[发明专利]基于阵列式微脉冲激光雷达的气溶胶消光光谱测量方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于阵列式微脉冲激光雷达的气溶胶消光光谱测量方法和装置，用于同时满足气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布探测需求。所述方法包括：为满足空间分布探测需求，采用具备高空间分辨探测能力的微脉冲激光雷达，获取离散波长的气溶胶消光系数；为满足光谱分辨探测需求，大幅增加激光雷达的探测波长数量，并结合气溶胶粒径谱历史观测数据，优化探测波长分布选择；为优化多波长激光雷达的成本、体积及功耗，发明了阵列式组合的光学收发模块；在离散波长气溶胶消光系数的基础上，通过多项式拟合，获得连续波长气溶胶消光光谱。本发明消除了传统气溶胶消光特性观测方法，难以同时满足光谱分辨和空间分布探测需求的问题，有较强的应用价值。

技术领域

本发明涉及基于阵列式微脉冲激光雷达的气溶胶消光光谱测量方法和装置，属于大气气溶胶探测领域，用于同时满足气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布的探测需求。

背景技术

气溶胶消光特性是大气辐射强迫和环境科学研究领域关注的核心参数，能否利用一种准确有效的观测设备，同时获取气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布信息，对于大气辐射强迫研究和环境科学业务应用，具有重要的意义。但是，目前公知的气溶胶消光特性观测手段中，具备空间分布探测能力的主动遥感激光雷达技术，多为单波长、单参数测量系统，难以获得宽波段的气溶胶消光光谱特征；而具备光谱分辨探测能力的被动遥感太阳光度计和光谱仪技术，多为整层大气气溶胶平均效应的测量系统，则难以获得气溶胶消光光谱的空间分布特性。综上所述，现有气溶胶消光特性测量设备面临的问题是，难以通过单台探测设备，同时满足业务观测应用要求的光谱分辨和空间分布探测需求。

发明内容

本发明拟解决的技术问题：

为了克服现有的气溶胶消光特性测量设备，难以通过单台设备，同时满足气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布探测问题，本发明提出一种阵列式微脉冲激光雷达，通过单台设备，即可满足大气辐射强迫研究和环境科学业务应用的观测需求。在具备高空间分辨探测能力的大气探测激光雷达基础上，大幅增加激光雷达探测波长数量，利用气溶胶粒径谱历史观测数据的统计特征，在太阳主要辐射能量集中的波段区间内，优化配置激光雷达的探测波长分布，利用足够数量的离散波长消光系数，基于多项式拟合方法，获得连续波长消光光谱曲线，进而实现气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布的同时探测。为解决探测波长数量大幅增加后激光雷达的工程化及成本控制问题，开发了发射光路和接收光路一体化的光学收发模块，利用光学收发模块阵列式组合的方法，降低激光雷达的体积、功耗及成本，在增加探测波长的同时，保障所有探测波长回波信号的信噪比，同时还具备灵活配置探测波长数量和探测波长分布的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于阵列式微脉冲激光雷达的气溶胶消光光谱测量方法，包括以下步骤：步骤1，利用气溶胶粒径谱历史观测数据的统计特征，在太阳主要辐射能量集中的波段区间内，优化配置激光雷达的探测波长分布；步骤2，在具备空间分辨探测能力的大气探测激光雷达基础上，增加激光雷达探测波长数量；步骤3，激光雷达采用微脉冲探测体制；利用发射光路和接收光路一体化的光学收发模块，采用多个光学收发模块的阵列式组合方法；步骤4，利用离散波长消光系数，基于多项式拟合方法，获得连续波长消光光谱曲线，进而实现气溶胶消光特性的光谱分辨和空间分布的同时探测。

优选地，步骤4还包括，根据阵列式微脉冲激光雷达获取的各波长回波信号，利用数据处理软件，反演获得离散波长的气溶胶消光系数，以及消光系数的距离分辨空间分布信息，基于多项式拟合方法，对离散波长消光系数进行曲线拟合，同步获得连续波长的气溶胶消光光谱和空间分布特性。

优选地，步骤1，利用气溶胶粒径谱历史观测数据，统计全球主要区域类型气溶胶的粒径谱分布特征，按照粒子米氏散射理论中，被测粒径与探测波长的散射尺度参数匹配原则，结合商用小型化激光光源输出波长的可获得性，在太阳主要辐射能量集中的波段区间内，优化设置激光雷达的探测波长分布。