线性退偏比与云粒子有效粒径和散射角之间的关系。
图4是方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
由于冰云粒子大多为非球形粒子，t-matrix方法是严格计算共振非球形粒子光散射最有效和使用最广泛的方法之一。在该方法中，为了描述光对任意非球形粒子的光散射，采用原点设在粒子内部的粒子球面坐标系，这样球面坐标系中的粒子对光的散射场和入射场可用矢量球面波函数进行展开。由矢量球面波和广义边界条件理论,可得来自散射体外接球之外的入射场einc和来自于散射体内切球以内的散射场esca矢量球面波函数展开分别为：
式中：k＝2π/λ为环境介质中的波数；r表示距离散射粒子中心的距离，r0为散射粒子的外切球半径；mmn(kr)、nmn(kr)为基于第一类hankel函数的
散射波系数pmn、qmn和入射波系数amn、bmn的关系是线性的：
写成矩阵形式：
这里需要说明的是，p、q、a、b只是pmn、qmn、amn或akl、bmn或bkl的另外一种表示形式，它们有相同的物理意义，同理，
散射截面csca为：
矩阵t可以由散射粒子内部场q计算，q*有在粒子表面上的积分给出，且只依赖于粒子的特征：
t＝-q*·q-1(5)
为了完全描述电磁散射，必须同时考虑强度和偏振，对具有强度和偏振的一束光，其强度和极化状态可用stokes矢量{i，q，u，v}描述，参数i正比于光束通量，参数q和u描述光束的线性极化，而参数v则描述圆极化。入射光束和散射光束的stokes矢量iinc和isca通过一个4×4的散射矩阵f相联系，矩阵f可由t矩阵计算得到，r是粒子到探测器的距离，n0是粒子数密度，v是波数，对于每一个散射角θ，有如下关系式：
对于旋转对称的粒子，其散射矩阵可以简化为：
其中，θ是散射角(即入射光束和散射光束之间的角度)；f(θ)为散射矩阵，散射矩阵f(θ)中只有8个元素是非零的，6个元素是独立的，相函数a1(θ)、a2(θ)、a3(θ)、a4(θ)、b1(θ)、b2(θ)为散射矩阵元素。
f(θ)中的a1(θ)满足：
入射光偏振平行于散射平面时粒子退偏比可以写为：
得到相函数a1(θ)与各个散射角的退偏值之后，便可计算在散射角(θ1,θ2)内的粒子退偏比均值：
使用fernald方法对激光雷达数据处理得到消光系数σ，再根据激光雷达反演iwc(冰水含量)的经验公式(11)计算得到iwc：
其中，a0和b0是经验常数。
通过改变激光雷达的接收视场角，激光雷达接收到的后向散射光的散射角度也发生改变，所以不同视场角下激光雷达信号的退偏比也随之发生变化。
通过使用t-matrix方法对冰晶粒子的散射进行模拟，得到各个散射角的退偏比，选择不同的角度进行积分，与观测数据进行对比。
本发明利用一种多视场偏振激光雷达探测系统探测冰云，该多视场偏振激光雷达探测系统如图1所示，包括发射模块、接收模块和主控模块，其中：
所述发射模块包括激光器、扩束镜和第一反射镜，所述激光器发出的激光(激光波长为532nm)依次通过所述扩束镜和第一反射镜发射到大气中；
所述接收模块包括望远镜(采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm)、第二反射镜、电动小孔、凸透镜、滤光片、偏振片、衰减片、偏振分束器、第一至第二光电探测器和信号采集模块；所述望远镜接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光依次经过第二反射镜、电动小孔、凸透镜变换为平行光，平行光依次经过滤光片、偏振片、衰减片后经过偏振分束器，偏振分束器输出的两路光信号分别输入第一光电探测器、第二光电探测器，信号采集模块分别对第一光电探测器、第二光电探测器的输出进行光子计数；其中，光电探测器采用h10682-110型号的光电倍增管；
所述主控模块分别与激光器、电动小孔、信号采集模块(采用p7882型号的光子计数卡)连接，以控制激光器发射激光、通过调节电动小孔的孔径变换激光雷达的视场角、根据接收信号采集模块的计数结果计算冰水含量以及不同视场角下的退偏比、比对不同视场角下的退偏比变化趋势与不同横纵比下六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势得到云粒子的横纵比、比对不同视场角下的退偏比变化趋势与不同等效粒径六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势得到云粒子的等效粒径。
本发明一种利用一种多视场偏振激光雷达探测系统探测冰云的方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，主控模块控制激光器发射激光，激光器发射的532nm波长激光依次经过扩束镜和第一反射镜垂直发射到大气中；
步骤2，利用望远镜垂直接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光经过第二反射镜反射后依次穿过电动小孔和凸透镜后变为平行光，平行光再依次通过滤光片、偏振片和衰减片后进入偏振分束器，偏振分束器输出的水平偏振光和垂直偏振光分别传到第一光电探测器、第二光电探测器，其中，第一光电探测器将水平偏振光转化为电信号并传输至信号采集模块，第二光电探测器将垂直偏振光转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块分别对接收到的两个电信号进行光子计数，得到两个计数结果；
步骤3，通过主控模块调节电动小孔的孔径，并重复步骤2，得到两组对应不同视场角的计数结果，再利用主控模块对两组计数结果进行实时分析，计算不同视场角下的退偏比；
步骤4，对两组计数结果中的任一组进行处理得到消光系数廓形图，再利用激光雷达反演冰水含量的经验公式反演得到冰水含量；
步骤5，使用t-matrix方法计算不同横纵比下六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势，与步骤3得到的不同视场角下的退偏比的变化趋势进行对比，相似度最高时对应的横纵比即为云粒子的横纵比；
步骤6，使用t-matrix方法计算不同等效粒径六角椭球形粒子的退偏比随积分角度的变化趋势，与步骤3得到的不同视场角下的退偏比的变化趋势进行对比，相似度最高时对应的等效粒径即为云粒子的等效粒径。
图2是线性退偏比与云粒子横纵比和散射角之间的关系。假设冰晶粒子的有效粒径为3微米，横纵比分别选择1：1、2：1、3：1、4：1、5：1，利用t矩阵方法计算得到了散射角为50°-160°，60°-150°，70°-140°内的退偏比。
图3是线性退偏比与云粒子有效粒径和散射角之间的关系。假设冰晶粒子为六角柱形粒子，横纵比为3：1，有效粒径分别为1、2、3微米，利用t矩阵方法计算得到了散射角为50°-160°，60°-150°，70°-140°内的退偏比。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
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