专利名称：一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是涉及ー种可以对大气气溶胶进行测量的近场同轴双视场米散射大气激光雷达。
背景技术：
大气气溶胶指的是大气中悬浮着的直径小于10 μ m的各种固体和液体粒子。气溶胶在大气中所占比例很小，但对大气的辐射传输和水循环均有重要影响。激光雷达通过发射激光束与大气气溶胶粒子发生作用产生回波，对回波信号进行分析反演可以得到气溶胶粒子消光特性信息。由于激光束具有发散小、波长短、能量密度高的特点，使用激光雷达探测大气气溶胶，具有大气分层探测、时空分辨率好、 观测精度高及时间上可连续观测的独特优势。激光雷达作为大气气溶胶探测的成熟工具，在国内外得到了广泛研究及应用。由于激光雷达信号随探测距离增加大致呈反比下降，回波信号的动态范围很大，通常在7个数量级以上。而目前数据采集时普通采用的模拟数字转换器一般是12的采样位数，很难采集7个数量级的动态范围信号。针对这个问题，一些激光雷达系统对此采取的解决方案有改变发射光束与接收望远镜之间距离、縮小接收视场角、斩波器物理压缩、光电倍增管门控，这些措施是舍弃近距离信号来提高远距离信号的探測能力，在特定高度尤其是20km以上高空探测中发挥了很好的作用。为了扩大激光雷达探测范围，对大气可以进行高低空分层探测，有激光雷达采用分光镜将信号分为远近两个通道实现了同时进行分层探測，但单ー的视场角很难兼顾远场探測高度和近场探测盲区，视场角大则背景干扰強烈，视场角小则低空探測盲区大。单独采用变视场角的设计也无法从根本上解决这ー矛盾。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达。本发明提供的技术方案是ー种近场同轴双视场米散射大气激光雷达，包括向大气发射激光脉冲束、接收大气气溶胶对发射的激光脉冲束产生的后向散射回波的光学系统，以及对光学系统所接收后向散射回波进行处理的光电检测系统，光学系统的输出连接光电检测系统；
所述光学系统包括激光发射子系统、第一光学接收通道和第二光学接收通道，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第一光学接收通道的光轴重合，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第二光学接收通道的光轴平行而不重合；
激光发射子系统由激光发生器、激光扩束镜和反射镜组成，激光发生器3输出激光脉冲束，经激光扩束镜4后由发射镜5偏转，竖直发射到大气中。而且，反射镜由45°全反镜和三维调节台组成。而且，第一光学接收通道和第二光学接收通道分别由依次连接的接收望远镜、视场光阑、准直透镜和透射波长与激光脉冲束相应的干渉窄带滤光片组成。而且，光电检测系统由第一光电倍增管、第二光电倍增管、第一前端放大器、第二前端放大器、第三前端放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、光子计数器、光触发器和计算机组成；
第一光电倍增管的输出端同时接第一前端放大器的输入端和第二前端放大器的输入端，第一前端放大器的输出端与第一模数转换器相连，第二前端放大器的输出端与光子计数器相连；
第二光电倍增管的输出端与第三前端放大器的输入端相连；第三前端放大器的输出端与第二模数转换器相连；
光触发器的输出端同时与第一模数转换器、第二模数转换器和光子计数器相连，第一模数转换器、第二模数转换器和光子计数器的输出端同时与计算机相连。本发明采用两个独立的接收视场，一个采用离轴收发系统用于探测高空大气，一 个采用同轴收发系统用于探測低空尤其是大气边界层大气。双视场方案有效的改善了单视场激光雷达系统因回波信号的动态范围过大，而限制激光雷达的探測能力的缺点。在双视场激光雷达的基础上，远场接收系统进ー步増加发射激光束与接收望远镜之间距离并且縮小接收视场，在数据采集部分同时采用模拟探测模式和光子计数探测模式，近场接收系统采用同轴收发系统，以此分别提高系统的高空和低空探測能力。此激光雷达可以得到大气对流层气溶胶的后向散射系数廓线和消光系数廓线，为长期监测和系统分析提供硬件支持，为大气、遥感和环境科学提供了有力的探測工具。
图I是本发明实施例的原理框图。图2是本发明实施例的光学系统示意图。图3是本发明实施例的光电探测系统示意图。
具体实施例方式 实施例选择532nm脉冲激光，以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。參见图1，实施例提供的近场同轴双视场米散射大气激光雷达，主要包括2个部分光学系统I、光电检测系统2。光学系统I用于向大气发射532nm脉冲激光、接收大气气溶胶对发射的激光脉冲产生的后向散射回波。光电检测系统2用于对收集的后向散射回波信号进行处理。參见图2，实施例的光学系统I由激光发生器3，激光扩束镜4，反射镜5，接收望远镜6、7，视场光阑8、9，准直透镜10、11，透射波长为532nm的干涉窄带滤光片12、13组成。实施例的光学系统I包括激光发射子系统，激光发射子系统向大气发射532nm脉冲激光束。激光发射子系统由激光发生器3、激光扩束镜4和反射镜5组成,激光发生器3输出532nm激光脉冲束，激光扩束镜4将激光脉冲束进行扩束，并压缩发散角，发射镜5具有三维调节功能，将扩束后的激光脉冲束偏转使其竖直发射到大气中。具体实施时，反射镜5可由45°全反镜和三维调节台组成。光学系统I同时采用了离轴和同轴光学收发系统，设置两套独立的光学接收通道接收望远镜6的输出端与视场光阑8的输入端相连,视场光阑8的输出端与准直透镜10的输入端相连，准直透镜10的输出端与干涉窄带滤光片12的输入端相连，以上组成第一光学接收通道，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第一光学接收通道的光轴重合，构成同轴光学收发系统。接收望远镜7的输出端与视场光阑9的输入端相连,视场光阑9的输出端与准直透镜11的输入端相连，准直透镜11的输出端与干涉窄带滤光片13的输入端相连，以上组成第二光学接收通道，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第二光学接收通道的光轴平行而不重合，构成离轴光学收发系统。參见图3，实施例中的光电探测系统2由第二光电倍增管14、第一光电倍增管15，第一前端放大器17、第二前端放大器18、第三前端放大器16,光触发器19,第一模数转换器21、第二模数转换器20，光子计数器22及计算机23组成。光电检测系统2针对两套独立的光学接收通道，也有两套独立的信号检测系统。
第一光电倍增管15的输出端同时接第一前端放大器17的输入端和第二前端放大器18的输入端，第一前端放大器17的输出端与第一模数转换器21相连,第二前端放大器18的输出端与光子计数器22相连；
第二光电倍增管14的输出端与第三前端放大器16的输入端相连；第三前端放大器16的输出端与第二模数转换器20相连，
光触发器19的输出端同时与第一模数转换器21、第二模数转换器20和光子计数器22相连，将触发信号同时传递到第一模数转换器21、第二模数转换器20和光子计数器22 ;第ー模数转换器21、第二模数转换器20和光子计数器22的输出端同时与计算机23相连，进行数据处理和存储。本发明安装于地面观测站点中。近场同轴双视场米散射大气激光雷达以20Hz的频率竖直向上对大气发射532nm波长激光脉冲，激光脉冲在上升过程中与大气中的气溶胶颗粒物发生米散射，米散射后向回波光由该系统的两个独立光学接收通道进行接收，两个光学接收通道通过调节视场光阑实现不同的接收视场角，大视场角适合低空大气气溶胶探测，接收到的光信号经过准直、滤光、光电转换、信号放大、模数转换处理后，连接到计算机进行处理和存储；小视场角适合高空大气气溶胶探测，接收到的光信号经过准直、滤光、光电转换、信号放大、模数转换及光子计数同步处理后，连接到计算机进行处理和存储。模数转换和光子计数探測手段的组合可以提供激光雷达高空探測能力，低空和高空探測通道的组合可以覆盖更大的探測范围。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达，其特征在于包括向大气发射激光脉冲束、接收大气气溶胶对发射的激光脉冲束产生的后向散射回波的光学系统，以及对光学系统所接收后向散射回波进行处理的光电检测系统，光学系统的输出连接光电检测系统； 所述光学系统包括激光发射子系统、第一光学接收通道和第二光学接收通道，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第一光学接收通道的光轴重合，激光发射子系统发射的激光脉冲束的光轴与第二光学接收通道的光轴平行而不重合； 激光发射子系统由激光发生器、激光扩束镜和反射镜组成，激光发生器3输出激光脉冲束，经激光扩束镜4后由发射镜5偏转，竖直发射到大气中。
2.根据权利要求I所述的近场同轴双视场米散射大气激光雷达，其特征在于反射镜由45°全反镜和三维调节台组成。
3.根据权利要求I或2所述的近场同轴双视场米散射大气激光雷达，其特征在于第一光学接收通道和第二光学接收通道分别由依次连接的接收望远镜、视场光阑、准直透镜和透射波长与激光脉冲束相应的干涉窄带滤光片组成。
4.根据权利要求I或2所述的近场同轴双视场米散射大气激光雷达，其特征在于光电检测系统由第一光电倍增管、第二光电倍增管、第一前端放大器、第二前端放大器、第三前端放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、光子计数器、光触发器和计算机组成； 第一光电倍增管的输出端同时接第一前端放大器的输入端和第二前端放大器的输入端，第一前端放大器的输出端与第一模数转换器相连，第二前端放大器的输出端与光子计数器相连； 第二光电倍增管的输出端与第三前端放大器的输入端相连；第三前端放大器的输出端与第二模数转换器相连； 光触发器的输出端同时与第一模数转换器、第二模数转换器和光子计数器相连，第一模数转换器、第二模数转换器和光子计数器的输出端同时与计算机相连。
全文摘要
一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达，其特征在于包括向大气发射激光脉冲束、接收大气气溶胶对发射的激光脉冲束产生的后向散射回波的光学系统，以及对光学系统所接收后向散射回波进行处理的光电检测系统。光学系统中激光发射系统与两套独立的光学接收通道分别采用了收发同轴和离轴的设计，信号探测及采集同时采用模数探测和光子计数探测模式。低空探测可采用大视场角及同轴系统，高空探测可采用小视场角、离轴系统及模拟光子计数探测双模式，这样就提高了激光雷达系统在低空和高空的探测能力，为大气边界层探测和平流层大气气溶胶探测提供支持。
文档编号G01S17/95GK102854514SQ20121035399
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者龚威, 李俊, 马盈盈, 毛飞跃, 张淼, 马昕 申请人:武汉大学