探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种激光雷达系统装置，具体是一种探测云精细结构的双波长四通道 激光雷达系统。
【背景技术】
[0002] 激光雷达是一种大气探测领域强有力的主动遥感工具，因其具有探测大气气溶胶 和云的高时间-空间变化而得到广泛运用，激光雷达已经成为研宄云和气溶胶不可或缺的 纽带。目前，随着光学技术、机械设计、电子学技术以及计算机控制技术等的发展和大气科 学的研宄需求，给激光雷达技术的发展带来机遇和挑战，要发展传统的技术方法的同时，开 拓新的技术方法。
[0003] 针对云探测的传统米散射激光雷达系统，是通过接收激光与大气中的粒子（气溶 胶粒子、云粒子等）发生米散射后的后向散射回波信号来反映大气特征的有效探测工具， 米散射主要集中在前向，后向散射的强度相对小些，但其散射截面仍然比其它散射过程的 散射截面大几个数量级，因此成为激光雷达探测大气的主要手段。由于散射粒子在受到偏 振光照射时所产生的散射光强和偏振特性依赖于散射粒子的物理性质、照射波长以及散射 角，所以在进行实际大气测量时，大气中的非球形粒子（气溶胶粒子、卷云粒子等）会使得 入射线偏振光的偏振特性发生改变。探测云的偏振激光雷达接收后向散射的偏振光，就是 通过探测这些非球形粒子的后向散射光的退偏特性来研宄他们的形态的一种有效的探测 工具。拉曼散射过程涉及入射光子和大气分子间的能量交换，是散射光频率不同于入射光 频率的一类非弹性散射过程。利用拉曼散射方法可识别并探测大气中某种成分，根据拉曼 散射原理探测大气气体分子浓度的激光雷达，称为拉曼散射激光雷达。拉曼激光雷达的回 波信息相对丰富，在云探测中，以把氮气作为拉曼介质的拉曼激光雷达为例，接收到的氮气 分子的拉曼散射回波不受其它粒子的后向散射的影响，故可以直接计算云的消光系数空间 分布。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于米散射-偏振-拉曼技术的探测云精细结构的双波 长四通道激光雷达系统，结构上比较紧凑，自动化程度比较高，探测时间（30秒）、空间（7.5 米）分辨率高，连续性好（24/7)，已经成功的用于组网探测建站试点，获取一年以上连续数 据资料。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：包括有激光扩 束发射单元、接收光学及后继分光单元、信号探测采集显示及主控单元；所述的激光扩束发 射单元由激光器发射器、激光发射器电源、激光发射器前端安装的导光反射镜一、激光光束 扩束器、对光反射镜、激光导光筒构成，激光发射器水平放置，同时发射l〇64nm和532nm的 激光，其中532nm激光为线偏振光，两束激光经过导光反射镜进入激光光束扩束器扩束后， 再由对光反射镜穿过激光导光筒垂直发射到大气中，通过调整导光反射镜使得激光完全进 入激光光束扩束器以实现激光扩束和减小发射角的目的，通过调整对光反射镜使得发射光 轴与接收望远镜主轴平行；所述的接收光学单元由接收望远镜、小孔光阑、会聚透镜、接收 导光筒组成，后继分光单元由光束分束镜组、导光反射镜二和检偏棱镜构成，光束分束镜组 包括有光束分束镜一、二，接收光学单元的光轴沿垂直方向，后继分光单元的光轴分别经由 光束分束镜一和导光反射镜二沿水平方向；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，再导入后面的后继分光单元，接收导光筒连接接收望远镜和后继分光单元， 小孔光阑和会聚透镜嵌在接收导光筒内；后向散射光被光束分束镜一分成两束，一束沿水 平方向经由光束分束镜二再分成两束，分别为l〇64nm米散射信号和607nm拉曼散射信号， 此两个信号分别直接进入雪崩二极管和光电倍增管一，另一束继续沿垂直方向经由导光反 射镜二导向后被检偏棱镜分成两束，分别为532nm米散射信号的平行分量和垂直分量，此 两个分量直接进入光电倍增管二和三；所述的信号探测采集显示及主控单元由光电倍增管 一、光电倍增管二、光电倍增管三、雪崩二极管、四通道A/D采集卡、主控计算机以及配套电 源组成，光电倍增管一、二、三、雪崩二极管分别将四个通道的光信号转换成电信号，并送入 16比特的四通道A/D采集卡，四通道A/D采集卡插在主控计算机的PCI插槽内，在激光发射 器的Q-Switch同步触发信号的控制下，将采集到的电信号转换成数字信号记录到数据测 量文件中，随后主控计算机将读取测量数据进行处理和显示；主控计算机ICC通过研制的 运行控制软件设定测量参数、实施信号测量和采集、显示测量结果以及网络交互等，实现昼 夜全自动无人值守的24/7模式探测，得到连续的探测结果。
[0007] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：所述的配套 电源包括光电倍增管一、二、三和雪崩二极管的高压电源以及提供给系统供电的不间断稳 压电源。
[0008] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：采用异轴系 统、固化箱式结构，激光发射器电源除外的激光扩束发射单元、接收光学单元、后继分光单 元和信号探测单元这四个子单元集合成统一的整体，固化在一个方形光学底板上，其上箱 体分作两个部分，一部分封装激光扩束发射单元，另一部分封装后继分光单元和信号探测 单元，箱体上方平行安装有激光导光筒和接收导光筒，接收望远镜通过两个刚性立柱与方 形光学底板固化，此整体结构紧凑、体积小、质量轻，可以整体作俯仰和方位移动而不改变 内部光学结构；采集显示及主控单元、配套电源装配在一个轻便可移动的机柜内；激光发 射器的出射激光与接收望远镜的光轴保持平行；箱体封装结构作用在于避免激光发射光干 扰接收信号光，天空背景光干扰接收信号光，同时防止灰尘污染光学部件。
[0009] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：所述的激光 器发射器、激光发射器电源采用Quantel公司生产的Nd:YAG激光发射器及其电源，同时发 射1064nm基频和532nm二倍频的激光；导光反射镜一和对光反射镜为1064nm和532nm双 波长全反镜；激光光束扩束器对532nm和1064nm双波长同步5倍扩束；激光导光筒内壁发 黑，考虑人眼安全和杂散光干扰。
[0010] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：所述的接收 望远镜选用Meada公司生产的Cassergrain型望远镜，直径300厘米；小孔光阑选用可变小 孔光阑，接收视场角从0. 5mrad到2mrad可调节；会聚透镜由BK7玻璃制成，并镀有增透膜； 接收导光筒内壁发黑，连接接收望远镜和后继分光单元，避免杂散光干扰。
[0011] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：所述的光束 分束镜一选用l〇64nm和607nm波长全反、532nm波长全透的BK7玻璃，光束分束镜二选用 607nm全反、1064nm全透的BK7玻璃，导光反射镜选用532nm全反的BK7玻璃，偏振棱镜选 用CVI公司的PBS-532-100偏振分光棱镜；当进行云精细结构探测时，后向散射光被分作四 个通道进入光电倍增管和雪崩二极管同步探测。
[0012] 所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：所述的光电 倍增管一、二、三选用Hamamatsu公司的R7400型光电倍增管，雪崩二极管选用Licel公司 的Si-APD型雪崩二极管，光电倍增管一、二、三、雪崩二极管前面装有Bar公司生产的窄带 滤光片。光电倍增管一、二、三和雪崩二极管将四通道的光信号转换为电信号后，由16比特 AD9826型高速采集卡完成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 和连续测量，运行控制软件还具有系统故障诊断、反馈和数据传输等网络化交互功能。
[0013] 本发明探测云精细结构的双波长四通道激光雷达，有以下特点：
[0014] 1)、米散射探测、偏振探测和拉曼散射探测多重功能的融合。可进行云层高度、厚 度等宏观结构，云粒子相态、大小等微物理特性，以及云光学特性的同步探测。
[0015] 2)、强信噪比，高探测高度，精细空间分辨率。不论白天还是晚上，云垂直分布的廓 线探测高度从地面到15km，分辨率为7. 5m。
[0016] 3)、单次探测时间短。每条有效廓线探测时间仅为30秒。
[0017] 4)、昼夜全自动无人值守连续探测。在实施云观测时，实现24/7模式探测，得到连 续的探测结果。
[0018] 5)、结构紧凑、重量较轻，模块化设计，便于携带和移动，便于部件更换，适于外场 实验。
[0019] 6)、网络化程度高。可以通过网络诊断、数据交互，适于激光雷达网络建站布点。
[0020] 7)、维护性好。一年的探测实验表明，在外部环境适宜（温度0-40度、湿度 0-75% )条件下，其常规维护只需要几个月一次的更换激光发射器的冷却循环水和氙灯。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明探测云精细结构的双波长四通道激光雷达的结构示意图。
[0022] 图2为典型的云精细结构空间分布时间演变探测结果。
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示，一种探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，包括有激光扩 束发射单元、接收光学及后继分光单元、信号探测采集显示及主控单元；所述的激光扩束 发射单元由激光器发射器1、激光发射器电源、激光发射器前端安装的导光反射镜BR1、激 光光束扩束器DWBX、对光反射镜BR2、激光导光筒构成，激光发射器1水平放置，同时发射 1064nm和532nm的激光，其中532nm激光为线偏振光，两束激光经过导光反射镜BR1进入激 光光束扩束器DWBX扩束后，再由对光反射镜BR2穿过激光导光筒垂直发射到大气中，通过 调整导光反射镜BR1使得激光完全进入激光光束扩束器DWBX以实现激光扩束和减小发射 角的目的，通过调整对光反射镜BR2使得发射光轴与接收望远镜主轴平行；所述的接收光 学单元由接收望远镜2、小孔光阑3、会聚透镜4、接收导光筒组成，后继分光单元由光束分 束镜组、导光反射镜BR3和检偏棱镜PBS构成，光束分束镜组包括有光束分束镜BS1、BS2， 接收光学单元的光轴沿垂直方向，后继分光单元的光轴分别经由光束分束镜BS1和导光反 射镜BR3沿水平方向；接收望远镜2后安装有小孔光阑3,其后安装会聚透镜4,会聚透镜4 的焦点与接收望远镜2的焦点重合，把接收望远镜2接收到的大气后向散射光会聚成平行 光，