专利名称：无人值守昼夜兼用便携式偏振－米激光雷达及其探测方法
技术领域：
本发明涉及具有探测沙尘暴及卷云退偏振比垂直廓线和对流层气溶胶消光垂直廓线及大气水平能见度双重功能的激光雷达。
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。光波与大气中介质相互作用，会产生包含气体原子、分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用相应的反演方法就可以从中得到关于气体原子、分子和气溶胶粒子的信息。因此，激光雷达技术基础是光辐射与大气中的气体原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的各种物理过程。
1960年世界上第一台激光器问世之后，激光技术便被迅速地应用于大气探测。1962年意大利Fiocco等人使用第一台红宝石激光雷达探测了80～140km高层大气中钠离子的分布，1963年美国Stanford研究所研制了用于对流层气溶胶探测的激光雷达。自那时以来，随着激光技术日新月异的发展，以及先进的信号探测和数据采集处理系统的应用，激光雷达以它的高时间、空间分辨率和测量精度而成为一种重要的主动遥感工具。
大气中的沙尘暴粒子和卷云粒子都是典型的非球形粒子，当一束线偏振激光照射到这些非球形粒子时，其后向散射光将不再是线偏振光，利用检偏棱镜可以将其后向散射光中的垂直分量和平行分量分开来，使用两个光电倍增管同时对它们进行测量。垂直分量与平行分量的比值定义为退偏振比，它一般在0到1之间。当大气中没有沙尘暴粒子和卷云粒子时，根据米散射理论，可以进行对流层气溶胶消光廓线的探测，由于整个对流层气溶胶回波信号的动态范围太大，使用一个光电倍增管不能满足需求，这时使用分光镜将回波信号分成近距离信号和远距离信号，使用两个同时对它们进行测量，然后拼接在一起，就可得到整层对流层气溶胶的回波廓线，反演后，即可得到对流层气溶胶的消光廓线。当进行大气水平能见度探测时，出射激光水平发射，假设大气水平均一，利用斜率法可以求出大气水平消光系数，通过计算即可得到大气水平能见度。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的无人值守昼夜兼用的便携式偏振-米散射激光雷达，关键器件都采用轻小型全固化结构或模块化结构，加上独特的后继光学和运行控制软件的设计，具有结构紧凑、体积小、重量轻、易于移动、工作稳定可靠、昼夜连续运行、自动化程度高和和无人值守探测等优点，应用于白天和夜晚沙尘暴及卷云退偏正比垂直廓线，对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度的探测，并在运行控制软件的设置下，根据观测需求，实现全自动无人值守连续探测。
本发明的技术方案如下无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达，包括有激光发射单元、接收光学及后继光学单元和信号探测采集显示及运行控制单元，其特征在于(1)、激光发射单元由激光发射器、激光发射器电源、激光发射器前安装的一对对光反射镜组(M1，M2)构成，激光发射器发射线偏振激光经过对光反射镜组发射到大气中，通过调整M2使出射光轴与接收望远镜光轴平行；(2)、接收光学单元由接收望远镜、小孔光阑、会聚透镜组成，后继光学单元由波片、检偏棱镜、分光镜和全反镜构成，接收光学单元与后继光学单元的光轴重合；接收望远镜后安装有小孔光阑，其后安装会聚透镜，会聚透镜的焦点与接收望远镜的焦点重合，把接收望远镜接收到的大气后向散射光会聚成平行光，再导入随后的后继光学单元；波片通过固定支架安装在一个放置于会聚透镜后面的滑槽上，可以沿着滑槽在垂直与接收望远镜光轴的方向上滑动，波片可以在其固定支架内沿自己的光轴做360度旋转；当探测系统常数时，波片跟随其固定支架沿着滑槽滑动，使其光轴与接收望远镜光轴重合，当进行沙尘暴及卷云退偏振比垂直廓线和对流层气溶胶消光垂直廓线及大气水平能见度探测时，波片退出后继光学单元；波片固定支架后面有一个插槽，检偏棱镜/分光镜分别切换插在插槽内，当测量沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线时，沿着插槽将检偏棱镜“插入”，使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被检偏棱镜分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，沿着插槽将分光镜“插入”，也使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被分光镜分成近距离信号和远距离信号，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；(3)、信号探测采集显示及运行控制单元由主波探测器PD，光电倍增管A、光电倍增管B、双通道放大器、双通道A/D采集卡、主控计算机、光电倍增管的门控电路及配套电源组成，光电倍增管A、B分别将两个通道的光信号转换为电信号，送入双通道放大器，电信号经过放大器放大后送入双通道A/D采集卡，采集卡插在主控计算机内，在主波探测器PD的时序控制下，将采集到的电信号转换为ASCII码数字记录到探测数据文件中，以便后续处理，配套电源包括光电倍增管、放大器和光电倍增管门控电路的电源。
所述的无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达，其特征在于选用532nm波长的二分之一石英晶体波片；选用分光后垂直分量与平行分量相互垂直的检偏棱镜；选用4％反射、96％透射的黄玻璃分光镜。
无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达的探测方法，其特征在于激光发射器发射532nm波长的线偏振激光，大气的后向散射光被接收望远镜接收，先通过小孔光阑，再通过会聚透镜，变成平行光后再进入后继光学单元当测量沙尘暴和卷云的退偏振比廓线时，后向散射光被检偏棱镜分成两束，一束为垂直分量，另一束为平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，后向散射光被分光镜也分成两束，一束为近距离信号，另一束为远距离信号，这两束光的偏振特性相同，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B，光电倍增管A、B都选用对532nm波长响应灵敏的光电倍增管，由光电倍增管将光信号转换为电信号，再由双通道放大器放大，进入高速16比特PCI采集卡，由主控计算机运行控制软件进行采集、存储和显示，运行控制软件可以根据实际测量要求设置定时测量参数，实现全自动无人值守探测，得到连续的探测结果。
激光发射器、激光发射器电源和对光反射镜组构成激光发射单元；接收望远镜、小孔光阑和会聚透镜构成接收光学单元，波片、检偏棱镜、分光镜和全反镜构成后继光学单元；滤光片、光电倍增管、放大器、采集卡、主控计算机、运行控制软件和辅助控制设备及配套电源构成信号探测采集显示及运行控制单元。
采用双轴系统，激光发射器与接收望远镜装配在同一个箱体上，可以同时做俯仰和方位运动，激光发射器出射激光与接收望远镜光轴保持平行。激光发射器电源单独放置；激光发射器、接收光学、后继光学和信号探测这四个子单元集合成统一的整体，此部分装配在三角支架上，可以做俯仰和方位运动；数据采集显示单元和其他辅助控制单元及配备电源装配在一个轻便可移动的控制柜内。
本发明采用Quantel公司生产的Brilliant Nd:YAG二倍频激光发射器及其电源。激光发射器和对光反射镜组背负在接收望远镜和后继光学单元箱体的上部，可随着接收望远镜一起进行俯仰和方位的转动，以进行垂直或水平方向上的测量。对光反射镜组由两块反射镜(M1，M2)构成，M1为1064nm波长全透、532nm波长全反镜，M2为532nm波长全反镜。
接收望远镜选用Meada公司生产的Schmidt-Cassegrain型望远镜，直径为25.4厘米(10英寸)。小孔光阑选用CVI Laser公司的可变小孔光阑，接收视场角从1mrad到4mrad可调节。会聚透镜由K9玻璃制成，并镀有532nm波长的增透膜。会聚透镜将接收望远镜接收到的后向散射光会聚成平行光，导入随后的后继光学单元。
波片选用532nm波长的二分之一波片，通过其固定支架安装一个独立的滑槽上，放置于会聚透镜的后面，滑槽的滑动方向与接收望远镜光轴垂直，波片可以在其固定支架内沿自己的光轴做360度旋转，也可以沿着滑槽在垂直与接收望远镜光轴的方向上滑动，波片仅在探测系统常数时用，正常观测实验时不用。当探测系统常数时，波片沿着滑槽滑动，使其光轴与接收望远镜光轴重合。当进行沙尘暴及卷云退偏振比垂直廓线和对流层气溶胶消光垂直廓线及大气水平能见度探测时，波片取出，退出后继光学单元。检偏棱镜和分光镜通过切换方式插在同一个插槽上，插槽的滑动方向也与接收望远镜光轴垂直，只需简单的“插入、拔出”动作，实现检偏棱镜和分光镜的切换，检偏棱镜选用CVI Laser公司的PBS-532-100偏振分光棱镜，分光镜选用4％反射，96％透射的黄玻璃。当测量沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线时，沿着插槽将检偏棱镜“插入”，使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被检偏棱镜分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B。当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，将检偏棱镜“拨出”插槽，将分光镜“插入”，也使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被分光镜分成近距离信号和远距离信号，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B。
光电倍增管选用Hamamatsu公司H7680和H7680-01光电倍增管，光电倍增管前面装有Bar公司的532nm窄带滤光片。光电倍增管A、B分别将两个通道的光信号转换为电信号后，送入Philllips公司的Model 777双通道放大器。被放大后的电信号，由Gage公司的16比特PCI-1610高速采集卡完成A/D转换，在运行控制软件的指令下完成数据的采集、存储、显示和定时连续测量。
本发明昼夜兼用的便携式米散射激光雷达，它具有以下特点1)偏振探测和米散射探测双重功能。可进行沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线和对流层气溶胶消光垂直廓线及大气水平能见度的探测。
2)信噪比大，探测高度高。不论白天还是夜晚，退偏振比垂直廓线探测高度为2km到18km，气溶胶消光垂直廓线探测高度从地面到18km，水平能见度探测范围从几十米到几十公里。
3)完成一次探测的时间短。每次探测最短时间仅为2分钟。
4)无人值守连续探测。根据观测需求，设置运行控制程序后，即可以进行定时连续探测。
5)结构紧凑、重量较轻，便于携带和移动，适用于外场使用。
图1为本发明无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达结构示意图。
图2为双通道增益比廓线探测结果。
图3为大气回波信号的平行分量与垂直分量廓线探测结果。
图4为典型的退偏振比廓线探测结果。
图5为典型的对流层气溶胶消光廓线探测结果。
图6为本发明无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达的几何因子。
图7为典型的大气水平能见度探测结果。
具本实施方式本发明无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达结构示意图如图1所示。其总体结构分三个部分激光发射器电源单独放置；激光发射器、对光反射镜组、接收望远镜、后继光学单元和光电倍增管集合成统一的整体，装备在一个三角支架上；采集卡插在主控计算机内和放大器、光电倍增管门控电路及配套电源安装在一个轻便可移动的控制柜内。激光发射器发射532nm波长的线偏振激光，大气的后向散射光被接收望远镜接收，先通过小孔光阑，再通过会聚透镜，变成平行光后再进入后继光学单元。为了实现偏振探测和米散射探测双重功能，采用独特的后继光学单元当测量沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线时，后向散射光被检偏棱镜分成两束，一束为垂直分量，另一束为平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，后向散射光被分光镜也分成两束，一束为近距离信号，另一束为远距离信号，这两束光的偏振特性相同，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B 。两个光电倍增管都选用对532nm波长响应灵敏的光电倍增管，由光电倍增管将光信号转换为电信号，再由双通道放大器放大，进入高速采集卡，由主控计算机运行控制软件进行采集、存储和显示。运行控制软件可以根据实际测量要求设置定时测量参数，实现全自动无人值守探测，得到连续的探测结果。
本发明无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达主要技术参数
使用本发明装置得到的各种典型探测结果1.沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线在测量沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线之前，需要对两个探测通道的增益比常数K进行测量，图2所示是一次测量的结果。从图2可以看出，本发明激光雷达的增益比常数的平均值为1.2，并且从2km到18km高度保持着很好的线性。系统的增益比常数确定后，只要保持系统的硬件参数设置不变，则此常数也不便，一旦系统的硬件参数发生变化，则需要重新确定此常数。
图3所示的是一次典型的平行分量(p)和垂直分量(s)回波信号的探测的结果。从图3中可以看出垂直分量要比平行分量小的多，只是在出现卷云的情况下，才能探测到较大的垂直分量。
图4所示的是一次无人值守连续探测的退偏振比垂直廓线结果。可以看出在15∶15分到16∶15分之间和17∶45分在8km高度附近有一层卷云存在，其退偏振比在0.4到0.6之间。
2.对流层气溶胶消光垂直廓线图5所示的是无人值守连续探测的对流层气溶胶消光垂直廓线结果。可以看出此段时间内，大气边界层的高度在1.5km左右，边界层的消光系数比自由大气层的消光系数大。在16∶25到16∶55时间内，在7km处出现一层气溶胶，其消光系数在0.2到0.4之间。
3.大气水平能见度图6所示的是本发明激光雷达的几何因子探测曲线。从图6中可以看出，对于本发明激光雷达几何因子充满区开始于0.8km处。
图7所示的是一次大气水平能见度的典型探测结果。从图7中可以看出，从2.5km到10km的拟合曲线(红色)基本上与LnPR2廓线(蓝色)重合，证明此时的大气水平均一性很好。拟合曲线的斜率为-0.498，计算可得此时大气水平能见度为15.7km。
权利要求
1.无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达，包括有激光发射单元、接收光学及后继光学单元和信号探测采集显示及运行控制单元，其特征在于(1)、激光发射单元由激光发射器、激光发射器电源、激光发射器前安装的一对对光反射镜组(M1，M2)构成，激光发射器发射线偏振激光经过对光反射镜组发射到大气中，通过调整M2使出射光轴与接收望远镜光轴平行；(2)、接收光学单元由接收望远镜、小孔光阑、会聚透镜组成，后继光学单元由波片、检偏棱镜、分光镜和全反镜构成，接收光学单元与后继光学单元的光轴重合；接收望远镜后安装有小孔光阑，其后安装会聚透镜，会聚透镜的焦点与接收望远镜的焦点重合，把接收望远镜接收到的大气后向散射光会聚成平行光，再导入随后的后继光学单元；波片通过固定支架安装在一个放置于会聚透镜后面的滑槽上，可以沿着滑槽在垂直与接收望远镜光轴的方向上滑动，波片可以在其固定支架内沿自己的光轴做360度旋转；当探测系统常数时，波片跟随其固定支架沿着滑槽滑动，使其光轴与接收望远镜光轴重合，当进行沙尘暴及卷云退偏振比垂直廓线和对流层气溶胶消光垂直廓线及大气水平能见度探测时，波片退出后继光学单元；波片固定支架后面有一个插槽，检偏棱镜/分光镜分别切换插在插槽内，当测量沙尘暴和卷云的退偏振比垂直廓线时，沿着插槽将检偏棱镜“插入”，使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被检偏棱镜分成垂直分量和平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，沿着插槽将分光镜“插入”，也使其光轴与接收望远镜光轴重合，后向散射光被分光镜分成近距离信号和远距离信号，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；(3)、信号探测采集显示及运行控制单元由主波探测器PD，光电倍增管A、光电倍增管B、双通道放大器、双通道A/D采集卡、主控计算机、光电倍增管的门控电路及配套电源组成，光电倍增管A、B分别将两个通道的光信号转换为电信号，送入双通道放大器，电信号经过放大器放大后送入双通道A/D采集卡，采集卡插在主控计算机内，在主波探测器PD的时序控制下，将采集到的电信号转换为ASCII码数字记录到探测数据文件中，以便后续处理，配套电源包括光电倍增管、放大器和光电倍增管门控电路的电源。
2.根据权利要求1所述的无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达，其特征在于选用532nm波长的二分之一石英晶体波片；选用分光后垂直分量与平行分量相互垂直的检偏棱镜；选用4％反射、96％透射的黄玻璃分光镜。
3.无人值守昼夜兼用便携式偏振-米激光雷达的探测方法，其特征在于激光发射器发射532nm波长的线偏振激光，大气的后向散射光被接收望远镜接收，先通过小孔光阑，再通过会聚透镜，变成平行光后再进入后继光学单元当测量沙尘暴和卷云的退偏振比廓线时，后向散射光被检偏棱镜分成两束，一束为垂直分量，另一束为平行分量，垂直分量直接进入光电倍增管A，平行分量经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B；当测量对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度时，后向散射光被分光镜也分成两束，一束为近距离信号，另一束为远距离信号，这两束光的偏振特性相同，近距离信号直接进入光电倍增管A，远距离信号经过全反镜后，进入另一个光电倍增管B，光电倍增管A、B都选用对532nm波长响应灵敏的光电倍增管，由光电倍增管将光信号转换为电信号，再由双通道放大器放大，进入高速16比特PCI采集卡，由主控计算机运行控制软件进行采集、存储和显示，运行控制软件可以根据实际测量要求设置定时测量参数，实现全自动无人值守探测，得到连续的探测结果。
全文摘要
本发明公开了一种新型的无人值守昼夜兼用的便携式偏振－米散射激光雷达及其探测方法，其总体结构分三个部分激光发射器电源单独放置；激光发射器、对光反射镜组、接收望远镜、后继光学单元和光电倍增管集合成统一的整体，装备在一个三角支架上；采集卡插在主控计算机内和放大器、光电倍增管门控电路及配套电源安装在一个轻便可移动的控制柜内。应用于白天和夜晚沙尘暴及卷云退偏正比垂直廓线，对流层气溶胶消光垂直廓线和大气水平能见度的探测，并在运行控制软件的设置下，根据观测需求，实现全自动无人值守连续探测。
文档编号G01S17/00GK1673771SQ200510038410
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者刘 东, 戚福弟, 范爱媛, 毛敏娟, 岳古明, 兰举生, 曹京平, 江庆伍, 徐吉胜, 周军 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院