[发明专利]实时定标高光谱分辨率激光雷达装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光测量大气风场的装置，更具体地说是一种测量大气风场的实时 定标高光谱分辨率激光雷达装置。

背景技术

大气风场是气象观测中的重要参数，在天气、气候、海洋、环境以及交通、航空、 航天等领域都有重要的应用价值。高光谱分辨率激光雷达可以获取高精度高时空分辨率 的大气风场数据，为数值天气预报提供初始数据，提高中小尺度灾害性天气的观测和预 报能力；为风力发电厂提供风场监测，提高发电机功率；亦可快速、准确探测飞行全程 中湍流、风切变等严重影响飞机安全的大气结构，为飞行导航提供安全保障。

当前用于大气风场测量的测风激光雷达，主要分为相干测风激光雷达和非相干测风 激光雷达。相干测风激光雷达只能作用于气溶胶含量较高的低空区域。非相干探测技术 (又称为高光谱分辨率技术、直接探测技术)通过高分辨率的光谱分析器件来直接探测 频率变化引起的探测信号强度变化，进而求取风速，可以测量大气分子和气溶胶散射信 号，探测高度0.5km～20km的大气风场。基于碘分子滤波器的高光谱分辨率激光雷达， 是非相干技术的典型代表。它利用碘分子滤波器的某一吸收谱线(如532nm激光选用 1109吸收线)作为鉴别多普勒频移的滤波器，将发射激光频率锁定于吸收线的边缘中心 处，大气后向散射的回波信号通过碘池，则多普勒频移将体现到后向散射光通过碘分子 滤波器时的透过率(即碘分子光谱吸收线与散射光谱的卷积)的变化上，利用光电探测 器件测得散射光信号透过碘池的能量，进而反演透过率，获取频移量得到大气风速。

但由于高光谱分辨率激光雷达探测的大气弹性散射信号中包含光谱特性截然不同 的气溶胶散射(Mie散射，带宽窄)和大气分子散射(Rayleigh散射，带宽宽)，两种散 射信号通过鉴频滤波器的透过率各不相同，因此，为了准确测风，探测时必须知道当时 大气中气溶胶和分子的相对浓度，用以实时标定测量灵敏度(即1m/s单位风速引起的探 测器响应变化)。高光谱分辨率激光雷达可以探测气溶胶相对浓度，但是这种探测必须在 风速测量以外的时间独立进行。这不仅需要分配额外的测量时间(也就是发射功率)，更 重要的是，气溶胶的时空变化剧烈，非同步的气溶胶测量不能准确反映测风当时的大气 状态(以上现象在海面风场、边界层风场探测等小尺度天气过程中更加明显)。

此外，为准确测量大气分子散射信号的多普勒频移，高光谱分辨率激光雷达还需要 获得当时大气的温度信息，以校正大气分子散射光谱的谱线宽度。已有测风激光雷达系 统中，大气温度信息来自其他独立的观测资料(如探空气球等)，或者来自于大气模型(某 区域大气统计数据)。因此采用的温度信息都不是在测风同时获得的，难免会引入误差。

虽然高光谱分辨率激光雷达技术已经进入业务化实验阶段，但仍无法实时获得准确 的气溶胶相对浓度和大气温度状态信息，即无法实时定标测量灵敏度而进入真正实用化。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时定标高光谱分辨率激光雷达装置，以弥补已有技术的 不足。

本发明是在已有的高光谱分辨率激光雷达基础上，由于其测量通道和参考通道只包 含了气溶胶散射和大气分子散射的总和信息，故仅能检测出因多普勒频移而产生的能量 总差。考虑到实时获取气溶胶相对浓度和大气温度信息以准确测风并获取更多大气参数 的重要性，在已有的高光谱分辨率激光雷达接收系统中增加两个转动拉曼的接收通道， 以提取高光谱分辨率激光雷达探测信号中被忽略的光谱成分——非弹性散射光谱，即大 气分子转动拉曼谱，它包含大气分子散射的信息，可提取气溶胶的相对浓度。利用分光 镜从已有探测光谱中分离出非弹性散射光谱，再利用一片分光镜将分离出的光谱分成两 个接收通道——转动拉曼通道一和转动拉曼通道二，通道一中选用相应的窄带光学滤波 器提取随温度升高而增强的转动拉曼谱，通道二中选用相应的窄带光学滤波器提取随温 度升高而减弱的转动拉曼谱，两个通道分别用一个光电探测器接收。两通道的结合使用 既可降低温度对测量的影响，获得准确的实时气溶胶相对浓度，又能反演实时的大气温 度信息。如此，就能实时定标测量灵敏度，准确测量大气风场，解决高光谱分辨率激光 雷达实用化的技术难点。