[发明专利]基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种云中水拉曼散射全光谱测量系统，更具体的说，涉及一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统及其测量方法。

背景技术

激光雷达和光谱技术在大气科学领域有着越来越广泛的应用。目前为止，云的宏观观测技术已经比较成熟，有人工观测、云高仪、全天空成像仪、天气雷达、卫星遥感等多种手段。但是，对于云微物理特性的观测方法还比较少，就对其进行连续观测而言，目前毫米波雷达是被公认的一种有效的探测设备。但是，与毫米波雷达相比，激光雷达在空间分辨率、作用方式方面更具有优势，并且激光雷达各项技术比较成熟，系统简单，运行维护成本低廉，在应用推广上具有一定的优势。

已研制出的用于云中不同相态水观测的激光雷达，包括偏振激光雷达、水汽差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等。其中，偏振激光雷达仅仅是定性的描述云中水的相态，要准确的获取云中的不同相态水含量需要用到水的拉曼散射光谱知识。此外，与水汽差分吸收激光雷达相比，拉曼激光雷达在系统复杂性、造价等方面均具有优势。

目前国内已有的拉曼激光雷达主要测量大气里面的水汽含量，而在云体内部，水的存在相态以固态水和液态水为主。到目前为止，尚未有以云中固、液态水为探测对象的激光雷达系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种以云中固态水和液态水为探测对象的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统。

同时，本发明还提供一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，包括激光发射装置、激光接收装置、光谱分辨装置、光电探测装置和数据采集装置，

所述激光发射装置设置于被测云的下方，包括激光器、扩束器和反射镜，所述激光器、所述扩束器和所述反射镜的中心设置在同一条直线上，所述激光器发射出的激光脉冲进入到所述扩束器的入口，所述扩束器将激光脉冲发射到所述反射镜，所述反射镜将所述激光脉冲垂直发射至空中，并打在被测云体上；

所述激光接收装置为望远镜，收集被测云体反射的回波信号，并将回波信号发送至所述光谱分辨装置；

所述光谱分辨装置包括光纤、非球面镜、宽带滤光片、光栅光谱仪和旋转平台，所述光纤的出口、所述非球面镜、所述宽带滤光片和所述光栅光谱仪的中心设置在同一直线上，所述光纤的入口接收所述望远镜输出的回波信号，所述回波信号依次通过所述光纤、所述非球面镜、所述宽带滤光片和所述光栅光谱仪后，传递到所述光电探测装置；

所述光电探测装置包括光电倍增管，其输入端与所述光栅光谱仪通过信号连通，当所述光栅光谱仪处于打开状态时，接收所述光栅光谱仪发送的光谱信号并将信号转发至所述数据采集装置；

所述数据采集装置包括光子计数卡和计算机，所述光子计数卡的输入端与所述光电倍增管的输出端信号连接，接收所述光电倍增管的信号进行采样和计数，并将数据传送到所述计算机。

本发明技术方案的进一步限定为，所述系统还包括双脉冲触发装置，所述双脉冲触发装置包括感应触发模块、单片机和门控装置，所述感应触发模块设置于所述激光器的激光发射范围内，与所述单片机连接，传送电信号到所述单片机；所述单片机的输出端与所述光子计数卡连接，传递双脉冲触发信号到所述光子计数卡，控制所述光子计数卡的打开与闭合；所述单片机通过所述门控装置与所述光电倍增管连接，传递门控信号到所述光电倍增管，控制所述光电倍增管的打开与闭合。单片机15为AM89系列的单片机，优选型号为AT89S52或AT89LS52。

进一步地，所述光谱分辨装置还包括旋转平台，所述光栅光谱仪固定设置于所述旋转平台上。

进一步地，所述光栅光谱仪采用平面反射光栅，所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）确定：

d=1N---(1)]]>