一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111208494A(43)申请公布日2020.05.29(21)申请号202010023899.4(22)申请日2020.01.09(71)申请人中国科学院合肥物质科学研究院地址230088安徽省合肥市蜀山区蜀山湖路350号(72)发明人吴德成刘东王邦新钟志庆邢昆明谢晨波王珍珠王英俭(74)专利代理机构合肥市上嘉专利代理事务所(普通合伙)34125代理人郭华俊(51)Int.Cl.G01S7/497(2006.01)G01S17/95(2006.01)G01S7/48(2006.01)G01N21/65(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图1页(54)发明名称一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法(57)摘要一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统及方法，该系统包括探测器模块，所述探测器模块包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。本发明通过在日盲水汽拉曼激光雷达中增加一个接收氧气分子振-转拉曼散射回波信号的通道，激光雷达直接测量水汽分子、氮气分子和氧气分子的拉曼散射回波信号，为得到水汽混合比的垂直分布提供硬件基础，而不需要利用其它设备测量或者从日盲激光雷达测量信号中反演臭氧浓度的分布，从而降低测量成本，并且提高测量精度。CN111208494ACN111208494A权利要求书1/3页1.一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，包括探测器模块(3)，所述探测器模块(3)包括三个分色镜、三个探测器单元，每个分色镜将光束分成两路，一路反射到对应的探测器单元，另一路反射到下一分色镜上进行分束，三个探测器单元对应包括接收水汽分子、氮气分子、氧气分子的振-转拉曼散射回波信号。2.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，系统还包括在探测器模块(3)前端依次设置的发射模块，用于发射设定波长的激光到大气中；接收模块，用于接收包括大气信息的散射回波信号；还包括在探测器模块(3)的后端依次设置的数据采集模块(4)，用于采集每个探测器单元中回波信号；上位机(5)，所述上位机(5)获得数据采集模块(4)中的信号和与激光器(11)的受控端连接。3.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，三个探测器单元分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元，所述第一探测单元包括接收波长为295nm的水汽分子振-转拉曼散射回波信号的第一探测器，所述第二探测单元包括接收波长为284nm的氮气分子振-转拉曼散射回波信号的第二探测器，所述第三探测单元包括接收波长为277nm的氧气分子振-转拉曼散射回波信号的第三探测器。4.根据权利要求1所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，每个探测器单元还包括设置在分色镜与探测器之间的且依光路设置的窄带干涉滤光片F、透镜L。5.根据权利要求2所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，所述激光器(11)输出波长为266nm的激光器(11)，所述发射模块还包括用于减小激光器(11)输出的激光光束发散角的扩束镜(12)、将扩束后的激光反射到大气中的反射镜M1。6.根据权利要求2所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统，其特征在于，所述接收模块包括依次设置的接收望远镜(21)、光阑(22)、准直目镜(23)，所述接收望远镜(21)用于接收带有大气信息的散射回波信号，所述准直目镜(23)用于准直接收望远镜(21)接收的信号。7.使用权利要求1-6任意一项所述的一种具有臭氧吸收自校正功能的激光雷达探测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、上位机(5)获得水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数；S2、根据水汽分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数和氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数，得到测量的水汽混合比函数；S3、将氮气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数与氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数相除，根据现有的水汽拉曼激光雷达数据处理技术得到空气分子和大气气溶胶的透过率校正，进而从相除后获得的函数中得到臭氧透过率校正函数，代入到水汽混合比函数中，获得水汽混合比的空间分布。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中的水汽分子、氮气分子和氧气分子的振-转拉曼散射回波信号强度函数分别表示为：2CN111208494A权利要求书2/3页其中，PH(λL,λH,z)、PN(λL,λN,z)和PO(λL,λO,