一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统及方法与流程

本发明涉及一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统及方法，具体涉及一种测量云中云粒子微物理特性的多视场激光雷达探测系统及方法，属于云粒子探测技术领域。

背景技术：

在对天气因素分析时，云粒子的成分及特性，是推测未来天气发展趋势的重要指标，对云粒子进行实时监控，更有助于分析大气运动的情况，观测的结果对短期的天气预报有深刻意义。对长期气候的研究，云具有辐射作用，影响整个地球的气候变化，云对温度的影响甚至超越了二氧化碳对温度影响的三倍。对模式进行研究，云的物理性质也是一个重要的研究方向，云的高度、云量、云的厚度以及云粒子特性，对天气预报和检验以及天气模型的建立极其重要。

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。

至今，各种观测云的方法都被使用。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，毫米波雷达的波长更短，能更好的测量云的相态，再通过扫描设备，毫米波雷达能探测以雷达为中心十几公里内云的相关参数，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：提供一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统及方法，利用云粒子的多次散射效应，通过改变视场角的大小，获得不同视场角下的云粒子的退偏比，进而得到云粒子的半径和液态含水量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统，包括激光雷达发射模块、激光雷达接收模块以及主控模块；其中，激光雷达发射模块包括激光器、扩束镜、偏振片、半波片；激光雷达接收模块包括望远镜、凸透镜、电动小孔、偏振分束器、第一至第二光电探测器、信号采集模块；所述激光器、电动小孔、信号采集模块分别与主控模块连接，第一光电探测器、第二光电探测器分别与信号采集模块连接；激光器发射的激光信号依次经扩束镜、偏振片、半波片后垂直进入大气，望远镜垂直接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光经凸透镜变成平行光，平行光穿过电动小孔进入偏振分束器，偏振分束器将平行光分为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，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，信号采集模块分别采集两个电信号并将结果传输至主控模块。

作为本发明的一种优选方案，所述激光器采用yag半导体激光器。

作为本发明的一种优选方案，所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。

作为本发明的一种优选方案，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。

作为本发明的一种优选方案，所述信号采集模块采用p7882型号的光子计数卡。

一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测方法，包括如下步骤：

步骤1，主控模块控制激光器产生532nm的激光，依次经过扩束镜、偏振片、半波片垂直发射到大气中；

步骤2，利用望远镜垂直接收大气中云粒子的后向散射光，后向散射光经凸透镜变成平行光，平行光穿过电动小孔进入偏振分束器，偏振分束器将平行光分为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，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两个电信号进行光子计数并传送至主控模块，主控模块根据两个光子计数计算退偏比；

步骤3，主控模块调节电动小孔的孔径，并重复步骤2的过程，得到不同视场角下的退偏比；

步骤4，根据退偏比和蒙特卡洛算法计算云粒子的半径和液态含水量，并将数据进行实时保存。

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、本发明多视场激光雷达探测系统及方法，利用云粒子的多次散射效应，使用可以按步长调节孔径大小的电动小孔，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，从而反演出云中液态水含量和云粒子半径。

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是本发明一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统的整体架构图。

图2是线性退偏比的典型图例。

图3是利用本发明探测系统实测所得线性退偏比图例。

图4是液态含水量与线性退偏比的关系。

图5是云粒子有效粒径与线性退偏比的关系。

其中，1-激光器，2-扩束镜，3-偏振片，4-半波片，5-第一反射镜，6-望远镜，7-第二反射镜，8-凸透镜，9-电动小孔，10-偏振分束器，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-信号采集模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明利用云的多次散射效应，使用yag晶体激光器作为激光发射源，产生532nm的激光辐射，通过主控模块(图中未画出)设置激光工作方式及其系统初始设定，利用望远镜接收云的后向散射信号，后向散射信号经透镜变成平行光。光学接收部分共2个探测通道，其中一个用来探测平行偏振信号，另一个用来探测垂直偏振信号，两路电信号使用光子计数卡进行计数，并根据蒙特卡洛算法计算出水云的液态含水量和云粒子有效半径。

该探测系统由激光雷达发射模块、激光雷达接收模块以及主控模块组成。其中，各个模块包含独立单元，整体由主控模块进行控制，保证系统稳定性。其中，激光器发射波长为532nm。其中，激光雷达接收模块采用卡塞格林望远镜以及窄带滤光片等后继光路。其中，数据分析显示由主控模块上的数据分析系统进行分析完成。

使用该系统进行探测的前提是在激光器工作状态良好时，利用水云的多次散射效应，使用窄带滤光片分别探测平行偏振光和垂直偏振光，通过蒙特卡洛原理反演出水云中的液态含水量和云粒子有效半径。具体步骤是：

在主控模块设置激光的工作方式、系统工作时间、系统初值、反演初值等初始化启动信息。激光雷达发射模块控制yag晶体激光器产生532nm波长的激光辐射。利用收发异轴的卡塞格林望远镜接收不同视场角下的回波。回波信号经过凸透镜变成平行光，分别送往两个探测通道，其中一个水平探测通道用于探测平行偏振光，另一个垂直探测通道用于探测垂直偏振光。将两个通道接收到的回波通过光电探测器，将光信号转化为电信号。信号采集系统利用p7882光子计数卡对两个通道进行光子计数。由主控模块进行分析，在主控模块记录采集到的光子信号，并反演出水云中液态含水量和云粒子的有效半径，并进行显示。同时，原始数据及分析结果由主控模块进行整理保存。

如图1所示，本发明探测水云中液态含水量和云粒子有效半径的多视场激光雷达探测系统，该系统包括：

激光雷达发射模块：该模块通过激光器1产生稳定的532nm激光辐射，激光通过扩束镜2后压缩其发散角至0.2mrad，通过线性偏振片3使其变成线偏振光，半波片4改变激光的偏振态，经45°第一反射镜5发射到大气中。

激光雷达接收模块：采用200mm的卡塞格林望远镜6，其焦距f＝2032mm，该望远镜用来接收来自云和气溶胶的后向散射能量。后向散射能量通过第二反射镜7进入凸透镜8，凸透镜8将后向散射光变为平行光。通过主控模块控制电动小孔9自动调节激光雷达的视场角，并使小孔的变化与光子计数卡的采集系统同步，接收云粒子在不同视场下的后向散射的光子。通过偏振分束器10将接收到的信号分为水平通道和垂直通道。采用两个光电探测器11、12即h10682-110光电倍增管对光信号进行处理，将光信号转化成电信号，并把信号送到信号采集模块13。信号采集模块13采用p7882光子计数卡接收采集到的信号，并对采集的信号进行处理。

主控模块：用于设置电动小孔的工作方式，包括小孔的转动步距和方向，系统工作前，主控模块将设置命令发送至下位机；数据分析是主控模块的一个集成模块，该模块将采集到的数据进行实时分析，并根据多次散射的原理，实时计算并显示出水云的液态含水量和云粒子有效半径，主控模块还完成对采集数据及分析结果的实时保存处理。

一种测量云粒子特性的多视场激光雷达探测方法，包括以下步骤：

1)利用激光雷达发射模块，控制激光器稳定产生532nm的激光，依次经过扩束镜、偏振片、半波片发射到大气中。

2)利用激光雷达接收模块，接收来自云和气溶胶的后向散射能量。

3)利用主控模块自动调节激光雷达的视场角，利用望远镜接收云粒子在不同视场下的后向散射的光子。

4)利用偏振分束器将接收光路的光分成平行偏振光和垂直偏振光，分别传到两个光电探测器探测。

5)利用光电探测器将接收的光信号通过光电倍增管转化成电信号，并传输给信号采集模块。

6)利用信号采集模块把水平通道和垂直通道的电信号进行光子计数，对采集的信号进行如下处理：

1、设置光子计数卡工作方式及数据采集时间；

2、设置电动小孔的工作方式、步距及步数；

3、设置控制软件使小孔的转动与数据采集同步；

4、在不同视场角下采集两个通道的光子数，并计算退偏比；

5、根据退偏比和蒙特卡洛算法计算云的微物理参数(包括液态含水量和云粒子半径)并进行记录。

7)利用主控模块对采集的信号进行实时分析，并根据不同视场下散射的情况，实时计算云粒子半径和液态含水量，并将数据进行实时保存。

如图2和图3所示，分别为线性退偏比的典型图例和利用本发明探测系统实测所得线性退偏比图例。通道1、通道2输出的比值为退偏比，它包含两个相互独立的物理参量：退偏比斜率和偏振饱和度(如图2所示)；通过蒙特卡洛可知，退偏比的斜率只和液态含水量有关(如图4所示，右上角数据表示每立方米的液态含水量)，和云粒子有效半径无关(如图5所示，右上角数据表示云粒子半径)，由此可以得到液态含水量，退偏饱和度和液态含水量以及云粒子半径有关，由此可以得到云粒子半径的大小。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。