專利名稱：全天時全高程大氣探測激光雷達的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光雷達，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和連續24小時不間斷大氣探測的全天時激光 雷達。
背景技術：
從近地面到110公里高空大氣層段，是日-地關系鏈中的重要環節，是 空間物理和大氣科學的重要研究領域。激光雷達具有時空分辨率高、探測 靈敏度高、可分辨探測物種和不存在大氣探測盲區等優點，特別適用于對 這一層段大氣多參量的探測。
大氣探測激光雷達通常以30公里為界，分為低空探測激光雷達和高空 探測激光雷達。高空探測激光雷達主要有瑞利散射激光雷達和共振熒光激 光雷達兩種，瑞利散射激光雷達的探測高度一般為30~80公里，而共振熒 光激光雷達的探測高度為80~110公里。30公里以下低空探測激光雷達則 主要有米氏散射激光雷達、拉曼散射激光雷達、差分吸收激光雷達等，其 中米氏散射激光雷達可以實現約1 30公里的大氣連通性探測。
德國IAP激光雷達組將共振熒光、瑞利散射、拉曼散射三臺激光雷達 聯合起來共同實現1 105公里夜間溫度探測和80-105公里全天時探測 (Temperature lidar measurements from 1 to 105 km altitude using resonance,
4Rayleigh, and Rotational Raman scattering ， Atmos.' Chem. Phys. 2004, 4:793 800)。這種由多臺激光器、多臺望遠鏡和諸多檢測設備組成的系統， 造價昂貴，調整復雜，維護困難。 一方面，多臺激光器很難實現同步發射， 這會造成多臺激光雷達回波信號在時間上不同步；另一方面，多個激光束 會在空間上產生一定偏離，造成多臺激光雷達回波信號在空間上不一致。
發明內容
本發明的目的是提供一種全天時全高程大氣探測激光雷達，該激光 雷達通過雙波長發射、三通道同時接收、窄帶濾光、以及收發聯調等有機
融合，不但實現了單臺激光雷達對i~iio公里高空大氣的夜間全程探測，
還實現了對1 60公里和80-110公里大氣的全天時探測，進一步拓展了激 光雷達的探測能力，為大氣探測提供了一種更為有效的設備。 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案
全天時全高程大氣探測激光雷達由激光發射部分、光學接收部分、信
號檢測部分組成，其中
激光發射部分中的雙波長發射裝置可同時產生穩頻的532nm和589nm 兩束激光。532nm激光經第一棱鏡發射，用于激發30公里以下的米氏散射 和30 80公里的瑞利散射；589nm激光經第二棱鏡發射，用于激發80 110 公里鈉層的共振熒光。兩個棱鏡分別安裝在兩個電動雙軸傾斜臺上，由計 算機控制電動雙軸傾斜臺，對棱鏡進行調節，使得兩束激光按要求的方向 進行發射。
其中雙波長發射裝置為一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達 (專利號ZL 200710051538.5)中的第二發射裝置，該裝置中的Nd:YAG激光器采用種子注入技術獲得穩頻的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G， 37(2):196-201)，使之與高空鈉層產 生有效共振。
光學接收部分采用兩臺接收望遠鏡， 一臺高空望遠鏡的焦平面上平行 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。高空望遠鏡采用較大口徑接收望遠鏡且離兩發射棱鏡3 8米，是 為了獲得更高的探測能力的同時，有效避免低空強散射回波光的干擾，實 現30 110公里探測；低空望遠鏡采用較小口徑接收望遠鏡且離發射棱鏡 0.1~1米，是為了避免低空強散射回波光飽和的同時，使得收發匹配的起始 高度盡可能低，實現1 30公里探測。
信號檢測部分同時獲取米氏散射通道、瑞利散射通道(專利號ZL 200710051538.5)和鈉層熒光通道(專利號ZL 200710051538.5)回波信號， 并由計算機采集和存儲。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 數量級，且具有帶外抑制更強的特點，可有效濾除白天天空背景光噪聲， 配合穩頻的532nm和589nm激光，實現三通道的全天時探測。
其中米氏散射通道由光纖準直器、窄帶濾光器、聚焦鏡、光電探側 器組成，光纖準直器、窄帶濾光器、聚焦鏡、光電探測器依次排列，光纖 出口的回波光經光纖準直器準直成平行光，再經窄帶濾光器后經聚焦鏡聚 焦到光電探測器，將回波光轉變成電信號。要實現兩束激光同時發射，兩臺望遠鏡和三個通道的同時有效接收，
須采用有效的收發聯調步驟，才能保證i iio公里全高程大氣回波信號均
收發匹配。高空收發匹配方法為，高空望遠鏡豎直放置且固定不動，以保 證其探測的是天頂方向大氣回波信號，調整兩發射激光束方向使之與其接 收視場匹配；低空收發匹配方法為，低空望遠鏡豎直放置，發射激光束方
向固定不動，調整低空望遠鏡焦面處光纖一端輸入口位置使其接收視場與
532nm發射激光束方向匹配。具體步驟為，高空鈉層熒光通道和瑞利散射 通道收發匹配由計算機控制兩電動雙軸傾斜臺，帶動發射棱鏡實現發射激 光束空間二維掃描，使得接收回波光聚焦于高空望遠鏡焦平面上兩接收光 纖輸入端，分別實現30 80公里和80 110公里收發匹配；低空米氏散射通 道的收發匹配由計算機控制電動雙軸平移臺，帶動電動雙軸平移臺上光纖 水平二維移動，將接收光纖頭的輸入端對準低空望遠鏡接收回波光焦點， 實現1 30公里收發匹配。至此，雙波長同時發射、雙望遠鏡同時接收的米 氏散射、瑞利散射、鈉層熒光三個通道激光雷達接收系統整機收發聯調完 成，確保高、低空望遠鏡在其有效探測范圍內收發匹配。 本發明的優點和效果
全天時全高程大氣探測激光雷達不但實現了單臺激光雷達探測1~110 公里高空大氣的夜間全程探測，還實現了單臺激光雷達從1 60公里和 80 110公里大氣全天時探測，具有技術方案先進、系統集成度高、工作可 靠、操作簡單、使用維護方便等優點，尤其是保證了發射激光束在時間上 同步，空間上一致，提升了單臺激光雷達探測能力和應用范圍，從而可為 中高層大氣觀測研究提供一種高性能探測設備，也為臨近空間大氣環境探測和空間天氣監測預報提供了一種有效的新手段。
圖1為全天時全高程大氣探測激光雷達示意圖。
其中l激光發射部分、100雙波長激光發射裝置、101第一棱鏡、102 第一電動雙軸傾斜臺、103 532nm激光束、104第二棱鏡、105第二電動雙 軸傾斜臺、106 589nm激光束；
2光學接收部分、210低空望遠鏡、211第一光纖、212電動雙軸平移 臺、200高空望遠鏡、221第二光纖、231第三光纖；
3信號檢測部分、300計算機、310米氏散射通道、320瑞利散射通道、 330鈉層熒光通道。
具體實施例方式
實施例1
全天時全高程大氣探測激光雷達由激光發射部分1、光學接收部分2、 信號檢測部分3組成，其中
光學接收部分2由低空望遠鏡210、第一光纖211、電動雙軸平移臺212、 高空望遠鏡200、第二光纖221和第三光纖231組成。低空望遠鏡210豎 直放置，電動雙軸平移臺212平行安置在低空望遠鏡210的焦平面處，第 一光纖211 —端的光纖頭垂直安裝在電動雙軸平移臺212的中心，光纖頭 的端面位于焦平面上；高空望遠鏡200豎直放置，與低空望遠鏡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鏡200的焦平面處，兩光纖頭的 光軸均與高空望遠鏡200的光軸平行；激光發射部分1由雙波長激光發射裝置100、第一棱鏡101、第一電動
雙軸傾斜臺102、第二棱鏡104、第二電動雙軸傾斜臺105組成。雙波長激 光發射裝置100同時輸出532nm和589nm兩束激光，532nm激光束103對 準第一棱鏡101中心，第一棱鏡101安裝在第一電動雙軸傾斜臺102上， 532nm激光束103經第一棱鏡101反射后偏離高空望遠鏡200光軸方向 1.5 15毫弧度；589nm激光束106對準第二棱鏡104中心，第二棱鏡104 安裝在第二電動雙軸傾斜臺105上，589nm激光束106經第二棱鏡104反 射后與高空望遠鏡200光軸平行；
信號檢測部分3由計算機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的輸出端分別與計算機300連接，計算機300的輸出控制端 分別連接到電動雙軸平移臺212、第一電動雙軸傾斜臺102和第二電動雙 軸傾斜臺105上。
要實現兩束激光同時發射，兩臺望遠鏡和三個通道的同時有效接收， 須采用有效的收發聯調步驟，才能保證1 110公里全高程大氣回波信號均 收發匹配。
全天時全高程大氣探測激光雷達收發聯調步驟為
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調整好，進入步驟a4;如
果不一致，進入步驟a3;
a3、由計算機300控制第二電動雙軸傾斜臺105，調整第二棱鏡104
傾斜角度，使得589nm回波光遠場焦點逼近第三光纖231的輸入口，進入步驟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調整好，進入步驟a7;如
果不一致，進入步驟a6;
a6、由計算機300控制第一電動雙軸傾斜臺102，調整第一棱鏡101
傾斜角度，使得532nm回波光遠場焦點逼近第二光纖221 —端的輸入口，
進入步驟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調整好，進入步驟al0;如
果不一致，進入步驟a9;
a9、由計算機300控制電動雙軸平移臺212，調整第一光纖211的接收
位置，使得第一光纖211的輸入口逼近532nm激光束103遠場焦點，進入
步驟a7;
a10、調整完畢，由計算機同時采集和處理三個通道回波信號。 實施例2
實施例1中的低空望遠鏡210或高空望遠鏡200采用反射式望遠鏡、 折射式望遠鏡、折反式望遠鏡或組合望遠鏡。 實施例3
實施例1中的窄帶濾光器采用復合濾光器、雙折射濾光器或原子濾光器。
本發明的工作過程為
激光發射部分的雙波長發射裝置發出的589nm激光，激發80~110公里鈉層熒光，其回波光經高空望遠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密度、波動信息；雙波長發射裝置 發出的532nm激光，激發30 80公里大氣瑞利散射，其回波光經高空望遠 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、波動等信息；雙波長發射裝置發出的532nm激光，還同時激發1 30 公里大氣米氏散射，其回波光經低空望遠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，配合穩頻的532nm和589nm激光，實現三通道的全天時探測。
實現了單臺激光雷達探測1 110公里高空大氣的夜間全程覆蓋，以及 單臺激光雷達從1~60公里和80 110公里大氣的全天時探測。
權利要求
1、全天時全高程大氣探測激光雷達由激光發射部分(1)、光學接收部分(2)、信號檢測部分(3)組成，其特征在于，光學接收部分(2)由低空望遠鏡(210)、第一光纖(211)、電動雙軸平移臺(212)、高空望遠鏡(200)、第二光纖(221)和第三光纖(231)組成；低空望遠鏡(210)豎直放置，電動雙軸平移臺(212)平行安置在低空望遠鏡(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；高空望遠鏡(200)豎直放置，距離低空望遠鏡(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鏡(200)的焦平面處，兩光纖頭的光軸均與高空望遠鏡(200)的光軸平行；激光發射部分(1)由雙波長激光發射裝置(100)、第一棱鏡(101)、第一電動雙軸傾斜臺(102)、第二棱鏡(104)、第二電動雙軸傾斜臺(105)組成；雙波長激光發射裝置(100)同時輸出532nm和589nm兩束激光，532nm激光束(103)對準第一棱鏡(101)中心，第一棱鏡(101)安裝在第一電動雙軸傾斜臺(102)上，532nm激光束(103)經第一棱鏡(101)反射后與高空望遠鏡(200)光軸平行；589nm激光束(106)對準第二棱鏡(104)中心，第二棱鏡(104)安裝在第二電動雙軸傾斜臺(105)上，589nm激光束(106)經第二棱鏡(104)反射后偏離高空望遠鏡(200)光軸方向1.5～15毫弧度；信號檢測部分(3)由計算機(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)的輸出端分別與計算機(300)連接，計算機(300)的輸出控制端分別連接到電動雙軸平移臺(212)、第一電動雙軸傾斜臺(102)和第二電動雙軸傾斜臺(105)上。
2、 根據權利要求1所述的全天時全高程大氣探測激光雷達，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合濾光器或者雙折射濾光器或原子濾光器o
3、 根據權利要求1所述的全天時全高程大氣探測激光雷達，其特征在 于，所述光學接收部分(2)中的低空望遠鏡210或高空望遠鏡200采用反射 式望遠鏡、折射式望遠鏡、折反式望遠鏡或組合望遠鏡。
全文摘要
本發明公開了全天時全高程大氣探測激光雷達，涉及從近地面到110公里高空大氣多參數同時探測的激光雷達。該激光雷達由激光發射部分(1)、光學接收部分(2)、信號檢測部分(3)三部分組成。通過雙波長發射、三通道同時接收、窄帶濾光、以及收發聯調等有機融合，形成全天時全高程大氣探測激光雷達。其優點是在夜間，能實現對約1～110km高度范圍的大氣參量同時探測；在白天，能實現對約1～60km和80～110km兩段高度范圍的大氣參量同時探測。本發明具有技術方案科學、系統集成度高、自動化程度好、工作可靠和使用方便等優點，為中高層大氣研究和中高層大氣環境監測提供一種高性能探測手段。
文檔編號G01S13/95GK101520512SQ20091006097
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者李勇杰, 李發泉, 勇 楊, 楊國韜, 王嘉珉, 王繼紅, 程學武, 竇賢康, 薛向輝, 賈漢春, 龔順生 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所