[发明专利]一种大气多参数探测多功能激光雷达

权利要求书

1.一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，包括激光产生模块、脉冲调制模块、放大模块、信号收发模块、偏振控制模块、信号拍频模块、信号采集模块、大气多参数反演模块、多功能应用模块；

所述激光产生模块包括激光器和保偏分束器，脉冲调制模块包括脉冲调制器和信号发生器，放大模块包括放大器，信号收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，偏振控制模块包括偏振控制器，信号拍频模块包括耦合器和平衡探测器，信号采集模块包括信号采集系统，大气多参数反演模块包括大气多参数反演系统，多功能应用模块包括多功能应用模块；

所述激光器的输出端和保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端和脉冲调制器输入端连接，模拟信号发生器的输出端和脉冲调制器输入端连接，脉冲调制器输出端和放大器输入连接，放大器输出端和发射望远镜输入连接，发射望远镜将激光出射到大气中；

所述保偏分束器的输出端和耦合器的输入端连接，接收望远镜输出端和偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端和耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端和第二输出端和平衡探测器的第一输入端和第二输入端连接，平衡探测器的输出端和信号采集系统的输入端连接，信号采集系统的输出端和大气多参数反演系统的输入端连接，大气多参数反演系统的输出端连接和多功能应用模块的输入端连接；

所述多功能激光雷达包括3种探测模式，第一种探测模式用于包括风场探测、气溶胶探测、能见度探测、云探测和雨探测，第二种探测模式为米级分辨率采集模式，用于包括飞机尾流、空气动力学应用领域，第三种探测模式为偏振探测，用于包括污染物识别和分类、云层相态分析；

一种大气多参数探测多功能激光雷达的工作流程：

先根据采集到的信号原始功率谱，提取其基本功率谱参数信噪比SNR、第一多普勒速度LOS1、谱宽SW、偏度SK；

其中信噪比SNR衡量了原始信号强度，其计算方式可选信号高斯拟合的面积，信号的峰值强度、信号的0阶矩；

所述第一多普勒速度LOS1原始信号功率谱的1阶矩获得；

所述谱宽SW通过计算原始信号功率谱的2阶矩获得；

所述偏度SK通过计算原始信号功率谱的3阶矩获得；

然后信噪比SNR反演后消光系数、能见度、退偏比：

λ为发射激光波长，所述消光系数σ(λ)由Fernald方法反演得到；

根据能见度V与消光系数关系可反演得到，能见度V，单位km；λ为发射激光波长，单位nm；σ(λ)为总消光系数，单位为km^-1，根据Kim模型，q的取值为：

所述退偏比由第三种工作模式时反演得到；

所述第三种工作模式时，在接收望远镜输出光纤中，平行态的信号光在慢轴传播，垂直态的信号光在快轴传播，偏振控制器的功能为交替的将慢轴的平行态信号光旋转到快轴，将快轴的垂直态的信号的旋转至慢轴；

对拍频信号的奇数脉冲和偶数脉冲信号分别累积得到信号强度CNR1和CNR2，所述退偏比δ的计算公式为：

所述信噪比SNR反演后向散射系数、消光系数、能见度、退偏比应用于识别出烟羽轨迹、云低云高、颗粒污染参数；

接着根据谱宽SW和偏度SK对功率谱进行分类和分离：

对于谱宽SW大于第一阈值且偏度SK大于低于第二阈值的信号原始功率谱识别为具有多成分的功率谱，其他功率谱则识别为单一成分功率谱；

对于单一成分功率谱，通过单高斯拟合获得第二多普勒速度；

所述单一成分的功率谱为气溶胶谱：

式中，I_a为气溶胶信号强度,v为多普勒速度，LOS_a为气溶胶对应的第二多普勒速度，σ_a为气溶胶谱宽；

对于多成分功率谱，通过多高斯拟合获各成分得第二多普勒速度：

式中，m为气溶胶成分的下表，M为多成分的数目；

当多成分谱为降雨谱时，可分离出雨滴成分的气溶胶成分；

当多成分谱为云谱时，可分离出不同相态的云成分；

再根据第二多普勒速度LOS2，反演二维风场、风廓线：

所述二维风场由固定低仰角的扫描的第二多普勒速度LOS2反演得到；

三维风场由固定高仰角的多波束扫描的第二多普勒速度LOS2反演得到；

最后根据反演二维风场、风廓线，计算参数，参数包括湍流耗散率、风切变强度。