[发明专利]一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种能同时测量大气中由三相态水产生的Raman谱和由气溶胶粒子产生的荧光谱的激光雷达系统。

背景技术

水是大气中的一种重要物质。水汽及由液态/固态水组成的云在大气中的存在与变化，都会直接影响大气辐射收支。精确掌握大气水的含量、分布及相态等信息在大气研究领域是非常必要的。实现大气水的高精度探测需要付出极大的技术努力；水Raman激光雷达利用水的振转Raman谱测量大气水，具有高时空分辨率的优势。水汽Raman激光雷达主要通过接收水汽振转Raman谱Q支信号获取水汽剖面，在晴朗天气条件下常会获得可靠数据，但在有云存在时则会出现相对湿度结果大于100％的情况。其根源在于，由云中液态或/固态水产生的Raman信号，在频谱上与水汽Raman信号交叠进而对水汽信号产生“干扰”，导致测量结果错误。为此，有研究单位通过在水汽Raman激光雷达中增添一个检测液/固态水Raman回波的测量通道，实现对水汽和液/固态水的同时监测。但三相态水Raman谱在频谱上的交叠是固有的，靠采用滤波器件提取有限带宽内水Raman信号的方法，不能直接排除各相水Raman信号相互串扰带来的影响。同时，液水Raman谱与温度相关，单凭有限带宽内液水Raman信号总强度也不能反映出云内部微物理特性的变化。另一个潜在的干扰因素是气溶胶荧光：在大气中，包含有机物或源自生物质的气溶胶粒子，在紫外激光的辐射下会释放谱宽极宽的荧光。气溶胶荧光在频谱上可完全覆盖三相态水的Raman谱，进而进入雷达系统并对最终测量结果造成影响。利用有限带宽滤波器件提取水Raman信号的激光雷达系统，都难以直接识别气溶胶荧光是否存在，在气溶胶荧光存在的情况下也不能剔除气溶胶荧光的干扰。

综合考虑以上因素，为实现在更多天气条件下的针对大气水的高精度探测，我们提出研制新型的水Raman激光雷达系统：系统能同时获取由三相态水产生的Raman谱信号，同时能直接判断是否有气溶胶荧光存在，并在荧光存在时能检测荧光强度并消除荧光对水Raman谱信号的干扰。这要求雷达系统具有适当的光谱范围来同时记录三相态的水Raman谱和荧光谱，并具有合适的谱分辨能力。另外，考虑到水在大气中含量相对很少，Raman散射相对弹性散射而言效率很低，还要求系统能高效传输目标信号、对发射激光波长附近的弹性回波产生足够程度的抑制，具备从极强的弹性信号中成功检出极弱Raman信号的能力。

发明内容

本发明的目的是提出了一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，该系统能实现对大气中由三相态水产生的Raman谱和由气溶胶粒子产生的荧光谱的同时探测。该系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元采用种子注入的固体激光器输出极窄线宽的354.8nm紫外激光并导向天顶；光学接收与信号检测单元收集来自大气物质的后向散射光，对354.8nm附近光产生优于15个数量级的抑制，并以0.8nm的谱精度分辨与记录393.0-424.0nm谱带范围信号光；控制单元保障整个雷达系统有序工作。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，该系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元包括种子激光器、固体激光器、扩束镜、发射台。光学接收与信号检测单元由望远镜、光阑、准直镜、反射镜、带通滤光片1、分束镜、干涉滤光片、汇聚镜、探测器1、带通滤光片2、耦合镜和双光栅光谱仪系统组成。双光栅光谱仪系统由光纤、透镜1和光栅1、透镜2和光栅2、探测器2组成。双光栅光谱仪系统实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制，高效传输并以0.8nm的谱精度记录393.0-424.0nm谱带范围信号光。控制单元由计算机组成，通过时序电路控制发射单元、光学接收与信号检测单元，保障整个雷达系统有序工作。

种子激光器产生极窄线宽的1064nm红外基频光；基频光由光纤导入固体激光器谐振腔内，经两级放大后再由三倍频晶体产生极窄线宽的354.8nm紫外激光输出；紫外激光在水平方向上传播，通过5倍扩束镜扩束后照射发射台；发射台可电动精密控制，以高于99.5％的反射率将来射紫外激光导向天顶方向。