一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法与流程

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法。

背景技术：

拉曼激光雷达是测量边界层内水汽高分辨率时空分布的有效工具，对于研究边界层中的各种物理过程有重要的应用价值。但是由于水汽的拉曼散射回波信号非常微弱，在白天由于背景光的干扰，其探测能力收到很大的限制。为了提高拉曼激光雷达在白天的探测能力，一般都采用大脉冲能量的激光发射装置、大口径小视场的接收望远镜、窄带干涉滤光片f，因此拉曼激光雷达的体积、重量都比较大，成本也比较高，在使用中受到一定限制。采用日盲技术，可以有效地减小天空背景光的影响，拉曼激光雷达的体积、重量相对较小，成本也相对比较低。因此，基于日盲技术的拉曼激光雷达在边界层水汽的昼夜连续测量中具有一定的优势，但是由于臭氧在水汽和氮气分子拉曼散射波长上吸收差异的影响，需要校正臭氧吸收的影响，才能够准确测量水汽混合比。目前通常采用另外一台臭氧激光雷达测量或模式输出的臭氧分布的数据对日盲拉曼激光雷达的测量数据进行校正，不仅仅增加了测量成本，并且还会引入一定的测量误差，这在很大程度上限制了日盲拉曼激光雷达的应用。

技术实现要素：

为了实现测量边界层内水汽高分辨率时空分布的前提下降低成本，为此，本发明提供一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法。本发明采用以下技术方案：

一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，包括探测器模块，所述探测器模块包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。

进一步的说，系统还包括在探测器模块前端依次设置的

发射模块，用于发射设定波长的激光到大气中；

接收模块，用于接收包括大气信息的散射回波信号；

还包括在探测器模块的后端依次设置的

数据采集模块，用于采集每个探测器单元中回波信号；

上位机，所述上位机获得数据采集模块中的信号和与激光器的受控端连接。

对探测器模块的限定，三个探测器单元分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元，所述第一探测单元包括接收波长为295nm的水汽分子振-转拉曼散射回波信号的第一探测器，所述第二探测单元包括接收波长为284nm的氮气分子振-转拉曼散射回波信号的第二探测器，所述第三探测单元包括接收波长为277nm的氧气分子振-转拉曼散射回波信号的第三探测器。

对探测器模块的进一步限定，每个探测器单元还包括设置在分色镜与探测器之间的且依光路设置的窄带干涉滤光片f、透镜l。

对发射模块的限定，所述激光器输出波长为266nm的激光器，所述发射模块还包括用于减小激光器输出的激光光束发散角的扩束镜、将扩束后的激光反射到大气中的反射镜m1。

对接收模块的限定，所述接收模块包括依次设置的接收望远镜、接收望远镜、准直目镜，所述接收望远镜用于接收带有大气信息的发射信号，所述准直目镜用于校准接收望远镜接收的信号。

使用上述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统的方法，包括以下步骤：

s1、上位机获得水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数；

s2、根据水汽分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数和氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数，得到测量的水汽混合比函数；

s3、将氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数与氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数相除，根据现有的水汽拉曼激光雷达数据处理技术得到空气分子和大气气溶胶的透过率校正，，进而从相除后获得的函数中得到臭氧透过率校正函数，代入到水汽混合比函数中，获得水汽混合比的空间分布。

对步骤s1的进一步说明，步骤s1中的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数分别表示为：

其中，ph(λl,λh,z)、pn(λl,λn,z)和po(λl,λo,z)分别是激光雷达接收到的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度；kh、kn和ko分别是激光雷达的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号接收通道的系统常数；nh(z)、nn(z)、no(z)和no3(z)分别是水汽、氮气、氧气和臭氧的分子数密度；dσh(λl,λh,π)/dω、dσn(λl,λn,π)/dω和dσo(λl,λo,π)/dω分别是水汽分子、氮气分子和氧气分子的微分后向拉曼散射截面；βa和βm分别是大气气溶胶和空气分子的后向散射系数；αa和αm分别是大气气溶胶和空气分子的消光系数；σo3是臭氧分子的吸收截面；λl、λh、λn、λo分别是激光波长和水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射波长；z是散射体距离激光雷达的距离。

对步骤s2的进一步说明，步骤s2获得的水汽混合比的公式如下：

其中，cwv是水汽混合比标定常数；k是大气气溶胶额angstrom常数。

对步骤s3的进一步说明，步骤s3获得的水汽混合比的公式是将公式(2)和公式(3)相减，获得公式如下：

其中，co3是系统常数；将(5)式带入到(4)式中可以得到，

其中，c是系统常数，与系统的光学效率、电子学增益、分子后向散射截面、氮气和氧气的数密度比值有关，通过利用其它设备测量的水汽混合比对激光雷达测量的结果进行定标，来得到该系统常数c；η是一个与臭氧吸收截面有关的常数。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过在日盲激光雷达中增加一个接收氧气振-转拉曼散射回波信号的通道，激光雷达直接测量水汽、氮气和氧气的拉曼散射回波信号，为得到水汽混合比的垂直分布提供硬件基础，而不需要利用其它设备测量或者从日盲激光雷达测量信号中反演臭氧浓度的分布，从而降低测量成本，并且提高测量精度。

(2)拉曼激光雷达中采用日盲技术，可以有效地减小白天背景光的影响，提高探测信号的信噪比，但是由于受到臭氧在日盲光谱范围内吸收的影响，需要校正臭氧在激光雷达接收的不同波长上的吸收差异，才能准确测量被测目标气体(如水汽)的浓度，本发明中利用拉曼差分吸收技术，实现对臭氧透过率的同步自校正功能。目前通常采用另外一台臭氧激光雷达测量或模式输出的臭氧分布的数据对日盲拉曼激光雷达的测量数据进行校正，不仅仅增加了测量成本，并且还会引入一定的测量误差，这在很大程度上限制了日盲拉曼激光雷达的应用。本发明将促进基于日盲技术的拉曼激光雷达在边界层内水汽高时空分辨率连续测量中的应用。

(3)本发明中数据处理简单，不需要求解积分方程，消除了随机噪声对于积分方程求解造成的不稳定性。现有技术在臭氧浓度测量中，需要求解积分方程，测量信号中的随机噪声对求解的臭氧浓度带来较大的误差，从而影响透过率校正的精度和水汽混合比测量的精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

11-激光器12-扩束镜

21-接收望远镜22-光阑23-准直目镜

3-探测器模块4-数据采集模块5-上位机

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，包括依次设置的发射模块、接收模块、探测器模块3、数据采集模块4、上位机5。

发射模块用于发射设定波长的激光到大气中；所述激光器11包括作为激光光源的yag激光机，其输出基频激光经过二倍频和四倍频后，得到266nm的激光输出。所述发射模块还包括用于减小激光器11输出的激光光束发散角的扩束镜12、将扩束后的激光反射到大气中的反射镜m1。

接收模块用于接收带有大气信息的散射回波信号；所述接收模块包括依次设置的接收望远镜21、光阑22、准直目镜23，所述接收望远镜21用于接收带有大气信息的散射回波信号，所述准直目镜23用于准直接收望远镜21接收的信号。

探测器模块3包括反射镜m2、分色镜m3、分色镜m4、分色镜m5、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到另一分色镜上进行分束，所述反射镜m2将接收模块反射到其中一个分色镜上，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。三个探测器单元分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元，所述第一探测单元包括依光路设置的第一窄带干涉滤光片f1、第一透镜l1、接收波长为295nm的水汽分子振-转拉曼散射回波信号的第一探测器，所述第二探测单元包括依光路设置的第二窄带干涉滤光片f2、第二透镜l2、接收波长为284nm的氮气分子振-转拉曼散射回波信号的第二探测器，所述第三探测单元包括依光路设置的第三窄带干涉滤光片f3、第三透镜l3、接收波长为277nm的氧气分子振-转拉曼散射回波信号的第三探测器。本申请需要考虑臭氧吸收的波段主要在紫外波段，探测器均采用pmt，即三个探测器分别为第一探测器pmt1、第二探测器pmt2、第三探测器pmt3，和ccd和apd等探测器相比，pmt在紫外波段具有较高的量子效率，并且增益高、暗噪声小，非常适合紫外波段的微弱拉曼回波信号的探测。

数据采集模块4用于采集每个探测器单元中回波信号。

所述上位机5获得数据采集模块4中的信号和与激光器11的受控端连接。

本实施例的原理是：发射单元将发出的波长为266nm的激光经扩束镜12扩束后发射到大气中，激光与大气中的分子和气溶胶相互作用，产生的后向散射回波信号被接收模块，然后通过输入到探测模块中通过不同的探测器单元将混合的光信号，分别提取出水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号并转换成对应的电信号，数据采集模块4采集电信号后输出到上位机5，上位机5将电信号进行处理，从而获得具有臭氧吸收自校正功能的水汽日盲拉曼差分吸收的激光雷达系统。

需要注意的是，本申请还保护作为一个单独产品的探测器模块3。

实施例2

使用实施例1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统的方法，包括以下步骤：

s1、上位机5获得水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数；

具体地说，水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数分别表示为：

其中，ph(λl,λh,z)、pn(λl,λn,z)和po(λl,λo,z)分别是激光雷达接收到的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度；kh、kn和ko分别是激光雷达的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号接收通道的系统常数；nh(z)、nn(z)、no(z)和no3(z)分别是水汽、氮气、氧气和臭氧的分子数密度；dσh(λl,λh,π)/dω、dσn(λl,λn,π)/dω和dσo(λl,λo,π)/dω分别是水汽分子、氮气分子和氧气分子的微分后向拉曼散射截面；βa和βm分别是大气气溶胶和空气分子的后向散射系数；αa和αm分别是大气气溶胶和空气分子的消光系数；σo3是臭氧分子的吸收截面；λl、λh、λn、λo分别是激光波长和水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射波长；z是散射体距离激光雷达的距离。

s2、根据水汽分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数和氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数，即从公式(1)和(2)中可以得到测量的水汽混合比函数；

水汽混合比的公式如下：

其中，cwv是水汽混合比标定常数；k是大气气溶胶额angstrom常数；从上式可以看出，需要校正空气分子、大气气溶胶和臭氧在水汽分子和氮气分子的振-转拉曼散射波长上的透过率差异，才能得到水汽混合比；空气分子和大气气溶胶的透过率校正在水汽拉曼激光雷达数据处理中已经比较成熟，日盲激光雷达的关键在于臭氧透过率的校正。

s3、将氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数与氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数相除，根据现有的水汽拉曼激光雷达数据处理技术得到空气分子和大气气溶胶的透过率校正，，进而从相除后获得的函数中得到臭氧透过率校正函数，代入到水汽混合比函数中，获得水汽混合比的空间分布。即将公式(2)和公式(3)相除，获得公式如下：

其中，co3是系统常数；将(5)式带入到(4)式中可以得到，

其中，c是系统常数，与系统的光学效率、电子学增益、分子后向散射截面、氮气和氧气的数密度比值有关，通过利用其它设备测量的水汽混合比对激光雷达测量的结果进行定标，来得到该系统常数c；η是一个与臭氧吸收截面有关的常数。

本发明中，通过在日盲激光雷达系统中增加一个接收氧气振-转拉曼散射回波信号的通道，可以直接将激光雷达测量的水汽、氮气和氧气的拉曼散射回波信号带入到(6)式中，直接得到水汽混合比的垂直分布，而不需要利用其它设备测量或者从日盲激光雷达测量信号中反演臭氧浓度的分布。本发明中，数据处理简单，不需要求解积分方程，消除了随机噪声对于积分方程求解造成的不稳定性。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。