專利名稱：多功能大氣激光雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以對(duì)各種重要大氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的多功能大氣激光雷達(dá)。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠和云、痕量氣體如臭氧、以及水蒸氣對(duì)整個(gè)地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡、全球環(huán)境和全球氣候變化都有強(qiáng)烈的影響。因此，對(duì)上述大氣參數(shù)特性的探測(cè)和研究是大氣科學(xué)中的重要課題。同時(shí)，對(duì)上述大氣參數(shù)的空間分布和時(shí)間變化的探測(cè)研究，在大氣光學(xué)特性研究、激光大氣傳輸和衛(wèi)星遙感資料的大氣訂正等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也有著重要的意義。目前出現(xiàn)了一些對(duì)大氣參數(shù)進(jìn)行探測(cè)的微波雷達(dá)和激光雷達(dá)，但它們只能對(duì)單一大氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，不能同時(shí)對(duì)多種大氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這樣在數(shù)據(jù)源提供上存在欠缺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出一種多功能大氣激光雷達(dá)。通過對(duì)大氣氣溶膠和云、臭氧、大氣密度、水蒸氣(濕度)的空間分布和時(shí)間變化進(jìn)行測(cè)量，可更加全面地提供各種大氣參數(shù)。該技術(shù)方案的特點(diǎn)是采用了多功能方案，與發(fā)展幾個(gè)不同單一功能的激光雷達(dá)相比，可大大地降低儀器的成本，減少體積和重量，提高可靠性。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是多功能大氣激光雷達(dá)，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對(duì)激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產(chǎn)生的回波散射光的光學(xué)接收器、對(duì)光學(xué)接收器接收的回波散射光信號(hào)進(jìn)行處理的光電探測(cè)器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調(diào)節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調(diào)節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時(shí)輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。
所述光學(xué)接收器由接收望遠(yuǎn)鏡、視場(chǎng)光闌、短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡、分光波長(zhǎng)為400nm分色片、分光波長(zhǎng)為800nm的分色片、分光波長(zhǎng)為280nm的分色片、分光波長(zhǎng)為288nm的分色片、分光波長(zhǎng)為272nm的分色片和長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡組成；接收望遠(yuǎn)鏡輸出端與視場(chǎng)光闌輸入端相連，視場(chǎng)光闌輸出端與短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光波長(zhǎng)為400nm分色片輸入端相連，400nm分色片的一個(gè)輸出端與長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光波長(zhǎng)為800nm的分色片輸入端相連，400nm分色片的另一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為280nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為272nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的另一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為288nm的分色片的輸入端相連。
所述光電探測(cè)器由透射波長(zhǎng)為294nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為283nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為277nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為266nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為532nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為1064nm的濾光片、第一光電倍增管模塊、第二光電倍增管模塊、第三光電倍增管模塊、第四光電倍增管模塊、第五光電倍增管模塊、雪崩二極管模塊、第一光子計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器、第三光子計(jì)數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、GPIB接口卡和計(jì)算機(jī)組成；透射波長(zhǎng)為294nm的濾光片的輸出端與第一光電倍增管模塊輸入端相連，第一光電倍增管模塊輸出端與第一光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；透射波長(zhǎng)為283nm的濾光片的輸出端與第二光電倍增管模塊輸入端相連，第二光電倍增管模塊輸出端與第二光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；透射波長(zhǎng)為277nm的濾光片的輸出端與第三光電倍增管模塊輸入端相連，第三光電倍增管模塊輸出端與第三光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；第一光子計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器和第三光子計(jì)數(shù)器的GPIB接口同時(shí)與GPIB接口卡的GPIB接口相連，GPIB接口卡通過PCI接口與計(jì)算機(jī)相連；透射波長(zhǎng)為266nm的濾光片的輸出端與第四光電倍增管模塊輸入端相連，第四光電倍增管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第一輸入端口相連，透射波長(zhǎng)為532nm的濾光片的輸出端與第五光電倍增管模塊輸入端相連，第五光電倍增管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第二輸入端口相連，透射波長(zhǎng)為1064nm的濾光片的輸出端與雪崩二極管模塊輸入端相連，雪崩二極管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第三輸入端口相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換板通過PCI接口與計(jì)算機(jī)相連。
本發(fā)明安裝于激光雷達(dá)臺(tái)站中。其通過激光發(fā)射器垂直向上對(duì)大氣中同時(shí)發(fā)射三束不同波長(zhǎng)(266nm、532nm和1064nm)的脈沖激光束，當(dāng)不同波長(zhǎng)激光脈沖遇到大氣中的不同成分時(shí)，由于米氏散射原理和拉曼散射原理會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的回波散射光，該系統(tǒng)的光學(xué)接收器接收到這些散射光信號(hào)，經(jīng)過整形后在空間上將回波光信號(hào)按波長(zhǎng)不同分為六個(gè)部分，這六部分光信號(hào)分別經(jīng)濾光、光電轉(zhuǎn)換、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換或光子計(jì)數(shù)處理后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和儲(chǔ)存。這六個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光分別為波長(zhǎng)為1064nm、532nm和266nm的米氏散射，波長(zhǎng)為294nm的水蒸氣拉曼散射，波長(zhǎng)為283nm的氮?dú)饫⑸浜筒ㄩL(zhǎng)為277nm的氧氣拉曼散射。三個(gè)波長(zhǎng)的米氏散射可提供氣溶膠顆粒大小信息；氮?dú)饫⑸淇商峁┐髿饷芏刃畔?；米氏散射與氮?dú)饫⑸涞慕M合可提供精確氣溶膠光學(xué)參數(shù)；氮?dú)饫⑸浜脱鯕饫⑸涞慕M合可用于以差分吸收方式探測(cè)臭氧；水蒸氣拉曼散射和氮?dú)饫⑸涞慕M合可提供大氣濕度信息。此激光雷達(dá)從而可以得到大氣氣溶膠和云、大氣密度、大氣濕度、臭氧等的空間分布和時(shí)間演化參數(shù)，為大氣研究和相應(yīng)的氣象環(huán)保應(yīng)用服務(wù)。


圖1是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達(dá)原理框圖；圖2是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達(dá)的激光發(fā)射器部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達(dá)的光學(xué)接收器部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是本發(fā)明中多功能大氣激光雷達(dá)的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
參見圖1，本發(fā)明中的多功能大氣激光雷達(dá)，主要包括激光發(fā)射器1、光學(xué)接收器2、光電探測(cè)器3。
參見圖2，激光發(fā)射器1由激光器4(Continuum，型號(hào)Powerlite-9020)、反射棱鏡5(Newport，型號(hào)10SR20)和三維調(diào)節(jié)棱鏡架6(Newport，型號(hào)UGP-1)組成；激光器4輸出端與反射棱鏡5輸入端相連，反射棱鏡5安裝在三維調(diào)節(jié)棱鏡架6上。激光器4的配置中加入倍頻和三倍頻(激光器4自帶的附件)，激光器4輸出1064nm、532nm和266nm的脈沖激光束，反射棱鏡5將激光束偏折90°使之垂直向上發(fā)射，三維調(diào)節(jié)棱鏡架6帶動(dòng)反射棱鏡5，可調(diào)節(jié)激光束的發(fā)射方向。
參見圖3，光學(xué)接收器2由接收望遠(yuǎn)鏡7(Meade，型號(hào)LX200GPS-16Inch)、視場(chǎng)光闌8、短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡9、長(zhǎng)通濾光片10(Newport，分光波長(zhǎng)400nm)、12(Newport，分光波長(zhǎng)800nm)、13(Newport，分光波長(zhǎng)280nm)、14(Newport，分光波長(zhǎng)288nm)、15(Newport，分光波長(zhǎng)272nm)和長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡11組成；接收望遠(yuǎn)鏡7輸出端與視場(chǎng)光闌8輸入端相連，視場(chǎng)光闌8輸出端與短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡9輸入端相連，短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡9輸出端與長(zhǎng)通濾光片10輸入端相連，長(zhǎng)通濾光片10的一個(gè)輸出端與長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡11輸入端相連，長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡11輸出端與長(zhǎng)通濾光片12輸入端相連，長(zhǎng)通濾光片10的另一個(gè)輸出端與長(zhǎng)通濾光片13輸入端相連，長(zhǎng)通濾光片13的一個(gè)輸出端與長(zhǎng)通濾光片15的輸入端相連，長(zhǎng)通濾光片13的另一個(gè)輸出端與長(zhǎng)通濾光片14的輸入端相連。從大氣散射的光回波信號(hào)經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡7收光聚焦以后，采用視場(chǎng)光闌8將接收視場(chǎng)控制在合適的視場(chǎng)角范圍內(nèi)，經(jīng)過短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡9將回波光信號(hào)整理成平行光后，經(jīng)長(zhǎng)通濾光片10進(jìn)行波長(zhǎng)分光，波長(zhǎng)大于400nm的光信號(hào)透過長(zhǎng)通濾光片10，再經(jīng)過長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡11整形，再通過長(zhǎng)通濾光片12分光，波長(zhǎng)大于800nm的光信號(hào)透過長(zhǎng)通濾光片12(其中包括需要的1064nm波長(zhǎng)的氣溶膠米氏散射光信號(hào))，波長(zhǎng)在400nm-800nm之間的光信號(hào)被長(zhǎng)通濾光片12反射(其中包括需要的532nm波長(zhǎng)的氣溶膠米氏散射光信號(hào))，波長(zhǎng)小于400nm的光信號(hào)被長(zhǎng)通濾光片10反射，此光信號(hào)被長(zhǎng)通濾光片13再次分光，其中波長(zhǎng)在280nm-400nm的光透過長(zhǎng)通濾光片13，被長(zhǎng)通濾光片14進(jìn)一步分為288nm-400nm(透射，其中包括需要的294nm波長(zhǎng)的水蒸氣拉曼散射光信號(hào))和280nm-288nm(反射，其中包括需要的283nm波長(zhǎng)的氮?dú)饫⑸涔庑盘?hào))，從長(zhǎng)通濾光片13上反射的280nm以下的光信號(hào)被長(zhǎng)通濾光片15進(jìn)一步分為272nm以下(反射，其中包括需要的266nm波長(zhǎng)的氣溶膠米氏散射光信號(hào))和272nm-280nm之間(透射，其中包括需要的277nm波長(zhǎng)的氧氣拉曼散射光信號(hào))。
參見圖4，光電探測(cè)器3由濾光片16(Newport，透射波長(zhǎng)294nm)、17(Newport，透射波長(zhǎng)283nm)、18(Newport，透射波長(zhǎng)277nm)、19(Newport，透射波長(zhǎng)266nm)、20(Newport，透射波長(zhǎng)532nm)、21(Newport，透射波長(zhǎng)1064nm)，光電倍增管模塊22、23、24、25(Hamamatsu，型號(hào)H9656-06)、26(Hamamatsu，型號(hào)H9656-04)，雪崩二極管模塊27(Hamamatsu，型號(hào)C5331-04)，光子計(jì)數(shù)器28、29、30(SRS，型號(hào)SR-430)，模數(shù)轉(zhuǎn)換板31(研華，型號(hào)PCI-1714)，GPIB接口卡32(研華，型號(hào)PCI-1670)和計(jì)算機(jī)33組成；濾光片16的輸出端與光電倍增管模塊22輸入端相連，光電倍增管模塊22輸出端與光子計(jì)數(shù)器28輸入端相連，濾光片17的輸出端與光電倍增管模塊23輸入端相連，光電倍增管模塊23輸出端與光子計(jì)數(shù)器29輸入端相連，濾光片18的輸出端與光電倍增管模塊24輸入端相連，光電倍增管模塊24輸出端與光子計(jì)數(shù)器30輸入端相連，光子計(jì)數(shù)器28、29、30的GPIB接口同時(shí)與GPIB接口卡32的GPIB接口相連，GPIB接口卡32插在計(jì)算機(jī)33中，通過PCI接口與計(jì)算機(jī)33相連；濾光片19的輸出端與光電倍增管模塊25輸入端相連，光電倍增管模塊25輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板31輸入1號(hào)端口相連，濾光片20的輸出端與光電倍增管模塊26輸入端相連，光電倍增管模塊26輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板31輸入2號(hào)端口相連，濾光片21的輸出端與雪崩二極管模塊27輸入端相連，雪崩二極管模塊27輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板31輸入3號(hào)端口相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換板31插在計(jì)算機(jī)33中，通過PCI接口與計(jì)算機(jī)33相連。經(jīng)相應(yīng)波長(zhǎng)的濾光片濾光后，波長(zhǎng)分別為294nm(水蒸氣拉曼散射)、283nm(氮?dú)饫⑸?和277nm(氧氣拉曼散射)的光信號(hào)經(jīng)相應(yīng)光電倍增管模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再通過相應(yīng)光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行光子計(jì)數(shù)后，經(jīng)GPIB接口卡送入計(jì)算機(jī)；經(jīng)相應(yīng)波長(zhǎng)的濾光片濾光后，波長(zhǎng)分別為266nm(266nm米氏散射)和532nm(532nm米氏散射)的光信號(hào)經(jīng)相應(yīng)光電倍增管模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再通過相應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡上轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字信號(hào)后，送入計(jì)算機(jī)；經(jīng)相應(yīng)波長(zhǎng)的濾光片濾光后，波長(zhǎng)為1064nm(1064nm米氏散射)的光信號(hào)經(jīng)雪崩二極管模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再通過相應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡上轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字信號(hào)后，也送入計(jì)算機(jī)；總共有六路信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析和存儲(chǔ)。
權(quán)利要求
1.多功能大氣激光雷達(dá)，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對(duì)激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產(chǎn)生的回波散射光的光學(xué)接收器、對(duì)光學(xué)接收器接收的回波散射光信號(hào)進(jìn)行處理的光電探測(cè)器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調(diào)節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調(diào)節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時(shí)輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能大氣激光雷達(dá)，其特征在于所述光學(xué)接收器由接收望遠(yuǎn)鏡、視場(chǎng)光闌、短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡、分光波長(zhǎng)為400nm分色片、分光波長(zhǎng)為800nm的分色片、分光波長(zhǎng)為280nm的分色片、分光波長(zhǎng)為288nm的分色片、分光波長(zhǎng)為272nm的分色片和長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡組成；接收望遠(yuǎn)鏡輸出端與視場(chǎng)光闌輸入端相連，視場(chǎng)光闌輸出端與短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，短波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光波長(zhǎng)為400nm分色片輸入端相連，400nm分色片的一個(gè)輸出端與長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，長(zhǎng)波長(zhǎng)準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光波長(zhǎng)為800nm的分色片輸入端相連，400nm分色片的另一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為280nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為272nm的分色片的輸入端相連，280nm的分色片的另一個(gè)輸出端與分光波長(zhǎng)為288nm的分色片的輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多功能大氣激光雷達(dá)，其特征在于所述光電探測(cè)器由透射波長(zhǎng)為294nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為283nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為277nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為266nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為532nm的濾光片、透射波長(zhǎng)為1064nm的濾光片、第一光電倍增管模塊、第二光電倍增管模塊、第三光電倍增管模塊、第四光電倍增管模塊、第五光電倍增管模塊、雪崩二極管模塊、第一光子計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器、第三光子計(jì)數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、GPIB接口卡和計(jì)算機(jī)組成；透射波長(zhǎng)為294nm的濾光片的輸出端與第一光電倍增管模塊輸入端相連，第一光電倍增管模塊輸出端與第一光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；透射波長(zhǎng)為283nm的濾光片的輸出端與第二光電倍增管模塊輸入端相連，第二光電倍增管模塊輸出端與第二光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；透射波長(zhǎng)為277nm的濾光片的輸出端與第三光電倍增管模塊輸入端相連，第三光電倍增管模塊輸出端與第三光子計(jì)數(shù)器輸入端相連；第一光子計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器和第三光子計(jì)數(shù)器的GPIB接口同時(shí)與GPIB接口卡的GPIB接口相連，GPIB接口卡通過PCI接口與計(jì)算機(jī)相連；透射波長(zhǎng)為266nm的濾光片的輸出端與第四光電倍增管模塊輸入端相連，第四光電倍增管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第一輸入端口相連，透射波長(zhǎng)為532nm的濾光片的輸出端與第五光電倍增管模塊輸入端相連，第五光電倍增管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第二輸入端口相連，透射波長(zhǎng)為1064nm的濾光片的輸出端與雪崩二極管模塊輸入端相連，雪崩二極管模塊輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換板第三輸入端口相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換板通過PCI接口與計(jì)算機(jī)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及多功能大氣激光雷達(dá)，包括向大氣發(fā)射1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的激光發(fā)射器、接收大氣中對(duì)激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光束產(chǎn)生的回波散射光的光學(xué)接收器、對(duì)光學(xué)接收器接收的回波散射光信號(hào)進(jìn)行處理的光電探測(cè)器；激光發(fā)射器由激光器、反射棱鏡和三維調(diào)節(jié)棱鏡架組成；激光器輸出端與反射棱鏡輸入端相連，反射棱鏡安裝在三維調(diào)節(jié)棱鏡架上；激光器為可同時(shí)輸出1064nm、532nm和355nm脈沖激光束的Nd:YAG激光器。本發(fā)明安裝于激光雷達(dá)臺(tái)站中。采用本發(fā)明可以獲得大氣氣溶膠和云、大氣密度、大氣濕度、臭氧等的空間分布和時(shí)間演化參數(shù)，為大氣研究和相應(yīng)的氣象環(huán)保應(yīng)用服務(wù)。
文檔編號(hào)G01W1/00GK1945356SQ200610124878
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者龔?fù)? 朱忠敏, 宋沙磊, 劉夢(mèng)雨, 郝中豫, 馬盈盈, 李俊 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)