[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

摘要

本发明公开了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，包括双波长探测光源、激光雷达接收光学系统、信号探测系统、三维转动平台、瞬态记录仪、自动温湿度记录仪等；两探测光波长分别位于水汽吸收峰和非吸收峰上，可以以任意角度发射到大气中，获得水汽特定谱线上吸收特性的后向散射信号，反演获取光的传输路径上的水汽的距离分辨的相对湿度的廓线，经标定后，最终获得的光路上的高分率高精度的水汽相对湿度时空分布数据。本发明可以实现对水汽相对湿度汽立体分布进行昼夜全天候观测，具有较高的时间分辨率、空间分辨率和高探测精度。

主权项

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，其特征在于包括：水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）、水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）、激光雷达接收光学系统（3）、信号探测系统（4）、三维转动平台（5）、信号同步器（6）、计算机（8）、瞬态记录仪（7）、自动温湿度记录仪（9）、电子经纬仪（16）、电子罗盘（15）、第一45°全反镜（10）、第二45°全反镜（11）、第一扩束镜（13）、第二扩束镜（14）和直角棱镜（12）；所述水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）和水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）分别搭载在激光雷达接收光学系统（3）中部两侧，水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）为具有宽线宽特征，中波长位于890‑980nm之间，线宽大于2.5nm，线宽能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）线宽不限，中心波长位于860‑890nm或者980‑1070nm范围内；电子经纬仪（16）和电子罗盘（15）分别搭载在激光雷达接收光学系统（3）尾部两侧，实时与计算机（8）通讯；水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）、水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）的探测波长分别被第一扩束镜（13）和第二扩束镜（14）进行准直扩束，两束激光光源发散角扩束后均小于0.1mrad，分别被第一45°全反镜（10）和第二45°全反镜（11）折返，由直角棱镜（12）发射到大气中；所述第一45°全反镜（10）和第二45°全反镜（11）调整架调谐精度高，旋钮调整1°光束指向性调整0.02mrad；所述第一扩束镜（13）、第一45°全反镜（10）和水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统（3）上；所述第一扩束镜（14）、第一45°全反镜（11）和水汽吸收峰谱线探测激光光源（2）具有相同的中心高，依次安装在激光雷达接收光学系统（3）上；所述激光雷达接收光学系统（3）搭载到三维转动平台（5）上，使激光雷达接收光学系统（3）能够指向任意俯仰角和方位角；信号探测系统（4）安装在接收光学系统（3）尾部端平面上，二者光轴重合；所述计算机（8）自动控制系统各部件工作，计算机（8）向二维转动平台（5）发送角度调整信号，三维转动平台（5）调整激光雷达接收光学系统（3）的俯仰角和方位角，调整完成后返回信号给计算机（8），计算机（8）接收到角度调整完成信号后，分别给信号同步器（6）和瞬态记录仪（7）发送工作信号，同时读取自动温湿度记录仪（9）、电子罗盘（15）和电子倾角仪（16）的数据；同步器（6）和瞬态记录仪（7）接收到工作信号后，进入预工作状态，向计算机（8）返回信号；所述信号同步器（6）向水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）、水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）、瞬态记录仪（7）同时发送采集信号，并反馈信号给计算机（8），计算机（8）开始采集计时，水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）、水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）发射探测激光脉冲，瞬态记录仪（7）同步从非吸收峰探测波长回波信号探测（17）和吸收峰探测波长回波信号探测（18）中读取数据进行数据采 集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机（8），计算机（8）根据瞬态记录仪（7）反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态；计时脉冲数结束后，计算机（8）向信号同步器（6）和瞬态记录仪（7）发送停止工作命令，信号同步器（6）和瞬态记录仪（7）分别向水汽吸收峰谱线探测激光光源（1）、水汽非吸收峰谱线探测激光光源（2）和非吸收峰探测波长回波信号探测（17）和吸收峰探测波长回波信号探测（18）发送停止命令，计算机（8）将采集到的光信号数据、温湿度数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，通过计算机（8）利用差分吸收反演方法进行反演，得到所测光路上的距离分辨水汽浓度廓线，并自动完成对数据的校准；除获取水汽浓度廓线外，同时得到边界层高度、颗粒物分布信息、云特性和气溶胶消光系数特性垂直分布。