專利名稱：一種近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光雷達技術領域，尤其是涉及ー種可以對大氣氣溶膠進行測量的近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達。
背景技術：
大氣氣溶膠指的是大氣中懸浮著的直徑小于10 μ m的各種固體和液體粒子。氣溶膠在大氣中所占比例很小，但對大氣的輻射傳輸和水循環均有重要影響。激光雷達通過發射激光束與大氣氣溶膠粒子發生作用產生回波，對回波信號進行分析反演可以得到氣溶膠粒子消光特性信息。由于激光束具有發散小、波長短、能量密度高的特點，使用激光雷達探測大氣氣溶膠，具有大氣分層探測、時空分辨率好、 觀測精度高及時間上可連續觀測的獨特優勢。激光雷達作為大氣氣溶膠探測的成熟工具，在國內外得到了廣泛研究及應用。由于激光雷達信號隨探測距離增加大致呈反比下降，回波信號的動態范圍很大，通常在7個數量級以上。而目前數據采集時普通采用的模擬數字轉換器一般是12的采樣位數，很難采集7個數量級的動態范圍信號。針對這個問題，一些激光雷達系統對此采取的解決方案有改變發射光束與接收望遠鏡之間距離、縮小接收視場角、斬波器物理壓縮、光電倍增管門控，這些措施是舍棄近距離信號來提高遠距離信號的探測能力，在特定高度尤其是20km以上高空探測中發揮了很好的作用。為了擴大激光雷達探測范圍，對大氣可以進行高低空分層探測，有激光雷達采用分光鏡將信號分為遠近兩個通道實現了同時進行分層探測，但單ー的視場角很難兼顧遠場探測高度和近場探測盲區，視場角大則背景干擾強烈，視場角小則低空探測盲區大。單獨采用變視場角的設計也無法從根本上解決這ー矛盾。
發明內容
本發明針對上述問題，提出一種近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達。本發明提供的技術方案是ー種近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，包括向大氣發射激光脈沖束、接收大氣氣溶膠對發射的激光脈沖束產生的后向散射回波的光學系統，以及對光學系統所接收后向散射回波進行處理的光電檢測系統，光學系統的輸出連接光電檢測系統；
所述光學系統包括激光發射子系統、第一光學接收通道和第二光學接收通道，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第一光學接收通道的光軸重合，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第二光學接收通道的光軸平行而不重合；
激光發射子系統由激光發生器、激光擴束鏡和反射鏡組成，激光發生器3輸出激光脈沖束，經激光擴束鏡4后由發射鏡5偏轉，豎直發射到大氣中。而且，反射鏡由45°全反鏡和三維調節臺組成。而且，第一光學接收通道和第二光學接收通道分別由依次連接的接收望遠鏡、視場光闌、準直透鏡和透射波長與激光脈沖束相應的干渉窄帶濾光片組成。而且，光電檢測系統由第一光電倍增管、第二光電倍增管、第一前端放大器、第二前端放大器、第三前端放大器、第一模數轉換器、第二模數轉換器、光子計數器、光觸發器和計算機組成；
第一光電倍增管的輸出端同時接第一前端放大器的輸入端和第二前端放大器的輸入端，第一前端放大器的輸出端與第一模數轉換器相連，第二前端放大器的輸出端與光子計數器相連；
第二光電倍增管的輸出端與第三前端放大器的輸入端相連；第三前端放大器的輸出端與第二模數轉換器相連；
光觸發器的輸出端同時與第一模數轉換器、第二模數轉換器和光子計數器相連，第一模數轉換器、第二模數轉換器和光子計數器的輸出端同時與計算機相連。本發明采用兩個獨立的接收視場，一個采用離軸收發系統用于探測高空大氣，一 個采用同軸收發系統用于探測低空尤其是大氣邊界層大氣。雙視場方案有效的改善了單視場激光雷達系統因回波信號的動態范圍過大，而限制激光雷達的探測能力的缺點。在雙視場激光雷達的基礎上，遠場接收系統進ー步増加發射激光束與接收望遠鏡之間距離并且縮小接收視場，在數據采集部分同時采用模擬探測模式和光子計數探測模式，近場接收系統采用同軸收發系統，以此分別提高系統的高空和低空探測能力。此激光雷達可以得到大氣對流層氣溶膠的后向散射系數廓線和消光系數廓線，為長期監測和系統分析提供硬件支持，為大氣、遙感和環境科學提供了有力的探測工具。
圖I是本發明實施例的原理框圖。圖2是本發明實施例的光學系統示意圖。圖3是本發明實施例的光電探測系統示意圖。
具體實施例方式 實施例選擇532nm脈沖激光，以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。參見圖1，實施例提供的近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，主要包括2個部分光學系統I、光電檢測系統2。光學系統I用于向大氣發射532nm脈沖激光、接收大氣氣溶膠對發射的激光脈沖產生的后向散射回波。光電檢測系統2用于對收集的后向散射回波信號進行處理。參見圖2，實施例的光學系統I由激光發生器3，激光擴束鏡4，反射鏡5，接收望遠鏡6、7，視場光闌8、9，準直透鏡10、11，透射波長為532nm的干涉窄帶濾光片12、13組成。實施例的光學系統I包括激光發射子系統，激光發射子系統向大氣發射532nm脈沖激光束。激光發射子系統由激光發生器3、激光擴束鏡4和反射鏡5組成,激光發生器3輸出532nm激光脈沖束，激光擴束鏡4將激光脈沖束進行擴束，并壓縮發散角，發射鏡5具有三維調節功能，將擴束后的激光脈沖束偏轉使其豎直發射到大氣中。具體實施時，反射鏡5可由45°全反鏡和三維調節臺組成。光學系統I同時采用了離軸和同軸光學收發系統，設置兩套獨立的光學接收通道接收望遠鏡6的輸出端與視場光闌8的輸入端相連,視場光闌8的輸出端與準直透鏡10的輸入端相連，準直透鏡10的輸出端與干涉窄帶濾光片12的輸入端相連，以上組成第一光學接收通道，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第一光學接收通道的光軸重合，構成同軸光學收發系統。接收望遠鏡7的輸出端與視場光闌9的輸入端相連,視場光闌9的輸出端與準直透鏡11的輸入端相連，準直透鏡11的輸出端與干涉窄帶濾光片13的輸入端相連，以上組成第二光學接收通道，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第二光學接收通道的光軸平行而不重合，構成離軸光學收發系統。參見圖3，實施例中的光電探測系統2由第二光電倍增管14、第一光電倍增管15，第一前端放大器17、第二前端放大器18、第三前端放大器16,光觸發器19,第一模數轉換器21、第二模數轉換器20，光子計數器22及計算機23組成。光電檢測系統2針對兩套獨立的光學接收通道，也有兩套獨立的信號檢測系統。
第一光電倍增管15的輸出端同時接第一前端放大器17的輸入端和第二前端放大器18的輸入端，第一前端放大器17的輸出端與第一模數轉換器21相連,第二前端放大器18的輸出端與光子計數器22相連；
第二光電倍增管14的輸出端與第三前端放大器16的輸入端相連；第三前端放大器16的輸出端與第二模數轉換器20相連，
光觸發器19的輸出端同時與第一模數轉換器21、第二模數轉換器20和光子計數器22相連，將觸發信號同時傳遞到第一模數轉換器21、第二模數轉換器20和光子計數器22 ;第ー模數轉換器21、第二模數轉換器20和光子計數器22的輸出端同時與計算機23相連，進行數據處理和存儲。本發明安裝于地面觀測站點中。近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達以20Hz的頻率豎直向上對大氣發射532nm波長激光脈沖，激光脈沖在上升過程中與大氣中的氣溶膠顆粒物發生米散射，米散射后向回波光由該系統的兩個獨立光學接收通道進行接收，兩個光學接收通道通過調節視場光闌實現不同的接收視場角，大視場角適合低空大氣氣溶膠探測，接收到的光信號經過準直、濾光、光電轉換、信號放大、模數轉換處理后，連接到計算機進行處理和存儲；小視場角適合高空大氣氣溶膠探測，接收到的光信號經過準直、濾光、光電轉換、信號放大、模數轉換及光子計數同步處理后，連接到計算機進行處理和存儲。模數轉換和光子計數探測手段的組合可以提供激光雷達高空探測能力，低空和高空探測通道的組合可以覆蓋更大的探測范圍。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，其特征在于包括向大氣發射激光脈沖束、接收大氣氣溶膠對發射的激光脈沖束產生的后向散射回波的光學系統，以及對光學系統所接收后向散射回波進行處理的光電檢測系統，光學系統的輸出連接光電檢測系統； 所述光學系統包括激光發射子系統、第一光學接收通道和第二光學接收通道，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第一光學接收通道的光軸重合，激光發射子系統發射的激光脈沖束的光軸與第二光學接收通道的光軸平行而不重合； 激光發射子系統由激光發生器、激光擴束鏡和反射鏡組成，激光發生器3輸出激光脈沖束，經激光擴束鏡4后由發射鏡5偏轉，豎直發射到大氣中。
2.根據權利要求I所述的近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，其特征在于反射鏡由45°全反鏡和三維調節臺組成。
3.根據權利要求I或2所述的近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，其特征在于第一光學接收通道和第二光學接收通道分別由依次連接的接收望遠鏡、視場光闌、準直透鏡和透射波長與激光脈沖束相應的干涉窄帶濾光片組成。
4.根據權利要求I或2所述的近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，其特征在于光電檢測系統由第一光電倍增管、第二光電倍增管、第一前端放大器、第二前端放大器、第三前端放大器、第一模數轉換器、第二模數轉換器、光子計數器、光觸發器和計算機組成； 第一光電倍增管的輸出端同時接第一前端放大器的輸入端和第二前端放大器的輸入端，第一前端放大器的輸出端與第一模數轉換器相連，第二前端放大器的輸出端與光子計數器相連； 第二光電倍增管的輸出端與第三前端放大器的輸入端相連；第三前端放大器的輸出端與第二模數轉換器相連； 光觸發器的輸出端同時與第一模數轉換器、第二模數轉換器和光子計數器相連，第一模數轉換器、第二模數轉換器和光子計數器的輸出端同時與計算機相連。
全文摘要
一種近場同軸雙視場米散射大氣激光雷達，其特征在于包括向大氣發射激光脈沖束、接收大氣氣溶膠對發射的激光脈沖束產生的后向散射回波的光學系統，以及對光學系統所接收后向散射回波進行處理的光電檢測系統。光學系統中激光發射系統與兩套獨立的光學接收通道分別采用了收發同軸和離軸的設計，信號探測及采集同時采用模數探測和光子計數探測模式。低空探測可采用大視場角及同軸系統，高空探測可采用小視場角、離軸系統及模擬光子計數探測雙模式，這樣就提高了激光雷達系統在低空和高空的探測能力，為大氣邊界層探測和平流層大氣氣溶膠探測提供支持。
文檔編號G01S17/95GK102854514SQ20121035399
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者龔威, 李俊, 馬盈盈, 毛飛躍, 張淼, 馬昕 申請人:武漢大學