[发明专利]一种高精度测量0-35km大气温度的转动拉曼激光雷达系统

说明书

本发明公开了高精度测量~0‑35 km大气温度的转动拉曼激光雷达系统。系统采用分层接收技术，通过低空探测模块和高空探测模块分别针对~0‑15 km和~8‑35 km高度范围大气进行探测；系统同时以模拟AD和光子计数PC两种工作模式有效记录高、低空探测模块回波数据。最终，系统实现~0‑35 km高度范围大气温度的高精度完全覆盖测量。

技术领域

本发明属于激光雷达遥感探测技术领域，具体涉及一种能够准确、高时空分辨率测量自近地面到35km高度范围大气温度的转动拉曼激光雷达系统。

背景技术

自近地面到35km高度范围是整个地球大气的重要高度区间：向下，它包括大气边界层，是地表与大气的直接相互作用区域；向上，它包括低层大气与中高层大气的过渡区。准确、高分辨率地监测0-35km高度范围的大气温度，对精细刻画在垂直方向上的大气物质、能量/动量的变化与输运等至关重要。激光雷达能够连续工作，具备高时间与空间分辨率的优势，是进行大气探测的有力工具。当前，针对大气温度进行探测的激光雷达在类型上主要包括：共振荧光测温激光雷达，瑞利测温激光雷达和转动拉曼测温激光雷达。共振荧光测温激光雷达需要借助金属原子“示踪物”(例如，Fe、Na、K等)获取回波信号，测温高度范围通常为80-120km。瑞利激光雷达利用大气分子的瑞利回波，在理想气体和静力学平衡假设条件下可得到30-80km洁净大气区域温度，但在30km以下有气溶胶存在时工作失效。转动拉曼测温激光雷达常通过提取大气分子(主要为N₂与O₂分子)位于不同频谱位置的两路转动拉曼回波信号作比来反演温度，即便在气溶胶存在时也可有效工作，且具备较高的理论测温准确度。

当前，已有报道的转动拉曼测温激光雷达系统，其有效探测区间要么对应较低高度范围(例如，从数百米到20km附近)，要么对应较高高度范围(例如，从数公里到30km附近)，目前尚无实现0-35km高度范围完全覆盖探测的转动拉曼测温激光雷达系统先例。一个重要难点在于，激光雷达回波信号强度与探测高度的平方成反比，且大气分子数密度随高度增加而指数规律减小，这导致激光雷达回波信号强度随探测高度的增加而急剧衰减。理论模拟计算与实践经验都表明，在0-35km高度范围的实际雷达回波信号强度动态变化范围极大，可跨越至少8个数量级！而常见的用于光电转换的探测器件(例如，光电倍增管)，在常规工作条件下允许输入的信号幅度变化范围往往只有3-4个量级，信号继续增强将导致探测器工作异常。为此，考虑到拉曼散射效率较低，为有效增强在较高高度上的拉曼回波信号强度，要求配备大功率的激光器，加大望远镜有效口径和尽量提高光学接收系统传输效率；但与此同时，为实现对较低高度上强信号的准确提取，即让低空回波信号强度落入探测器允许的强度范围之内，则要求极大程度地降低接收光学系统的传输效率(或改变雷达系统光学设计方案，降低发射激光功率与缩小望远镜口径)。可见，在发射激光功率、望远镜口径及光学接收系统效率给定的情况下，对高空弱信号和低空强信号的同时有效接收难以兼顾。或者说，要同时实现对高空弱信号和低空强信号的有效提取，对雷达光学系统提出的性能参数要求是相互矛盾的。

发明内容

为实现自近地面到35km高度范围内大气温度的高精度探测：一方面，要求有效增强在较高高度上的拉曼回波信号强度；另一方面，需要同时实现在整个探测高度范围内拉曼回波信号的有效提取。为此，本发明提出了一种高精度测量0-35km大气温度的转动拉曼激光雷达系统，系统由发射单元、光学接收单元和数据采集与控制单元组成。发射单元采用种子注入的大功率固体激光器输出极窄线宽的532.23nm激光并导向天顶；光学接收单元采用分层接收技术，通过低空探测模块实现0-15km高度范围回波信号的有效提取，通过高空探测模块实现8-35km高度范围回波信号的有效提取；数据采集单元同时工作于模拟(AD)与光子计数(PC)模式，有效拓展了探测器允许的输入信号强度动态变化范围(优于6个数量级)，控制单元保障整个雷达系统自动有序工作。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：