專利名稱：測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光測量多項氣象參數(shù)的裝置，更具體地說是一種測量大氣濕 度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠參量的多普勒激光雷達(dá)裝置。
背景技術(shù)：
大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠等氣象參數(shù)是描述大氣動力和熱力結(jié)構(gòu)、天氣分 析與預(yù)報及氣候環(huán)境研究中的基本要素，對海洋、大氣、環(huán)境的研究起到重要的作用。多普 勒激光雷達(dá)具有較高的時空分辨率和較大的探測范圍，且能夠進(jìn)行長期連續(xù)的三維立體測 量，提供高精度的風(fēng)、溫、濕及氣溶膠數(shù)據(jù)，解決當(dāng)前大氣探測中氣象參數(shù)剖面和水平分布 資料不足的問題。當(dāng)前用于大氣探測的激光雷達(dá)，或是測風(fēng)或是測溫抑或是測濕度，功能單一。因此 它們在探測中，各自提取了回波中所需的、僅完成某一氣象參數(shù)的測定光譜成分，如，用于 測風(fēng)的多普勒激光雷達(dá)提取回波中的氣溶膠Mie散射和大氣分子Cabarmes散射這兩個彈 性散射光譜，以碘分子濾波器作為多普勒頻移的鑒頻器，將信號光分成兩路，一路過碘池作 測量通道，另外一路(不 經(jīng)過碘池)作參考通道，以兩路信號的比值變化反演引起多普勒頻 移的風(fēng)速大小。又如，用于測溫的激光雷達(dá)提取大氣分子轉(zhuǎn)動拉曼譜或是大氣分子瑞利譜； 測濕度的激光雷達(dá)一般提取水汽的振動拉曼譜和氮氣分子的振動拉曼譜。這樣不光在設(shè)備 的構(gòu)建上造成資源的浪費，在使用時出現(xiàn)大量的功率消耗。而且，由于多項氣象參數(shù)在反演 計算時需要用到其他參數(shù)的實時值，其中，相對濕度的測定需要知道當(dāng)時大氣溫度的高低； 利用多普勒頻移反演大氣風(fēng)場需要當(dāng)時的氣溶膠信息，大氣分子熱運動的多普勒展寬亦由 大氣溫度值所確定。目前的激光雷達(dá)，對于這些必需參量值的確定，需要依賴其他探空觀測 的最新資料或者大氣模型，尚不具備獨立工作的能力。顯然功能的拓展和成本的壓縮是激 光雷達(dá)能否在氣象觀測領(lǐng)域大有作為的關(guān)鍵因素。大氣探測的激光雷達(dá)在氣象觀測上的應(yīng)用越來越受到重視，實時地進(jìn)行大氣風(fēng)、 溫、濕、氣溶膠垂直剖面遙感探測成為本領(lǐng)域研究的前沿和熱點。然而其昂貴的設(shè)備成本和 維護，單一的功能，以及需要借助其余手段補足等劣勢，一直阻礙其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。除了 地面發(fā)射探測，航空和星載激光雷達(dá)體制更是對激光雷達(dá)的工作效率，和綜合獨立工作能 力提出了要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置，以其多功能性 和獨立工作能力彌補已有技術(shù)的不足。本發(fā)明是在已有的測風(fēng)多普勒激光雷達(dá)基礎(chǔ)上，考慮到充分利用大氣散射的回波 信號中所包含的各光譜成分包含的信息價值，故在已有的測風(fēng)多普勒激光雷達(dá)的接收系統(tǒng) (即已有風(fēng)速測量通道和參考通道)中增加三條新的光譜接收通道水汽分子的振動拉曼 通道，大氣分子的轉(zhuǎn)動拉曼高量子通道(高量子譜強隨溫度升高而增強)，和大氣分子的轉(zhuǎn)動拉曼低量子通道(低量子譜強隨溫度升高而減弱)。并且使用相應(yīng)波段的濾光片，在光路 上有序排列，將原測風(fēng)多普勒激光雷達(dá)中接收的氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜，和原探測 光譜中忽略的水汽分子振動拉曼譜、大氣分子轉(zhuǎn)動拉曼高、低量子譜分別提取出來。其中， 大氣分子轉(zhuǎn)動拉曼高、低量子譜測定大氣溫度，并提供大氣分子的密度信息；水汽振動拉曼 提供水汽分子的密度信息，測定大氣濕度；原氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜提供氣溶膠、 大氣分子的混合密度，測定氣溶膠含量；結(jié)合已有的大氣風(fēng)場探測，實現(xiàn)多普勒激光雷達(dá)對 多項氣象參數(shù)的獲取。如此，就能大幅壓縮研制多個激光雷達(dá)分別探測各項參數(shù)帶來的高 成本，在功能的全面提升中為多普勒激光雷達(dá)走向?qū)嵱玫於▓詫嵉幕A(chǔ)。
本發(fā)明包括由脈沖激光器、擴束鏡和反射鏡構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠(yuǎn)鏡、碘分子濾 波器、兩個光電探測器和在望遠(yuǎn)鏡后面的分光裝置構(gòu)成的接收系統(tǒng)；與上述兩個光電探測 器相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理計算機，其特征在于上述進(jìn)行光譜分離的分光裝置包 括濾光片a、濾光片b、濾光片C、濾光片d、濾光片e、濾光片f，上述各個濾光片的光路位置 關(guān)系如下望遠(yuǎn)鏡接收的散射光入射到濾光片a，濾光片a的反射光垂直入射濾光片b至光 電探測器上提取水汽分子振動拉曼譜，濾光片a的透射光又入射到濾光片c，濾光片c的透 射光譜為氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜(屬于風(fēng)速測量通道)穿過碘分子濾波器入射至 光電探測器上接收，濾光片c的反射光入射到濾光片d，濾光片d的透射光譜仍為氣溶膠、 大氣分子的彈性散射譜(屬于風(fēng)速參考通道)入射至光電探測器上接收，濾光片d的反射 光入射濾光片e至光電探測器上提取轉(zhuǎn)動拉曼低量子譜，濾光片e的反射光垂直入射濾光 片f至光電探測器上提取轉(zhuǎn)動拉曼高量子譜，且這五個光電探測器均與已有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 相連接，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算機。上述本發(fā)明包括由脈沖 激光器、擴束鏡和反射鏡構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠(yuǎn)鏡、碘分子濾波器、兩個光電探測器和接 在望遠(yuǎn)鏡后面的分光裝置構(gòu)成的接收系統(tǒng)；與上述兩個光電探測器相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 和數(shù)據(jù)處理計算機，其特征在于上述進(jìn)行光譜分離的分光裝置包括濾光片a、濾光片b、濾 光片C、濾光片d、濾光片e、濾光片f，上述各個濾光片的光路位置關(guān)系如下望遠(yuǎn)鏡接收的 散射光入射到濾光片a，濾光片a的反射光垂直入射濾光片b至光電探測器上提取水汽分子 振動拉曼譜，濾光片a的透射光又入射到濾光片c，濾光片c的透射光譜為氣溶膠、大氣分子 的彈性散射譜(屬于風(fēng)速測量通道)穿過碘分子濾波器入射至光電探測器上接收，濾光片 c的反射光入射到濾光片d，濾光片d的透射光譜仍為氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜(屬 于風(fēng)速參考通道)入射至光電探測器上接收，濾光片d的反射光入射濾光片e至光電探測 器上提取轉(zhuǎn)動拉曼低量子譜，濾光片e的反射光垂直入射濾光片f至光電探測器上提取轉(zhuǎn) 動拉曼高量子譜，且這五個光電探測器均與已有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算機。各個濾光片的透射光譜均由相應(yīng)的光電探測器接收本發(fā)明利用在多普勒激光雷達(dá)上專門設(shè)計的分光裝置進(jìn)行光譜分離，提取氣溶 膠、大氣分子的彈性散射譜、水汽分子振動拉曼譜、以及大氣分子轉(zhuǎn)動拉曼高、低量子譜。使 一部激光雷達(dá)集成于多部的功能，在一次光探測中就可同步獲取大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及 氣溶膠參量，因此顯著降低了多雷達(dá)探測的高成本和高消耗，既促進(jìn)了多普勒激光雷達(dá)功 能的全面升級，又為多普勒激光雷達(dá)實現(xiàn)獨立工作創(chuàng)造了條件。成本降低而性能大幅提升， 有利于多普勒激光雷達(dá)在氣象觀測方面的推廣應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1.脈沖激光器2.擴束鏡3.反射鏡4.望遠(yuǎn)鏡5.濾光片a 6.濾光片 b7.濾光片c 8.濾光片d 9.濾光片e 10.濾光片f 11.碘分子濾波器12.光電探測 器13.光電探測器14.光電探測器15.光電探測器16.光電探測器17.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 18.數(shù)據(jù)處理計算機。
具體實施例方式如圖1，本發(fā)明包括由脈沖激光器1、擴束鏡2和反射鏡3組成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠(yuǎn) 鏡4、碘分子濾波器11、光電探測器12、光電探測器15和接在望遠(yuǎn)鏡4后面的分光裝置組 成的接收系統(tǒng)；與光電探測器12、光電探測器15相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17和數(shù)據(jù)處理計 算機18，其特征在于進(jìn)行光譜分離的分光裝置包括濾光片a5、濾光片6、濾光片c7、濾光片 d8、濾光片e9、濾光片f 10，上述各個濾光片的光路位置關(guān)系如下望遠(yuǎn)鏡4接收的大氣散射 光入射到濾光片a5，濾光片a5的反射光垂直入射到濾光片b6提取水汽分子振動拉曼譜， 并由光電探測器16接收，濾光片a5的透射光又入射到濾光片c7，濾光片c7的透射光譜屬 于風(fēng)速測量通道為氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜，穿過碘分子濾波器11后再由光電探測 器12接收，濾光片c7的反射光入射到濾光片d8，濾光片d8的透射光譜屬于風(fēng)速參考通道 仍為氣溶膠、大氣分子的彈性散射譜由光電探測器15接收，濾光片d8的反射光入射到濾光 片e9，濾光片e9的透射光譜為轉(zhuǎn)動拉曼低量子譜由光電探測器13接收，濾光片e9的反射 光垂直入射到濾光片Π0提取轉(zhuǎn)動拉曼高量子譜，由光電探測器14接收，且這五個光電探 測器均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17相連接，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計 算機18，最后獲得大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠參量。上述濾光片a5透射波段527nm 533nm，反射波段658nm 663nm ；濾光片b 透射波段660nm 661nm ；濾光片c7和濾光片d8透射波段532nm 532. 5nm,反射波段 527. 5nm 531. 5nm ；濾光片 e9 透射波段 530. 5nm 531. 5nm,反射波段 527. 5nm 530nm ； 濾光片Π0透射波段528nm 529. 5nm。它們可以是干涉濾光片、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光 柵分光儀或者法拉第反常色散濾波器。上述脈沖激光器1波長為532nm，可以采用已有脈沖激光器，如各種固體激光器、 光纖激光器，單縱模穩(wěn)頻。例如，選用photonics公司的倍頻Nd:YAG脈沖激光器，單脈沖能 量500mJ，重復(fù)頻率50KHz。上述碘分子濾波器11，可采用15cm長的碘池。上述光電探測器12、13、14、15和16，為同一種類的光電探測器件，可以選用高靈 敏度和高速響應(yīng)的光電二極管、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD)，可選用英國ET公司 的光電倍增管 Electron tubes 9893/350。上述望遠(yuǎn)鏡4可采用反射式、折反式等通用望遠(yuǎn)鏡，例如美國Celestron公司生產(chǎn) 的820mm卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡。擴束鏡2可選用10倍擴束的。上述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17，可選用德國Licel公司的TR16-160數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1，工作時，本發(fā)明中波長為532nm的脈沖激光器1發(fā)射的光束經(jīng)過擴束鏡2 擴束壓縮發(fā)散角后，經(jīng)過反射鏡3發(fā)射到大氣中，被大氣分子或氣溶膠散射。而大氣的運動——風(fēng)，會使散射光的中心頻率產(chǎn)生多普勒頻移。上述大氣的散射光由望遠(yuǎn)鏡4收集后， 由包含濾光片a5、濾光片b6、濾光片c7、濾光片d8、濾光片e9和濾光片Π0的分光裝置進(jìn) 行光譜分離，分別進(jìn)入到水汽振動拉曼通道、風(fēng)速測量通道、風(fēng)速參考通道、轉(zhuǎn)動拉曼低量 子通道和轉(zhuǎn)動拉曼高量子通道，風(fēng)速測量通道含有碘分子濾波器11進(jìn)行鑒頻，且相應(yīng)地， 五個通道分別利用光電探測器16、12、15、13和14進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到的電信號輸入數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)17，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17將電信號數(shù)字化，匯總到數(shù)據(jù)處理計算機18進(jìn)行反演運算， 得到 大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠參量。
權(quán)利要求
一種測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置，包括由脈沖激光器(1)、擴束鏡(2)和反射鏡(3)構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠(yuǎn)鏡(4)、碘分子濾波器(11)、光電探測器(12)、光電探測器(15)和在望遠(yuǎn)鏡(4)后面的分光裝置構(gòu)成的接收系統(tǒng)；與光電探測器(12)、光電探測器(15)相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)和數(shù)據(jù)處理計算機(18)，其特征在于上述分光裝置包括濾光片a(5)、濾光片b(6)、濾光片c(7)、濾光片d(8)、濾光片e(9)、濾光片f(10)，上述各個濾光片的光路位置關(guān)系如下望遠(yuǎn)鏡(4)接收的散射光入射到濾光片a(5)，濾光片a(5)的反射光垂直入射濾光片b(6)至光電探測器(16)上；濾光片a(5)的透射光入射濾光片c(7)至碘分子濾波器(11)和光電探測器(12)上；濾光片c(7)的反射光入射濾光片d(8)至光電探測器(15)上；濾光片d(8)的反射光入射濾光片e(9)至光電探測器(13)上；濾光片e(9)的反射光垂直入射濾光片f(10)至光電探測器(14)上，且上述五個光電探測器(12～16)均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)相連接，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)將采集的信息傳入到數(shù)據(jù)處理計算機(18)而獲得大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠參量。
2.如權(quán)利要求1所述的測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置，其特征是上述濾光 片a (5)透射波段是527nm 533nm，反射波段是658nm 663nm ；濾光片b (6)透射波段 是660nm 66Inm ；濾光片c (7)和濾光片d(8)透射波段是532nm 532. 5nm,反射波段是 527. 5nm 531. 5nm ；濾光片e (9)透射波段是530. 5nm 531. 5nm,反射波段是527. 5nm 530nm ；濾光片f (10)透射波段是528nm 529. 5nm。
3.如權(quán)利要求1所述的測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置，其特征是上述脈沖激 光器⑴波長為532nm。
4.如權(quán)利要求1所述的測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置，其特征是上述濾光片 a (5) f(10)是干涉濾光片、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光柵分光儀或者法拉第反常色散濾波
全文摘要
一種測量多氣象參數(shù)的多普勒激光雷達(dá)裝置。包括由脈沖激光器、擴束鏡和反射鏡構(gòu)成的發(fā)射系統(tǒng)；由望遠(yuǎn)鏡、碘分子濾波器、兩個光電探測器和分光裝置構(gòu)成的接收系統(tǒng)；與光電探測器相連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理計算機，其特征是上述分光裝置包括六個濾光片，其光路位置關(guān)系大氣散射光入射到濾光片a，濾光片a的反射光垂直入射濾光片b；濾光片a的透射光入射濾光片c至碘分子濾波器上；濾光片c的反射光入射濾光片d；濾光片d的反射光入射濾光片e；濾光片e的反射光垂直入射濾光片f，各個透射光譜均由相應(yīng)的光電探測器接收。本發(fā)明在一次光探測中就可同步獲取大氣濕度、溫度、風(fēng)場以及氣溶膠參量，顯著降低了多雷達(dá)探測的高成本和高消耗。
文檔編號G01S17/95GK101819275SQ20101015453
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者劉智深, 吳松華, 陳陽 申請人:中國海洋大學(xué)