[发明专利]一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统

说明书

本发明公开了一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统。由发射单元、光学接收和分光单元以及数据采集与控制单元组成。发射单元采用固体激光器输出的354.7nm激光并由45度折返镜导向天顶；光学接收和分光单元由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜、分光镜、滤光片、透镜、光纤以及光栅等组成。用于收集来自大气物质的后向散射光，并将回波信号中的弹性信号（354.7nm）、大气分子的纯转动拉曼谱(中心波长分别为353.5nm、354.1nm、355.6nm和356.2nm）和振转拉曼谱（386.7nm、407.6nm）信号进行分离；数据采集与控制单元保障整个雷达系统有序工作。本发明可同时对大气温度、水汽和气溶胶等参量进行高时空分辨率的测量。

技术领域

本发明涉及一种测量大气温度和水汽以及气溶胶的激光雷达系统。

背景技术

大气中的现象和过程错综复杂，使得大气科学研究在很大程度上要依靠对大气现象和过程的探测。大气温度、水汽和气溶胶是大气研究的重要参量。

激光雷达以其高时空分辨能力、高探测灵敏度以及可连续探测等特点，被广泛应用于大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中，尤其适合对大气参量的探测。激光雷达测量技术主要基于光与物质的相互作用机制。具体有：弹性散射、分子振动拉曼、分子纯转动拉曼、共振荧光以及差分吸收等技术。其中，拉曼散射是激光与大气分子之间的一种非弹性的作用过程。入射光与散射光波长不同，散射光的频移量与散射物质的电子能级分布有关。拉曼散射可以确定物质的属性，是辨识性的散射。激光雷达发射的激光束与大气中的尘埃、云雾、烟雾以及其它微粒相互作用，产生后向散射的回波光子信号，被激光雷达的望远镜系统接收，接收到的回波光子经过信号检测与处理系统，可以得到回波信号强度随高度分布以及随时间的变化，进而利用激光雷达方程反演出被探测对象的各种物理参数的空间分布和时间变化。

激光雷达测量的大气温度和水汽与无线电探空仪等相比，激光雷达能够获得高时空分辨率的温度和水汽的时空分布情况。测量水汽的激光雷达主要基于差分吸收和Raman散射两种原理。差分吸收激光雷达根据待测大气成分对两个相邻的波长吸收程度的差异进行浓度测量。由于分子的吸收截面比较大，所以差分激光雷达的测量精度高、测量周期短。但是由于差分吸收激光雷达对激光光源有较高的要求，系统结构一般比较复杂且造价高昂。Raman 散射激光雷达则根据分子微弱的非弹性散射（Raman 散射）进行探测，散射光的频率相对于入射光会发生一定的偏移，且偏移量只与目标分子有关，而与入射波长无关，因此可以根据散射光的强度确定被测气体组分的浓度。Raman激光雷达对激光波长没有特殊要求，结构相对比较简单，而且设备经济性比较好。

激光雷达对水汽测量通常采用354.7nm的发射激光。这样，需要从大气散射谱中，将中心波长为386.7nm的氮气分子的振动光谱和中心波长为407.6nm的水汽分子的Raman光谱分离出来。如果同时要进行高时间分辨率的大气温度测量，就要采用干涉滤光片组或者双光栅多色仪的纯转动拉曼激光雷达技术。目前，同时的大气温度、水汽和气溶胶测量的激光雷达，主要有两种，干涉滤光片组成的分光系统、干涉滤光片和Fabry-Perot标准具结合组成的分光系统。

对于单纯由干涉滤光片构成的分光系统具有结构简单、系统稳定，但是对于纯转动拉曼测温来说，干涉滤光片难以充分抑制两波长间的相互干扰，对弹性信号的抑制作用有限。干涉滤光片和Fabry-Perot标准具结合组成的分光系统通常结构较为复杂, 很少用于紫外激光分光。

发明内容