[发明专利]一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学遥测接收装置和方法，具体是涉及将差分吸收激光雷达技术和微脉冲激光雷达技术相结合，建立双波长差分吸收的微脉冲激光雷达装置，实现对大气中水汽时空分布自动连续监测的技术和方法。

背景技术

大气里中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四，水汽仅占全球总水量的0.001%，水汽是大气中浓度变化最大的一种气体。水汽在环境、气象、气候和军事领域扮演了一个十分重要的角色。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天气预报和气候研究中都有重要价值，水汽含量的探测是也人工影响天气的研究的重要参数。目前，国内大部分气象台分别在每天的8：00和20：00，使用探空气球的方法获取水汽廓线，例如，北京气象局2008年全年共放球896次，探空对于水汽的垂直测量虽然精确，但这种探测仪器是一次性使用的高空气象仪器，消耗大，受到使用时间和空间的限制，而且每次释放探空的过程会受到当时天气状况、人为操作等不确定因素的影响。此外，水汽廓线也是气象、气候模型输入的重要参数。水汽在辐射传输中是一个非常重要的参量，从近红外到远红外区域存在多个较强的吸收带，但水汽随着时间和空间变化很大，往往与标准大气模式存在很大的差异，从而带来计算误差，精确测量水汽的浓度可以获得高精度的大气辐射传输计算参数，在提高光电探测仪器的测量精度以及确认武器装备有效作用距离等方面有着重要意义。大气中水汽对太阳辐射的吸收直接影响到卫星观测到的信号,在航天、航空遥感器辐射定标和大气校正时就需要大气中精确的水汽量。

而当前水汽立体监测手段相对匮乏，还没有仪器能够实现对水汽时空分布进行高时间分辨率高空间分辨率的自动连续测量。目前主要能够实现水汽立体观测的仪器主要有三种，气象探空，微波辐射计，水汽Raman激光雷达。

探空气球是目前最常用的方法，其中五九型转筒式电码探空仪（GZZ2型探空仪）是我国高空气象观测中使用的常规探空仪。这种探空仪发射机的频率一种为24.5MHz，另一种是400MHz。它通常由气球携带升入空中，将感应到的气象要素值转变为无线电信号，不断地向地面发送。地面上的接收设备将信号收录、处理，从而取得温、压、湿垂直分布的探测结果。这种观测方法的缺点很明显，探空气球会受到使用时间和空间的限制，是一次性的观测手段，受气象条件、航空管制、人为因素的影响比较大，无法实现对水汽连续观测自动。

微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，它主要是用天线来被动的接收天空一定频率的微波辐射，然后根据天线接收到的能量得到天空的亮度温度。将微波辐射计进行扫角观测，仰角由0°到90°之间变化，就可以观测到大气的亮度温度，通过一系列微波辐射计观测到的大气亮度温度Tb的值，将比湿随亮度分布反演出来。因此利用微波辐射计可以测得水汽随高度分布的廓线。微波辐射计在0-1.2km的距离分辨率为50m，1.2-10km的距离分辨率为50-2500m，此外微波辐射计成本比较高，观测参数单一，主要的缺点是水汽测的误差非常大，容易受到天气的影响。

水汽Raman激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的方法，一般使用高能量紫外激光器为光源（单脉冲200mj，频率200hz），利用口径600mm以上望远镜进行对水汽才可以在白天进行探测，该方法的优势是，时间分辨率和空间分辨率高，可以同时观测多个参数，缺点成本高，维护不方便；此外，水汽Raman激光雷达在白天探测距离较小，甚至无法工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，实现对水汽时空分布进行高时间分辨率高空间分辨率高精度的自动连续探测；创新地使用了宽带宽激光光源，进行水汽吸收峰谱线的探测，将微脉冲激光雷达技术和差分吸收激光雷达技术相结合，实现了对水汽时空分布的昼夜探测，解决了由于水汽吸收谱线太窄导致探测精度差，激光器中心波长漂移不利于水汽探测，激光雷达水汽探测标定难，以及激光雷达在白天进行水汽探测比较难的问题。