專利名稱：全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光雷達(dá)，尤其涉及從近地面到110公里這一寬范圍大氣層段探 測的全高程激光雷達(dá)和連續(xù)24小時(shí)不間斷大氣探測的全天時(shí)激光雷達(dá)。
技術(shù)背景 從近地面到110公里高空大氣層段，是日-地關(guān)系鏈中的重要環(huán)節(jié)，是空間物理和
大氣科學(xué)的重要研究領(lǐng)域。激光雷達(dá)具有時(shí)空分辨率高、探測靈敏度高、可分辨探測物種和
不存在大氣探測盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對這一層段大氣多參量的探測。 大氣探測激光雷達(dá)通常以30公里為界，分為低空探測激光雷達(dá)和高空探測激光
雷達(dá)。高空探測激光雷達(dá)主要有瑞利散射激光雷達(dá)和共振熒光激光雷達(dá)兩種，瑞利散射激
光雷達(dá)的探測高度一般為30 80公里，而共振熒光激光雷達(dá)的探測高度為80 110公里。
30公里以下低空探測激光雷達(dá)則主要有米氏散射激光雷達(dá)、拉曼散射激光雷達(dá)、差分吸收
激光雷達(dá)等，其中米氏散射激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)約1 30公里的大氣連通性探測。 德國IAP激光雷達(dá)組將共振熒光、瑞利散射、拉曼散射三臺激光雷達(dá)聯(lián)合起來
共同實(shí)現(xiàn)1 105公里夜間溫度探測和80 105公里全天時(shí)探測(Temperature lidar
measurements from 1 to 105km altitude using resonance, Rayleigh， and Rotational
Raman scattering, Atmos. Chem. Phys. 2004，4 :793 800)。這種由多臺激光器、多臺望遠(yuǎn)
鏡和諸多檢測設(shè)備組成的系統(tǒng)，造價(jià)昂貴，調(diào)整復(fù)雜，維護(hù)困難。 一方面，多臺激光器很難實(shí)
現(xiàn)同步發(fā)射，這會(huì)造成多臺激光雷達(dá)回波信號在時(shí)間上不同步；另一方面，多個(gè)激光束會(huì)在
空間上產(chǎn)生一定偏離，造成多臺激光雷達(dá)回波信號在空間上不一致。
發(fā)明內(nèi)容 本實(shí)用新型的目的是提供一種全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)通 過雙波長發(fā)射、三通道同時(shí)接收、窄帶濾光、以及收發(fā)聯(lián)調(diào)等有機(jī)融合，不但實(shí)現(xiàn)了單臺激 光雷達(dá)對1 110公里高空大氣的夜間全程探測，還實(shí)現(xiàn)了對1 60公里和80 110公 里大氣的全天時(shí)探測，進(jìn)一步拓展了激光雷達(dá)的探測能力，為大氣探測提供了一種更為有 效的設(shè)備。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案 全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分、信號檢測部分 組成，其中 激光發(fā)射部分中的雙波長發(fā)射裝置可同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)頻的532nm和589nm兩束激光。 532nm激光經(jīng)第一棱鏡發(fā)射，用于激發(fā)30公里以下的米氏散射和30 80公里的瑞利散射； 589nm激光經(jīng)第二棱鏡發(fā)射，用于激發(fā)80 110公里鈉層的共振熒光。兩個(gè)棱鏡分別安裝 在兩個(gè)電動(dòng)雙軸傾斜臺上，由計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)雙軸傾斜臺，對棱鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得兩束激光 按要求的方向進(jìn)行發(fā)射。
其中雙波長發(fā)射裝置為一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)(專利號ZL 200710051538.5)中的第二發(fā)射裝置，該裝置中的Nd:YAG激光器采用種子注入技術(shù)獲 得穩(wěn)頻的532nm激光，589nm激光的輸出波長被鎖定在鈉原子的共振峰上(中國科學(xué)G， 37 (2) : 196-201)，使之與高空鈉層產(chǎn)生有效共振。 光學(xué)接收部分采用兩臺接收望遠(yuǎn)鏡，一臺高空望遠(yuǎn)鏡的焦平面上平行放置兩根光 纖，分別用于接收532nm瑞利散射回波光和589nm鈉層熒光回波光，并送入瑞利散散射通 道和鈉層熒光通道；一臺低空望遠(yuǎn)鏡焦平面上放置一根光纖，用于接收532nm激光低空米 氏散射回波光，并送入米氏散射通道。高空望遠(yuǎn)鏡采用較大口徑接收望遠(yuǎn)鏡且離兩發(fā)射棱 鏡3 8米，是為了獲得更高的探測能力的同時(shí)，有效避免低空強(qiáng)散射回波光的干擾，實(shí)現(xiàn) 30 110公里探測；低空望遠(yuǎn)鏡采用較小口徑接收望遠(yuǎn)鏡且離發(fā)射棱鏡0. 1 1米，是為 了避免低空強(qiáng)散射回波光飽和的同時(shí)，使得收發(fā)匹配的起始高度盡可能低，實(shí)現(xiàn)1 30公 里探測。 信號檢測部分同時(shí)獲取米氏散射通道、瑞利散射通道(專利號
ZL200710051538. 5)和鈉層熒光通道(專利號ZL 200710051538. 5)回波信號，并由計(jì)算機(jī)
采集和存儲。在米氏散射通道、瑞利散射通道和鈉層熒光通道中均采用了 pm量級帶寬的窄
帶濾光器，比普通干涉濾光片帶寬窄2 3個(gè)數(shù)量級，且具有帶外抑制更強(qiáng)的特點(diǎn)，可有效
濾除白天天空背景光噪聲，配合穩(wěn)頻的532nm和589nm激光，實(shí)現(xiàn)三通道的全天時(shí)探測。 其中米氏散射通道由光纖準(zhǔn)直器、窄帶濾光器、聚焦鏡、光電探側(cè)器組成，光纖準(zhǔn)
直器、窄帶濾光器、聚焦鏡、光電探測器依次排列，光纖出口的回波光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成
平行光，再經(jīng)窄帶濾光器后經(jīng)聚焦鏡聚焦到光電探測器，將回波光轉(zhuǎn)變成電信號。 要實(shí)現(xiàn)兩束激光同時(shí)發(fā)射，兩臺望遠(yuǎn)鏡和三個(gè)通道的同時(shí)有效接收，須采用有效
的收發(fā)聯(lián)調(diào)步驟，才能保證1 110公里全高程大氣回波信號均收發(fā)匹配。高空收發(fā)匹配方
法為，高空望遠(yuǎn)鏡豎直放置且固定不動(dòng)，以保證其探測的是天頂方向大氣回波信號，調(diào)整兩
發(fā)射激光束方向使之與其接收視場匹配；低空收發(fā)匹配方法為，低空望遠(yuǎn)鏡豎直放置，發(fā)射
激光束方向固定不動(dòng)，調(diào)整低空望遠(yuǎn)鏡焦面處光纖一端輸入口位置使其接收視場與532nm
發(fā)射激光束方向匹配。具體步驟為，高空鈉層熒光通道和瑞利散射通道收發(fā)匹配由計(jì)算機(jī)
控制兩電動(dòng)雙軸傾斜臺，帶動(dòng)發(fā)射棱鏡實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光束空間二維掃描，使得接收回波光聚
焦于高空望遠(yuǎn)鏡焦平面上兩接收光纖輸入端，分別實(shí)現(xiàn)30 80公里和80 110公里收發(fā)
匹配；低空米氏散射通道的收發(fā)匹配由計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)雙軸平移臺，帶動(dòng)電動(dòng)雙軸平移臺
上光纖水平二維移動(dòng)，將接收光纖頭的輸入端對準(zhǔn)低空望遠(yuǎn)鏡接收回波光焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)1
30公里收發(fā)匹配。至此，雙波長同時(shí)發(fā)射、雙望遠(yuǎn)鏡同時(shí)接收的米氏散射、瑞利散射、鈉層熒
光三個(gè)通道激光雷達(dá)接收系統(tǒng)整機(jī)收發(fā)聯(lián)調(diào)完成，確保高、低空望遠(yuǎn)鏡在其有效探測范圍
內(nèi)收發(fā)匹配。 全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分、信號檢測部分 組成。其中光學(xué)接收部分由低空望遠(yuǎn)鏡、第一光纖、電動(dòng)雙軸平移臺、高空望遠(yuǎn)鏡、第二光 纖和第三光纖組成；低空望遠(yuǎn)鏡豎直放置，電動(dòng)雙軸平移臺平行安置在低空望遠(yuǎn)鏡的焦平 面處，第一光纖一端的光纖頭垂直安裝在電動(dòng)雙軸平移臺的中心，光纖頭的端面位于焦平 面上；高空望遠(yuǎn)鏡豎直放置，距離低空望遠(yuǎn)鏡3 8米，第二光纖一端和第三光纖一端的光 纖頭相距3 30毫米并排放置，兩光纖頭的端面均位于高空望遠(yuǎn)鏡的焦平面處，兩光纖頭 的光軸均與高空望遠(yuǎn)鏡的光軸平行；
4[0015] 激光發(fā)射部分由雙波長激光發(fā)射裝置、第一棱鏡、第一電動(dòng)雙軸傾斜臺、第二棱 鏡、第二電動(dòng)雙軸傾斜臺組成；雙波長激光發(fā)射裝置同時(shí)輸出532nm和589nm兩束激光， 532nm激光束對準(zhǔn)第一棱鏡中心，第一棱鏡安裝在第一 電動(dòng)雙軸傾斜臺上，532nm激光束 經(jīng)第一棱鏡反射后與高空望遠(yuǎn)鏡光軸平行；589nm激光束對準(zhǔn)第二棱鏡中心，第二棱鏡安 裝在第二電動(dòng)雙軸傾斜臺上，589nm激光束經(jīng)第二棱鏡反射后偏離高空望遠(yuǎn)鏡光軸方向 1. 5 15亳弧度； 信號檢測部分由計(jì)算機(jī)、米氏散射通道、瑞利散射通道和鈉層熒光通道組成；米氏
散射通道、瑞利散射通道和鈉層熒光通道的輸出端分別與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)的輸出控制
端分別連接到電動(dòng)雙軸平移臺、第一電動(dòng)雙軸傾斜臺和第二電動(dòng)雙軸傾斜臺上。 上述信號檢測部分中米氏散射通道、瑞利散射通道和鈉層熒光通道中的窄帶濾光
器采用復(fù)合濾光器或者雙折射濾光器或原子濾光器。 上述光學(xué)接收部分中的低空望遠(yuǎn)鏡或高空望遠(yuǎn)鏡采用反射式望遠(yuǎn)鏡、折射式望遠(yuǎn) 鏡、折反式望遠(yuǎn)鏡或組合望遠(yuǎn)鏡。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和效果 全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)不但實(shí)現(xiàn)了單臺激光雷達(dá)探測1 110公里高空 大氣的夜間全程探測，還實(shí)現(xiàn)了單臺激光雷達(dá)從1 60公里和80 110公里大氣全天時(shí)探 測，具有技術(shù)方案先進(jìn)、系統(tǒng)集成度高、工作可靠、操作簡單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其是 保證了發(fā)射激光束在時(shí)間上同步，空間上一致，提升了單臺激光雷達(dá)探測能力和應(yīng)用范圍， 從而可為中高層大氣觀測研究提供一種高性能探測設(shè)備，也為臨近空間大氣環(huán)境探測和空 間天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)提供了一種有效的新手段。

圖1為全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)示意圖。 其中1激光發(fā)射部分、100雙波長激光發(fā)射裝置、101第一棱鏡、102第一電動(dòng)雙軸 傾斜臺、103 532nm激光束、104第二棱鏡、105第二電動(dòng)雙軸傾斜臺、106 589nm激光束； 2光學(xué)接收部分、210低空望遠(yuǎn)鏡、211第一光纖、212電動(dòng)雙軸平移臺、200高空望 遠(yuǎn)鏡、221第二光纖、231第三光纖； 3信號檢測部分、300計(jì)算機(jī)、310米氏散射通道、320瑞利散射通道、330鈉層熒光 通道。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分1、光學(xué)接收部分2、信號檢測部 分3組成，其中 光學(xué)接收部分2由低空望遠(yuǎn)鏡210、第一光纖211、電動(dòng)雙軸平移臺212、高空望遠(yuǎn) 鏡200、第二光纖221和第三光纖231組成。低空望遠(yuǎn)鏡210豎直放置，電動(dòng)雙軸平移臺212 平行安置在低空望遠(yuǎn)鏡210的焦平面處，第一光纖211 —端的光纖頭垂直安裝在電動(dòng)雙軸 平移臺212的中心，光纖頭的端面位于焦平面上；高空望遠(yuǎn)鏡200豎直放置，與低空望遠(yuǎn)鏡 210相距3 8米，第二光纖221 —端和第三光纖231 —端的光纖頭并排相距3 30毫米放置，兩光纖頭的端面均位于高空望遠(yuǎn)鏡200的焦平面處，兩光纖頭的光軸均與高空望遠(yuǎn) 鏡200的光軸平行； 激光發(fā)射部分1由雙波長激光發(fā)射裝置100、第一棱鏡101、第一電動(dòng)雙軸傾斜 臺102、第二棱鏡104、第二電動(dòng)雙軸傾斜臺105組成。雙波長激光發(fā)射裝置100同時(shí)輸出 532nm和589nm兩束激光，532nm激光束103對準(zhǔn)第一棱鏡101中心，第一棱鏡101安裝在 第一電動(dòng)雙軸傾斜臺102上，532nm激光束103經(jīng)第一棱鏡101反射后偏離高空望遠(yuǎn)鏡200 光軸方向1. 5 15毫弧度；589nm激光束106對準(zhǔn)第二棱鏡104中心，第二棱鏡104安裝 在第二電動(dòng)雙軸傾斜臺105上，589nm激光束106經(jīng)第二棱鏡104反射后與高空望遠(yuǎn)鏡200 光軸平行； 信號檢測部分3由計(jì)算機(jī)300、米氏散射通道310、瑞利散射通道320和鈉層熒光 通道330組成；米氏散射通道310、瑞利散射通道320和鈉層熒光通道330的輸出端分別與 計(jì)算機(jī)300連接，計(jì)算機(jī)300的輸出控制端分別連接到電動(dòng)雙軸平移臺212、第一電動(dòng)雙軸 傾斜臺102和第二電動(dòng)雙軸傾斜臺105上。 要實(shí)現(xiàn)兩束激光同時(shí)發(fā)射，兩臺望遠(yuǎn)鏡和三個(gè)通道的同時(shí)有效接收，須采用有效
的收發(fā)聯(lián)調(diào)步驟，才能保證1 110公里全高程大氣回波信號均收發(fā)匹配。 全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)收發(fā)聯(lián)調(diào)步驟為 al、采集鈉層熒光通道330回波信號，并與模式大氣廓線比較； a2、如果兩者一致，表明鈉層熒光通道330調(diào)整好，進(jìn)入步驟a4 ;如果不一致，進(jìn)入
步驟a3 ; a3、由計(jì)算機(jī)300控制第二電動(dòng)雙軸傾斜臺105，調(diào)整第二棱鏡104傾斜角度，使得
589nm回波光遠(yuǎn)場焦點(diǎn)逼近第三光纖231的輸入口，進(jìn)入步驟al ; a4、采集瑞利散射通道320回波信號，并與模式大氣廓線比較； a5、如果兩者一致，表明瑞利散射通道320調(diào)整好，進(jìn)入步驟a7 ;如果不一致，進(jìn)入
步驟a6 ; a6、由計(jì)算機(jī)300控制第一電動(dòng)雙軸傾斜臺102，調(diào)整第一棱鏡101傾斜角度，使得
532nm回波光遠(yuǎn)場焦點(diǎn)逼近第二光纖221 —端的輸入口，進(jìn)入步驟a4 ; a7、采集米氏散射通道310回波信號，并與模式大氣廓線比較； a8、如果兩者一致，表明米氏散射通道310調(diào)整好，進(jìn)入步驟a10 ;如果不一致，進(jìn)
入步驟a9 ; a9、由計(jì)算機(jī)300控制電動(dòng)雙軸平移臺212，調(diào)整第一光纖211的接收位置，使得第 一光纖211的輸入口逼近532nm激光束103遠(yuǎn)場焦點(diǎn)，進(jìn)入步驟a7 ; alO、調(diào)整完畢，由計(jì)算機(jī)同時(shí)采集和處理三個(gè)通道回波信號。 實(shí)施例2 實(shí)施例1中的低空望遠(yuǎn)鏡210或高空望遠(yuǎn)鏡200采用反射式望遠(yuǎn)鏡、折射式望遠(yuǎn) 鏡、折反式望遠(yuǎn)鏡或組合望遠(yuǎn)鏡。 實(shí)施例3 實(shí)施例1中的窄帶濾光器采用復(fù)合濾光器、雙折射濾光器或原子濾光器。 本實(shí)用新型的工作過程為 激光發(fā)射部分的雙波長發(fā)射裝 發(fā)出的589nm激光，激發(fā)80 110公里鈉層熒光，其回波光經(jīng)高空望遠(yuǎn)鏡聚焦到第三光纖入口 ，送入鈉層熒光通道，獲得80 110公里鈉 層的鈉原子數(shù)密度、波動(dòng)信息；雙波長發(fā)射裝置發(fā)出的532nm激光，激發(fā)30 80公里大氣 瑞利散射，其回波光經(jīng)高空望遠(yuǎn)鏡聚焦到第二光纖入口 ，送入瑞利散射通道，獲得30 80 公里大氣密度、溫度、波動(dòng)等信息；雙波長發(fā)射裝置發(fā)出的532nm激光，還同時(shí)激發(fā)1 30 公里大氣米氏散射，其回波光經(jīng)低空望遠(yuǎn)鏡聚焦到第一光纖入口 ，送入米氏散射通道，獲得 1 30公里大氣密度、氣溶膠、波動(dòng)等信息。 在米氏散射、瑞利散射通道和鈉層熒光中均采用了pm量級帶寬的窄帶濾光器，配 合穩(wěn)頻的532nm和589nm激光，實(shí)現(xiàn)三通道的全天時(shí)探測。 實(shí)現(xiàn)了單臺激光雷達(dá)探測1 110公里高空大氣的夜間全程覆蓋，以及單臺激光 雷達(dá)從1 60公里和80 110公里大氣的全天時(shí)探測。
權(quán)利要求全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分(1)、光學(xué)接收部分(2)、信號檢測部分(3)組成，其特征在于，光學(xué)接收部分(2)由低空望遠(yuǎn)鏡(210)、第一光纖(211)、電動(dòng)雙軸平移臺(212)、高空望遠(yuǎn)鏡(200)、第二光纖(221)和第三光纖(231)組成；低空望遠(yuǎn)鏡(210)豎直放置，電動(dòng)雙軸平移臺(212)平行安置在低空望遠(yuǎn)鏡(210)的焦平面處，第一光纖(211)一端的光纖頭垂直安裝在電動(dòng)雙軸平移臺(212)的中心，光纖頭的端面位于焦平面上；高空望遠(yuǎn)鏡(200)豎直放置，距離低空望遠(yuǎn)鏡(210)3～8米，第二光纖(221)一端和第三光纖(231)一端的光纖頭相距3～30毫米并排放置，兩光纖頭的端面均位于高空望遠(yuǎn)鏡(200)的焦平面處，兩光纖頭的光軸均與高空望遠(yuǎn)鏡(200)的光軸平行；激光發(fā)射部分(1)由雙波長激光發(fā)射裝置(100)、第一棱鏡(101)、第一電動(dòng)雙軸傾斜臺(102)、第二棱鏡(104)、第二電動(dòng)雙軸傾斜臺(105)組成；雙波長激光發(fā)射裝置(100)同時(shí)輸出532nm和589nm兩束激光，532nm激光束(103)對準(zhǔn)第一棱鏡(101)中心，第一棱鏡(101)安裝在第一電動(dòng)雙軸傾斜臺(102)上，532nm激光束(103)經(jīng)第一棱鏡(101)反射后與高空望遠(yuǎn)鏡(200)光軸平行；589nm激光束(106)對準(zhǔn)第二棱鏡(104)中心，第二棱鏡(104)安裝在第二電動(dòng)雙軸傾斜臺(105)上，589nm激光束(106)經(jīng)第二棱鏡(104)反射后偏離高空望遠(yuǎn)鏡(200)光軸方向1.5～15毫弧度；信號檢測部分(3)由計(jì)算機(jī)(300)、米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和鈉層熒光通道(330)組成；米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和鈉層熒光通道(330)的輸出端分別與計(jì)算機(jī)(300)連接，計(jì)算機(jī)(300)的輸出控制端分別連接到電動(dòng)雙軸平移臺(212)、第一電動(dòng)雙軸傾斜臺(102)和第二電動(dòng)雙軸傾斜臺(105)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述信號檢 測部分(3)中米氏散射通道(310)、瑞利散射通道(320)和鈉層熒光通道(330)中的窄帶濾 光器采用復(fù)合濾光器或者雙折射濾光器或原子濾光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述光學(xué)接 收部分(2)中的低空望遠(yuǎn)鏡(210)或高空望遠(yuǎn)鏡(200)采用反射式望遠(yuǎn)鏡、折射式望遠(yuǎn)鏡、 折反式望遠(yuǎn)鏡或組合望遠(yuǎn)鏡。
專利摘要本實(shí)用新型公開了全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)，涉及從近地面到110公里高空大氣多參數(shù)同時(shí)探測的激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分(1)、光學(xué)接收部分(2)、信號檢測部分(3)三部分組成。通過雙波長發(fā)射、三通道同時(shí)接收、窄帶濾光、以及收發(fā)聯(lián)調(diào)等有機(jī)融合，形成全天時(shí)全高程大氣探測激光雷達(dá)。其優(yōu)點(diǎn)是在夜間，能實(shí)現(xiàn)對約1～110km高度范圍的大氣參量同時(shí)探測；在白天，能實(shí)現(xiàn)對約1～60km和80～110km兩段高度范圍的大氣參量同時(shí)探測。本實(shí)用新型具有技術(shù)方案科學(xué)、系統(tǒng)集成度高、自動(dòng)化程度好、工作可靠和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，為中高層大氣研究和中高層大氣環(huán)境監(jiān)測提供一種高性能探測手段。
文檔編號G01S17/95GK201464659SQ20092008396
公開日2010年5月12日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者李勇杰, 李發(fā)泉, 楊勇, 楊國韜, 王嘉珉, 王繼紅, 程學(xué)武, 竇賢康, 薛向輝, 賈漢春, 龔順生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所