[发明专利]多波段拉曼-荧光激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统，特别是涉及一种同时探测多波段多类型散射信号的激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种获得大气垂直结构非常重要的探测手段。其硬件系统主要由激光发射系统、回波信号接收系统和数据采集系统三部分组成。从激光器发射出的准直激光束在大气中传输时，与大气颗粒发生相互作用，其中后向散射信号被回波信号接收系统接收，进而经过分光后由数据采集系统完成信号采集。根据激光束与不同大气颗粒的作用机制，以及激光雷达的探测内容，可以实现拥有不同功能的激光雷达系统。

生物气溶胶作为大气气溶胶中有生命活性的一个重要部分，其所含的成分相当复杂，主要包括细菌、真菌、病毒等微生物粒子，和花粉、孢子、动植物碎裂分解等具有生命活性的微小粒子。成分复杂、致病性大、传染性强、污染面积大。由于其具有生物性，一旦与人体组织或器官接触，便或多或少对人体健康造成影响。尤其是利用生物气溶胶造成的心理恐慌，特别用于国际战争或者恐怖组织中的生物武器。因此了解大气中生物气溶胶的时空分布和成分，有利于对生物气溶胶的不良影响采取相应的防范措施。近年来生物气溶胶作为科研难点和热点问题，其时空分布特征和复杂的成分已经受到国内外学者越来越多的关注。目前生物气溶胶的研究已经发展至垂直结构分布的研究水平。

雾霾的存在，在影响大气环境的同时还严重影响着人类的身体健康和生活品质。许多学者认为在满足一定条件的大气水汽和大气颗粒的情况下会产生雾霾，在一定条件下又会消散。针对雾霾的生消过程，现阶段还没有很好的给出满足水汽和大气颗粒条件的阈值，尤其是不同的地区，其阈值也会不同。且常规的激光雷达系统可以提供雾霾的时空分布变化特征和光学特性，但对其生消过程和成分的探测研究有很大的局限性。研究雾霾的生消过程，需要具备大气中水汽的时空变化特征，而要研究其中的致癌成分，需要掌握不同荧光质的光谱变化信息。

生物气溶胶和雾霾的探测手段有多种，其中激光雷达系统是探测生物气溶胶和雾霾的垂直结构分布及其物理光学特性的强有力装置。但是现阶段已有的激光雷达系统功能单一，普遍采用532nm的米散射信号，而将355nm和532nm两个波段结合的激光雷达系统的相关报道和文献稀少。且大部分的激光雷达系统只采用一种数据采集方式，即模拟信号或者光子信号。虽然模拟信号能够对激光雷达观测的近场信号有很好的线性关系，但是其对远场的微弱信号探测能力有限。尽管光子信号对远场的微弱信号有很好的敏感度，然而面对近场的强回波信号时容易饱和。单一的数据采集方式，局限了激光雷达接收回波信号的动态范围。利用licel瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种方式记录355nm、532nm垂直和水平偏振米散射信号，607nm、660nm的氮气和水汽拉曼信号等，都鲜有相关报道和文献。将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm波段的探测相结合用以生物气溶胶和雾霾探测研究的激光雷达系统尚未见到相关报道。

长期以来，我国的激光雷达技术主要依赖于从国外进口，其昂贵的费用，后期维护的不便以及面临的核心技术封锁使得我国在激光雷达研制和应用领域受到了不同程度的制约。因此，针对生物气溶胶能够诱发荧光信号的特性、雾霾生消过程及其致癌成分荧光特性的研究热点。研制能够满足生物气溶胶浓度的时空分布和荧光特性，雾霾的时空分布、生消过程及其致癌成分探测需求的激光雷达系统显得迫在眉睫。将有力于提升我国在多波段多功能激光雷达系统研制方面的水平，为研究生物气溶胶和雾霾的物理光学特性、生物气溶胶与气候的相互作用、雾霾的生消过程等提供强有力的观测手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波段拉曼-荧光激光雷达系统，将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm和532nm偏振米散射信号、607nm和660nm波段的探测相结合用以探测研究生物气溶胶和雾霾，解决现阶段已有的激光雷达系统功能单一的问题。利用licel瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种方式记录355nm、532nm垂直和水平偏振米散射信号，及607nm、660nm的氮气和水汽拉曼信号，解决现阶段已有的激光雷达系统数据采集方式单一的问题。