[发明专利]一种用于气溶胶探测的对地激光雷达

说明书

一种用于气溶胶探测的对地激光雷达，涉及激光大气遥感领域；包括双视线激光雷达和反演处理模块；双视线激光雷达包括第一激光雷达和第二激光雷达；第一激光雷达包括第一发射系统、第一回波接收系统和第一探测采集处理系统；第二激光雷达包括第二发射系统、第二回波接收系统和第二探测采集处理系统；第一激光雷达垂直向下对地进行观测得到激光雷达回波廓线；第二激光雷达沿倾斜θ角对地进行观测得到激光雷达回波廓线；第一激光雷达和第二激光雷达探测到的数据送入数据处理及反演模块2后可以反演得到消光系数廓线、激光雷达比廓线；本发明达到优于20％的气溶胶光学特性探测精度，同时也解决了当前拉曼激光雷达和高光谱分辨激光雷达系统的不足。

技术领域

本发明涉及一种激光大气遥感领域，特别是一种用于气溶胶探测的对地激光雷达。

背景技术

当前用于气溶胶廓线探测的主要激光雷达技术为后向散射激光雷达技术、拉曼散射激光雷达技术、高光谱分辨激光雷达技术。为了实现气溶胶粒径分布的探测，还需要采用多波长(一般为1064nm、532nm、355nm)探测方式。

上述方法中，后向散射激光雷达对激光器的综合要求最低(通常为10～100pm量级的线宽，能量uJ～100mJ量级)，对接收光学系统的综合要求也最低，其后向散射截面最大，可以工作于任意波长，可以用于机载、星载激光雷达研制，是目前最成熟的激光雷达技术。但其反演精度与天气条件、反演算法等密切相关，相对误差一般在30％～50％。

拉曼散射激光雷达技术分为转动拉曼散射激光雷达技术和振动拉曼散射激光雷达，一般常用振动拉曼激光雷达进行高精度气溶胶探测。该技术对激光器和接收光学系统的综合要求相对较低(通常为10～100pm量级的线宽，能量100mJ量级)，通过大气分子的拉曼散射可以将气溶胶光学特性反演精度提高到优于20％，但拉曼散射截面最小且与波长4次方成反比，一般只用于紫外和可见光波段探测。由于拉曼散射信号比米散射信号小6个数量级，这类激光雷达往往要求较大的脉冲发射能量和接收口径；基于于同样的原因，该种技术只能用于地基、空基探测，不能用于天基对地观测。

高光谱分辨率激光雷达(HSRL)探测技术是在一般后向散射激光雷达基础上发展起来的更高精度的探测技术。它的优点是散射信号比拉曼散射强4个数量级以上，同时，还可以实现优于20％的气溶胶光学特性反演，因而可以用于地基、空基和天基。而它的问题在于为了实现上述指标，必须采用高激光功率输出的单频脉冲激光器(线宽1～100fm量级)，这类激光器对波长的线宽及其稳定性要求极高，通常需要配置鉴频、稳频等装置；除激光器研制难度高外，其接收中继光学系统的要求也极高，通常采用原子滤波器(需要对激光发射和接收谱线同时锁定，仅用于532nm)、FP标准具(可用视场小、透过率低、尺寸难以提高、加工难度高、应用环境要求苛刻)、视场展宽干涉仪(可用视场较大、透过率较高、加工和装调难度高、应用环境要求高)等高难度、严要求、环境适应性差的接收光学元器件；由于接收光学系统的限制，该类激光雷达通常只能工作在如532nm、355nm这样的特定波长上，且光学接收透过率较低。

通过上述比较可知，目前高光谱分辨激光雷达技术既可以达到20％的探测精度又可以用于星载探测，因此是目前相关领域研究的主要方向。但是该技术主要由以下3个问题：

1、对激光器的要求极高，尤其是线宽和波长稳定性控制要求极高，需要特殊的激光器设计技术，研制成本、研制周期、研制难度和工作风险成倍增加；

2、对中继光学要求极高，为了实现高光谱分辨滤波，必须采用高成本、高难度、高风险、低适应性、低透过率的特殊光学元件，导致可行性较低；

3、工作波长限制较大，比如原子滤波系统只能用于532nm，FP标准具虽然可以用于多种波长但在355nm波长透过率极低，1064nm分子散射极弱难以采用高光谱分辨等。在气溶胶探测过程中，波长越多粒径反演精度越高，因此该技术不利于更高精度的粒径反演。