[发明专利]测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统

权利要求书

1.一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测系统，该探测系统包括：

1）主控系统，用于设置系统工作方式，包括激光收发系统探测方式，激光器工作方式，并将命令发至下位机；主控系统包含数据分析模块，将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量；

2）激光发射系统，根据主控系统的设置，调整激光器的工作方式及激光能量；

3）激光接收系统，作用在于收集不同距离处的大气回波强度信号、云中水的拉曼散射信号，并通过后继光路送往探测通道；

4）光电探测系统，接收各个探测通道的光信号，并转换成电信号送往数据采集分析系统；

5）数据采集系统，采用光子计数卡及高速AD采集卡采集光电探测系统探测的信号，发送给数据分析系统。

2.根据权利要求书1所述的激光雷达探测系统，其中，所述接收系统采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片后继光路。

3.根据权利要求1所述的激光雷达探测系统，其中，所述光电探测系统分为四个探测通道，分别接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射；液态水的拉曼散射；固态水的拉曼散射和氮气分子的拉曼散射。

4.根据权利要求1所述的激光雷达探测系统，其中，所述四个探测通道中每一个探测通道包含有一片透镜，一片滤光片和一个光电倍增管。

5.一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤：

1）利用主控程序选择激光器的工作方式、接收系统的采集方式及反演水固、液态含量的初值设定，并向激光发射系统和激光接收系统发送指令；

2）利用激光发射系统控制激光器以20Hz的重复频率发射波长为355nm的脉冲激光；

3）利用激光接收系统中收发同轴的望远镜接收不同距离处的回波；

4）利用分光镜及滤光片将回波信号分别送入4个探测通道：通道1接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射称为弹性散射通道；通道2接收液态水的拉曼散射称为液态水探测通道；通道3接收固态水的拉曼散射称为固态水探测通道；通道4接收氮气分子的拉曼散射；

5）各个通道接收的回波信号通过光电探测系统，将光信号转化为电信号，并送给数据采集系统；

6）数据采集系统利用数据采集卡采集通道1的弹性散射信号，利用两张光子计数卡对另三个拉曼通道的信号进行计数；

7）主控系统对采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，结合拉曼激光雷达系统的标定结果，实时计算并显示云中固、液态水的含量，并将结果进行实时保存处理。

6.根据权利要求5所述激光雷达探测方法，其中，根据通道3、通道2输出的比值R，推算固、液态水的比值，对两个通道输出进行光谱重叠纠正，结果直接代入单一相态固、液态水反演算法进行反演，即可确定云中固、液态水含量。

7.根据权利要求6所述激光雷达探测方法，其中，所述反演算法如下：固态水拉曼散射的激光雷达方程写为：

   （1）

其中R为探测高度，P_ice为拉曼测云系统接收到的固态水的拉曼散射光功率，P₀是激光的发射功率，C_ice拉曼激光雷达的系统常数，σ_ice为固态水的微分散射截面，IWC为固态水含水量，α(υ₀，r)、α(υ_ice，r)为大气分子和气溶胶对发射激光和拉曼散射光的消光系数；

对于氮气拉曼通道，其接收到的拉曼散射光功率为：

    （2）

式（2）中各参数与式（1）中各参数分别对应，其中，N_N2是氮气的密度；将式（1）和式（2）经整理、变形，得到固态水含量密度的表达式：

（3）

式中，P_ice(R)/P_N2(R)从雷达测量中获取，C_N2N_N2(R)σ_N2(υ₀,υ_N2,T)/C_iceσ_ice(υ₀,υ_ice,T)缩写为K，其中K为系统参数，β(R)为分子的后向散射系数，则式（3）变为：

       （4）

由式（4），要得到云中固态水的含量，其中获得拉曼测云激光雷达的系统参数K的过程即为激光雷达系统的标定。