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    重庆时时彩千岛: 大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法.pdf

    关 键 词:
    大气 气溶胶 颗粒 物探 激光雷达 反演 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610968340.2

    申请日:

    2016.10.26

    公开号:

    CN106569227A

    公开日:

    2017.04.19

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 17/95申请日:20161026|||公开
    IPC分类号: G01S17/95; G01N15/06 主分类号: G01S17/95
    申请人: 中国科学院武汉物理与数学研究所
    发明人: 林鑫; 李发泉; 李亚娟; 程学武; 杨勇; 刘林美; 陈振威; 宋沙磊; 夏媛; 武魁军; 龚顺生
    地址: 430071 湖北省武汉市武昌小洪山西30号
    优先权:
    专利代理机构: 武汉荆楚联合知识产权代理有限公司 42215 代理人: 王健
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610968340.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2019.02.05|||2017.05.17|||2017.04.19

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法,该激光雷达由发射激光单元(1)、接收望远镜(2)、接收光纤(3)、信号检测单元(4)和信号处理单元(5)组成;采用高分辨光谱检测方法,测得激光激发大气分子产生的拉曼散射光谱信号,以及激发大气气溶胶颗粒物和大气分子上产生的米?瑞利散射光谱信号,利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点,从米?瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱,获得只有大气气溶胶颗粒物的信号,反演获得大气气溶胶颗粒物信息。由于本发明增加了拉曼散射通道对低空回波信号的校正,消除低空米散射中瑞利散射造成的影响,具有提高大气气溶胶颗粒物探测精度的优点。

    权利要求书

    1.大气气溶胶颗粒物探测激光雷达,其特征在于,该激光雷达由发射激光单元(1)、接
    收望远镜(2)、接收光纤(3)、信号检测单元(4)和信号处理单元(5)组成;
    其中,信号检测单元(4)的构成是:在接收光纤(3)的输出光路中依次同轴安装准直镜
    (41)、第一滤光片(43)、第一聚焦镜(44)和第一光电探测器(45);分光镜(42)安装在准直镜
    (41)和第一滤光片(43)之间的光路中,且与光轴呈45度角,在分光镜(42)的反射光路中依
    次同轴安装第二滤光片(46)、第二聚焦镜(47)和第二光电探测器(48);第一光电探测器
    (45)和第二光电探测器(48)分别输出米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman;
    接收望远镜(2)的接收光轴与发射激光单元(1)发出的激光束平行,接收光纤(3)的一
    端安装于接收望远镜(2)的焦点处,另一端连接到信号检测单元(4)的输入端,信号检测单
    元(4)输出的米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman分别连接到信号处理单元(5)的输入
    端,发射激光单元(1)输出的触发信号连接到信号处理单元(5)的触发信号输入端;
    米散射强度IMie按下式计算:
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    其中,IMie+Rayleigh为米-瑞利散射谱强度、IRaman为拉曼光谱谱线强度、σRayleigh为大气分子
    常数瑞利散射截面、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面;由米散射强度IMie可得到大气中气
    溶胶颗粒物的浓度。
    2.根据权利要求1所述的大气气溶胶颗粒物探测激光雷达,其特征在于,所述分光镜
    (42)为短波通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利散射光谱透射。
    3.根据权利要求1所述的大气气溶胶颗粒物探测激光雷达,其特征在于,所述的第一滤
    光片(43)为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元(1)发出的激光波长,透射带宽为
    20cm-1;
    第二滤光片(46)为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射带宽为
    5cm-1。

    说明书

    大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法

    技术领域

    本发明涉及大气探测激光雷达,尤其涉及大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。

    背景技术

    大气的污染成分主要由气溶胶颗粒物(如:烟雾、尘埃等)和有害气体分子构成。其
    中,气溶胶颗粒物通常采用大气米散射机制的激光雷达测得,由米散射信号强度可得到大
    气中气溶胶颗粒物的浓度,如文献1(Mie LIDAR Observations of Tropospheric Aerosol
    over Wuhan.Atmosphere 2015,6,1129-1140)。

    采用米散射激光雷达测量大气气溶胶颗粒物时,在回波光中,除了包含大气气溶
    胶颗粒物的米散射回波信号,还包含有其它大气分子(如N2、O2等)的瑞利散射和拉曼散射光
    信号,给颗粒物的定量检测带来了误差,尤其是随着高度的增加,大气气溶胶颗粒物逐渐减
    少,大气分子的所占的比例逐渐增加(当然存在特殊的天气情况,如遇到高层薄云、火山、大
    区域沙尘暴天气时,高空大气气溶胶也有可能含量较高),瑞利散射和拉曼散射光信号的所
    占比重更大,对颗粒物的检测带来的误差也就更大。

    为获得大气气溶胶颗粒物的含量,需要探测得到大气气溶胶和大气分子两种成分
    各自所占的比例。文献2(Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric
    temperature,water vapor,particle extinction coefficient,and particle
    backscatter coefficient,APPLIED OPTICS,Vol.41,No.36,7657-7666,2002)采用探测
    米-瑞利弹性散射通道信号和大气分子的两个转动拉曼通道信号的方法,通过两个转动拉
    曼通道信号得到大气分子的密度,推算出米-瑞利弹性散射通道信号中大气分子所占的比
    例,进而得到米散射的大气气溶胶颗粒物的含量。

    文献3(纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法,地球物理学
    报,Vol.55,No.11:3527-3533,2012),采取与文献2类似的原理方法,不同之处在于,其所选
    的两个转动拉曼通道为氮气分子J=4和J=14的两个单支谱线。

    上述文献2和文献3有效的获得了大气气溶胶和大气分子两种成分各自所占的比
    例,提高了对大气气溶胶颗粒物含量的探测精度,但同时也增加了系统结构和反算法的复
    杂度。

    发明内容

    本发明的目的是:提供一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。该雷达采用高分辨
    光谱检测方法,测得激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱信号,以及激光在大气气溶胶
    颗粒物和大气分子上产生的米-瑞利散射光谱信号,利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在
    回波强度上成正比的特点,选取探测拉曼散射光谱中对温度不敏感的一段光谱信号代表大
    气分子散射强度,再从米-瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱,
    获得只有大气气溶胶颗粒物信号。本发明通过增加一个拉曼散射通道对回波信号进行校
    正,消除米散射中瑞利散射对探测大气气溶胶颗粒物造成的影响,具有结构简单、探测探测
    精度高的优点。

    为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

    1、系统组成与结构

    大气气溶胶颗粒物探测激光雷达由发射激光单元、接收望远镜、接收光纤、信号检
    测单元和信号处理单元组成;

    其中,信号检测单元的构成是:在接收光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜、第
    一滤光片、第一聚焦镜和第一光电探测器;分光镜安装在准直镜和第一滤光片之间的光路
    中,且与光轴呈45度角,在分光镜的反射光路中依次同轴安装第二滤光片、第二聚焦镜和第
    二光电探测器;第一光电探测器和第二光电探测器分别输出米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼
    信号IRaman。

    接收望远镜的接收光轴与发射激光单元发出的激光束平行,接收光纤的一端安装
    于接收望远镜的焦点处,另一端连接到信号检测单元的输入端,信号检测单元输出的米-瑞
    利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman分别连接到信号处理单元的输入端,发射激光单元输出
    的触发信号连接到信号处理单元的触发信号输入端。

    米散射强度IMie按下式计算:


    其中,IMie+Rayleigh为米-瑞利散射谱强度、IRaman为拉曼光谱谱线强度、σRayleigh为大
    气分子常数瑞利散射截面、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面;由米散射强度IMie可得到大
    气中气溶胶颗粒物的浓度。

    上述分光镜为短波通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利散
    射光谱透射。

    上述的第一滤光片为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元发出的激光波
    长,透射带宽为20cm-1。

    上述第二滤光片为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射带宽
    为5cm-1。

    2、工作原理

    在激光激发大气的回波光谱中,包含米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱,其中,
    米散射谱的线宽与激光光谱线宽相当,米散射谱的回波强度IMie与大气气溶胶颗粒物的密
    度成正比;瑞利散射谱的线宽远大于激光光谱线宽,瑞利散射谱的回波强度IRayleigh与大气
    分子密度N成正比;米散射谱和瑞利散射谱是叠加在一起的,接收到的米-瑞利散射谱混合
    在一起的强度为IMie+Rayleigh,两者的比例随着大气中大气气溶胶颗粒物和大气分子的比例
    变化而变化,大致上随着高度的增加米散射谱的占比逐渐减少(当然,米散射谱和瑞利散射
    谱的占比随着污染程度具有不确定的变化性)。但目前没有有效的光谱分离手段将米散射
    光谱的回波强度IMie和瑞利散射光谱的回波强度IRayleigh准确的分离开。

    在瑞利散射谱的两边产生拉曼散射谱,拉曼散射谱是激光激发大气中氮气和氧气
    等分子上产生的,比激光波长长的一侧是Stokes拉曼散射谱,比激光波长短的一侧是Anti-
    Stokes拉曼散射谱,因分子有很多转动能级,拉曼散射谱也就对应有很多条谱线,各拉曼散
    射谱峰值连线构成的包络线随着大气温度的变化而变化,但在偏离激光波长90.5cm-1位置
    的拉曼光谱谱线强度几乎不随温度而变化,该拉曼光谱谱线的强度只与大气分子的密度N
    成正比。根据上述分析,偏离激光波长90.5cm-1位置的拉曼光谱谱线的强度IRaman与瑞利散
    射谱的强度IRayleigh均与大气分子密度N成正比,即:

    IRaman=σRamanNLt

    IRayleigh=σRayleighNLt

    其中σRaman和σRayleigh分别是大气分子的已知常数拉曼散射截面和瑞利散射截面,L
    为空间分辨率,t为时间分辨率,由此得到:


    从公式可以看出,只要测得IRaman,就可得到IRayleigh。

    根据上述分析,可以得到:


    由上式可以看出:根据上述探测到米-瑞利散射谱强度IMie+Rayleigh和拉曼光谱谱线
    强度IRaman,即可获得米散射谱强度IMie,IMie即是表征大气气溶胶颗粒物的米散射信号。

    本发明的优点是:通过增加拉曼散射通道获得大气纯分子的散射信号,对回波信
    号进行校正,消除瑞利散射对探测大气气溶胶颗粒物造成的影响,具有提高探测精度的优
    点。

    附图说明

    图1为大气气溶胶颗粒物探测激光雷达结构示意图。

    其中,1发射激光单元、2接收望远镜、3接收光纤、4信号检测单元、5信号处理单元。

    图2为信号检测单元的结构示意图。

    其中,3接收光纤、41准直镜、42分光镜、43第一滤光片、44第一聚焦镜、45第一探测
    器、46第二滤光片、47第二聚焦镜、48第二探测器、5信号处理单元。

    图3为激光光谱、散射回波信号光谱及光学元件透射谱。

    其中,42P分光镜透射谱、43P第一滤光片透射谱、46P第二滤光片透射谱。

    具体实施方式

    下面结合附图,对本发明作进一步的说明。

    如图1所示,大气气溶胶颗粒物探测激光雷达由发射激光单元1、接收望远镜2、接
    收光纤3、信号检测单元4和信号处理单元5组成。

    如图2所示,信号检测单元4的构成是:在接收光纤3的输出光路中依次同轴安装准
    直镜41、第一滤光片43、第一聚焦镜44和第一光电探测器45;分光镜42安装在准直镜41和第
    一滤光片43之间的光路中,且与光轴呈45度角,在分光镜42的反射光路中依次同轴安装第
    二滤光片46、第二聚焦镜47和第二光电探测器48;第一光电探测器45和第二光电探测器48
    分别输出拉曼信号IRaman和米-瑞利信号IMie+Rayleigh。

    接收望远镜2的接收光轴与发射激光单元1发出的激光束平行,接收光纤3的一端
    安装于接收望远镜2的焦点处,另一端连接到信号检测单元4的输入端,信号检测单元4输出
    的拉曼信号IRaman和米-瑞利信号IMie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端,发射激光
    单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端。

    米散射强度IMie按下式计算:


    其中,IMie+Rayleigh为米-瑞利散射谱强度、IRaman为拉曼光谱谱线强度、σRayleigh为大
    气分子常数瑞利散射截面、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面;由米散射强度IMie可得到大
    气中气溶胶颗粒物的浓度。

    上述分光镜42为短波通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利
    散射光谱透射。

    上述第一滤光片43为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元1发出的激光
    波长,透射带宽为20cm-1。

    上述第二滤光片46为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射
    带宽为5cm-1。

    本发明工作流程为:

    发射激光单元1向空中发射一束激光,激光激发空中的大气气溶胶颗粒物和大气
    分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)回
    波,经接收望远镜2接收汇聚到接收光纤3,并传输进入信号检测单元4,信号检测单元4输出
    的拉曼信号IRaman和米-瑞利信号IMie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端,发射激光
    单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端,用于同步数据采集。

    回波光信号经接收光纤3进入信号检测单元4后,先由准直镜41准直成平行光,再
    经分光镜42进行光谱分光;分光镜42为短波通滤光片,从分光镜透射谱42P(图3)可知,大气
    散射回波光中的比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射,米-瑞利散射光谱以及比激光
    波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被透射;分光镜42的反射光进入第二滤光片46,第二滤光
    片46是带通滤光片,从第二滤光片透射谱46P(图3)可知,第二滤光片46只允许Stokes拉曼
    散射谱中强度不随温度变化的谱线透过,透射光经第二聚焦镜47汇聚到第二探测器48,第
    二探测器48将光信号变成电信号,得到IRaman,传送到信号处理单元4。

    分光镜42的透射光照射到第一滤光片43,第一滤光片43为带通滤光片,由第一滤
    光片透射谱43P(图3)可知,比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被抑制,第一滤光片43
    只允许米-瑞利散射谱透过,并经第一聚焦镜44汇聚到第一探测器45,第一探测器45将光信
    号变成电信号,得到IMie+Rayleigh,传送到信号处理单元4。

    信号处理单元4根据发射激光单元1的同步信号,同步采集第一探测器45和第二探
    测器48探测输出的IMie+Rayleigh信号和IRaman信号。

    根据公式根据上述探测到米-瑞利
    散射谱强度IMie+Rayleigh和拉曼光谱谱线强度IRaman,即可获得米散射谱强度IMie,IMie即是表征
    大气气溶胶颗粒物的米散射信号。

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