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***,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***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***数据采集方式单一的问题。
为解决上述问题,本发明提供的多波段拉曼-荧光激光雷达***,包括激光发射***、回波信号接收***和信号采集***;激光发射***同时发射不同频率的激光束;激光束经物体散射后,由回波信号接收***接收;回波信号接收***将接收到的散射激光信号进行处理,得到垂直和水平米散射信号、拉曼散射信号和荧光信号;回波信号接收***将所得到的垂直和水平米散射信号、拉曼散射信号转换成电信号,并将该些电信号传输给信号采集***,且由信号采集***同时以模拟和光子计数两种方式记录后,进行存储;回波信号接收***将荧光信号传输给信号采集***;信号采集***将接收到的荧光信号进行色散处理后,阵列测量不同波长的信号,由此完成荧光信号由光信号到电信号的转变和记录,并进行存储。
激光发射***包括脉冲激光器、扩束准直器、第一带宽反射镜、第二带宽反射镜和第三带宽反射镜;脉冲激光器,用于通过对基波进行变频后输出不同波段的高能量脉冲激光束;扩束准直器,用于将入射激光束的光斑扩大,并进一步减小激光束的发散角;第一带宽反射镜、第二带宽反射镜和第三带宽反射镜,用于反射激光束,经过3次反射后,最终将激光束反射射出。
回波信号接收***,包括望远镜、全反射镜、第一二色镜、第二二色镜、第三二色镜、第四二色镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片、第一偏振分光晶体、第二偏振分光晶体、凸透镜、光电倍增管、光纤;望远镜,用于接收散射回波信号;全反射镜,用于将望远镜接收到回波信号转变为水平方向传输;第一二色镜、第二二色镜、第三二色镜,用于根据不同的波段范围,反射一部分波段,透射另一部分波段;第四二色镜,对同一宽度的光谱信息,用于根据预定的能量比例进行反射和透射;第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片,均用于允许所需波段的光信号通过,过滤掉不需要波段的光信号;第一偏振分光晶体、第二偏振分光晶体,用于对回波光信号相应波段的偏振光信号进行检偏振处理,将总回波信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分;第二凸透镜,用于将经第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片和第四窄带滤光片过滤后的光信号进行聚焦;光电倍增管,放置在第二凸透镜的焦点处,接收回波光信号,并将光信号转换为电信号;光纤,与精细光纤调整架配合,用于传输荧光信号。
信号采集***,包括32通道光栅光谱仪、Licel瞬态记录仪,计算机;32通道光栅光谱仪,用于将经光纤传入的微弱荧光信号进行色散处理,然后由探测器阵列测量不同波长的信号强度,完成微弱荧光信号由光信号到电信号的转变;Licel瞬态记录仪,用于同时以模拟和光子计数的方式记录大气回波信号,实现近场强信号的模拟探测和远场弱信号的光子探测的有效融合,扩展了激光雷达***对微弱信号的提取和大动态范围信号的探测;计算机,用于存储信号数据;32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪由光电探测器提供触发源。
回波信号接收***2中,第三带宽反射镜、望远镜、小孔光阑、第一凸透镜和全反射镜同轴线依次设置;全反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角;在全反射镜的反射光线方向上,由近至远,同轴线依次设置第一二色镜、第三二色镜、第四二色镜、第四窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管;第一二色镜、第三二色镜和第四二色镜的反射面上入射光线的入射角均为45°角,第一二色镜透射面和第三二色镜反射面相向,第三二色镜透射面和第四二色镜反射面相向;在第一二色镜的反射光线方向上由近至远,同轴线依次设置第二二色镜、精细光纤调整架;第二二色镜反射面上入射光线的入射角为45°角,且第一二色镜反射面与第二二色镜反射面相向;在第二二色镜的反射光线方向上由近至远,同轴线依次设置第一偏振分光晶体、第一窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管;在第一偏振分光晶体分出的垂直偏振光的方向上由近至远,同轴线依次设置第一窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管;在第三二色镜的反射光方向上,由近至远,同轴线依次设置第二偏振分光晶体、第二窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管;在第二偏振分光晶体分出的垂直偏振光的方向上由近至远,同轴线依次设置第二窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管;在第四二色镜反射光的方向上,由近至远,同轴线依次设置第三窄带滤光片、第二凸透镜、光电倍增管。
32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪均经路由器与计算机相连;32通道光栅光谱仪,外接光纤,经光纤接收荧光信号;Licel瞬态记录仪与全部光电倍增管用导线连接;32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪分别经导线与放置在脉冲激光器前方的光电探测器连接,且由光电探测器对脉冲激光进行感应后为32通道光栅光谱仪和Licel瞬态记录仪提供触发源。
激光发射***1各设备均在同一平面上;脉冲激光器、扩束准直器、第一带宽反射镜同轴线依次设置;扩束准直器的光线出射口与第一带宽反射镜的反射面相向,第一带宽反射镜的反射面上入射光线的入射角为45°角;在第一带宽反射镜反射光线的方向上设置第二带宽反射镜,第二带宽反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角,且第二带宽反射镜反射面与第一带宽反射镜反射面相向;在第二带宽反射镜反射光的方向上设置第三带宽反射镜,第三带宽反射镜反射面上入射光线的入射角为45°角,且第三带宽反射镜反射面与第二带宽反射镜反射面相向。
回波信号接收***中,望远镜,优选Celestron 11型施密特-卡塞格林望远镜***,有效口径为380mm;与望远镜配合使用的小孔光阑选用4mm小孔光阑;第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片,分别采用355nm、532nm、607nm和660nm四种窄带滤光片;光电倍增管,优选Hamamastsu生产的H10720-110和H10720-220型端窗式的光电倍增管,根据具体所接收光谱的响应程度选用相应的型号;光纤,采用小口径光纤。32通道光栅光谱仪,优选Licel公司生产的Multispectral Lidar Detector(32通道光栅光谱仪);Licel瞬态记录仪,优选德国Licel公司生产的TR40-160型模电/光子计数器,其特性为在高重复频率情况下,高时间分辨率和动态范围能够达到最佳状态。
脉冲激光器,优选Continuun Surelite I型Nd:YAG激光器,用于通过对1064nm的基波进行二倍频和三倍频后输出355nm、532nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束,脉冲重复频率为20Hz;扩束准直器,优选BXUV-10.0-5X-355-532型伽利略式扩束准直器。
采用本发明多波段拉曼-荧光激光雷达***后,由于本发明多波段拉曼-荧光激光雷达***的发射***采用二倍频晶体和三倍频晶体对基波进行变频,因此经变频后,能同时发射532nm、355nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束;回波信号接收***中,采用的偏振分光晶体将回波信号分为水平方向和垂直方向,并经355nm窄波滤光片的过滤,采集到355nm水平方向和垂直方向上的偏振米散射信号;采用的偏振分光晶体2将回波信号分为水平方向和垂直方向,并经532nm窄波滤光片的过滤,采集到532nm水平方向和垂直方向上的偏振米散射信号;355nm和532nm两个米散射偏振通道能够提供大气颗粒的退偏振比(垂直偏振信号与水平偏振信号的比值)和色比(532nm总回波信号与355nm总回波信号的比值)以及其他的物理光学特性;采用607nm和660nm窄波滤光片,分别对回波信号进行过滤,同时提取607nm、660nm的氮气和水汽拉曼散射信号;660nm波段(即水汽拉曼通道)的观测数据可以反演得到大气中水汽的垂直分布情况;采用32通道光栅光谱仪经光纤获取回波信号,可探测到32通道波长的夜间大气微弱荧光信号;采用的licel瞬态记录仪可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;综上,本发明多波段拉曼-荧光激光雷达***将32通道波长的夜间大气微弱荧光信号探测与355nm、532nm偏振米散射信号、607nm、660nm波段的探测相结合,从而将米散射偏振功能,拉曼散射功能和微弱荧光信号功能结合,对生物气溶胶时空分布特征和复杂成分进行探测研究,对大气中水汽的时空变化特征和雾霾的生消过程进行探测研究,对雾霾中不同荧光质的光谱变化信息和致癌成分进行探测研究。
下面结合附图对本发明的多波段拉曼-荧光激光雷达***作进一步说明。
具体实施方式
如图1所示,本发明提供的一种多波段拉曼-荧光激光雷达***,包括激光发射***1、回波信号接收***2和信号采集***3;激光发射***1同时发射355nm、532nm和1064nm波长的激光束;激光束与大气颗粒物相互作用,经散射后,由回波信号接收***2接收;回波信号接收***2对接收到的散射激光信号进行分光、滤光等处理,得到355nm和532nm波长的垂直米散射信号和水平米散射信号、607nm和660nm波长的拉曼散射信号和32通道波长的夜间大气微弱荧光信号;回波信号接收***2将所得到的355nm和532nm的垂直和水平米散射信号、607nm和660nm的拉曼散射信号转换成电信号,并将该些电信号传输给信号采集***3,且由信号采集***3同时以模拟和光子计数两种方式记录后,进行存储;回波信号接收***2将荧光信号传输给信号采集***3;信号采集***3将接收到的荧光信号进行色散处理后、阵列测量不同波长的信号,由此完成荧光信号由光信号到电信号的转变和记录,并进行存储。
激光发射***1,包括脉冲激光器11、扩束准直器12、第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b和第三带宽反射镜13c;脉冲激光器11内安装二倍频晶体111和三倍频晶体112;
激光发射***1中部分设备的优选型号及作用如下:
脉冲激光器11:采用Continuun Surelite I型Nd:YAG激光器。主要作用是通过对1064nm的基波进行二倍频和三倍频后输出532nm、355nm和1064nm三个波段的高能量脉冲激光束,脉冲重复频率为20Hz;
扩束准直器12:采用BXUV-10.0-5X-355-532型伽利略式扩束准直器。主要作用是可以将入射激光束的光斑扩大5倍,并进一步减小激光束的发散角;
第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b、第三带宽反射镜13c:主要作用为反射由扩束准直器12出射的激光束,经过3次反射后,最终将激光束反射至大气中。
激光发射***1各设备之间的相对位置关系如下:
激光发射***1各设备均在同一平面上;脉冲激光器11、扩束准直器12、第一带宽反射镜13a同轴线依次设置;扩束准直器12的光线出射口与第一带宽反射镜13a的反射面相向,第一带宽反射镜13a的反射面上入射光线的入射角为45°角;在第一带宽反射镜13a反射光线的方向上设置第二带宽反射镜13b,第二带宽反射镜13b反射面上入射光线的入射角为45°角,且第二带宽反射镜13b反射面与第一带宽反射镜13a反射面相向;在第二带宽反射镜13b反射光的方向上设置第三带宽反射镜13c,第三带宽反射镜13c反射面上入射光线的入射角为45°角,且第三带宽反射镜13c反射面与第二带宽反射镜13b反射面相向。
回波信号接收***2,包括望远镜21、全反射镜22、第一二色镜23a、第二二色镜23b、第三二色镜23c、第四二色镜24、第一窄带滤光片25a、第二窄带滤光片25b、第三窄带滤光片25c、第四窄带滤光片25d、第一偏振分光晶体26a、第二偏振分光晶体26b、第二凸透镜27、光电倍增管28、光纤29;望远镜21包括小孔光阑211和第一凸透镜212,可根据具体需要选择不同型号的小孔光阑和第一凸透镜;
回波信号接收***2中部分设备的优选型号及作用如下:
望远镜21:采用Celestron 11型施密特-卡塞格林望远镜***。有效口径为380mm,主要作用是接收大气中的后向散射回波信号;
小孔光阑211:选用4mm小孔光阑;
第一凸透镜212:其作用是将望远镜21观测到的光转为平行光,焦距约为3cm;
全反射镜22:位于望远镜21的底端,主要作用是将望远镜21接收到的垂直方向传输的回波信号转变为水平方向传输;
第一二色镜23a、第二二色镜23b、第三二色镜23c:按照不同的波段范围,反射一部分波段的光信号,透射另一部分波段的光信号;
第四二色镜24:对同一宽度的光谱信息,按照一定的能量比例进行反射和透射;
第一窄带滤光片25a、第二窄带滤光片25b、第三窄带滤光片25c、第四窄带滤光片25d:分别采用355nm、532nm、607nm和660nm四种窄带滤光片。主要作用是分别允许上述四个波段的光信号通过,过滤其他波段的光信号;
第一偏振分光晶体26a、第二偏振分光晶体26b:主要作用是对回波光信号相应波段的偏振光信号进行检偏振处理,将总回波信号分为水平偏振和垂直偏振两个组分;
第二凸透镜27:采用小焦距的凸透镜,焦距约为3cm,主要作用是将窄带滤光片过滤后的光信号进行聚焦,以便透镜后方的光电探测器更有效的接收回波信号;
光电倍增管28:采用Hamamastsu生产的H10720-110和H10720-220型端窗式的光电倍增管,根据具体所接收光谱的响应程度选用相应的型号。主要作用是放置在凸透镜的焦点处,接收回波光信号,并将光信号转换为电信号;
光纤29:采用小口径光纤,主要作用是传输微弱荧光信号。
回波信号接收***2各设备之间的相对位置关系如下:
回波信号接收***2中,第三带宽反射镜13c、望远镜21、小孔光阑211、第一凸透镜212和全反射镜22同轴线依次设置;全反射镜22反射面上入射光线的入射角为45°角;在全反射镜22的反射光线方向上,由近至远,同轴线依次设置第一二色镜23a、第三二色镜23c、第四二色镜24、第四窄带滤光片25d、第二凸透镜27、光电倍增管28;第一二色镜23a、第三二色镜23c和第四二色镜24的反射面上入射光线的入射角均为45°角,第一二色镜23a透射面和第三二色镜23c反射面相向,第三二色镜23c透射面和第四二色镜24反射面相向;在第一二色镜23a的反射光线方向上由近至远,同轴线依次设置第二二色镜23b、精细光纤调整架291;第二二色镜23b反射面上入射光线的入射角为45°角,且第一二色镜23a反射面与第二二色镜23b反射面相向;在第二二色镜23b的反射光线方向上由近至远,同轴线依次设置第一偏振分光晶体26a、第一窄带滤光片25a、第二凸透镜27、光电倍增管28;在第一偏振分光晶体26a分出的垂直偏振光的方向上由近至远,同轴线依次设置第一窄带滤光片25a、第二凸透镜27、光电倍增管28;在第三二色镜23c的反射光方向上,由近至远,同轴线依次设置第二偏振分光晶体26b、第二窄带滤光片25b、第二凸透镜27、光电倍增管28;在第二偏振分光晶体26b分出的垂直偏振光的方向上由近至远,同轴线依次设置第二窄带滤光片25b、第二凸透镜27、光电倍增管28;在第四二色镜24反射光的方向上,由近至远,同轴线依次设置第三窄带滤光片25c、第二凸透镜27、光电倍增管28。
信号采集***3,包括32通道光栅光谱仪31、Licel瞬态记录仪32和计算机33;
信号采集***3中部分设备的优选型号及作用如下:
32通道光栅光谱仪31:采用由Licel公司生产的Multispectral Lidar Detector(32通道光栅光谱仪)。其作用是光纤将微弱荧光信号传输至该设备后,对光进行色散处理,然后由探测器阵列测量不同波长的信号强度,由此完成微弱荧光信号由光信号到电信号的转变;
Licel瞬态记录仪32:采用由德国Licel公司生产的TR40-160型模电/光子计数器,是一种专为激光雷达设计的探测计数器。其主要作用是在高重复频率情况下,高时间分辨率和动态范围能够达到最佳状态。能够同时用模拟探测和光子计数的方式记录大气回波信号,实现近场强信号的模拟探测和远场弱信号的光子探测的有效融合,极大的扩展了激光雷达***对微弱信号的提取和大动态范围信号的探测。
信号采集***3各设备之间的相对位置关系如下:
32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32均经路由器34与计算机33相连;32通道光栅光谱仪31,外接光纤29,经光纤29接收荧光信号;Licel瞬态记录仪32与全部光电倍增管28用导线2a3连接;32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32分别经导线2a3与放置在脉冲激光器11前方的光电探测器35连接,且由光电探测器35对脉冲激光进行感应后为32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32提供触发源。
本发明多波段拉曼-荧光激光雷达***工作过程如下:
由脉冲激光器11发射出1064nm、532nm和355nm的激光束;激光束经过扩束准直器12后完成激光光斑的放大和光束的准直;由第一带宽反射镜13a、第二带宽反射镜13b和第三带宽反射镜13c依次对激光束进行反射,最终将激光束从望远镜21的正上方发射至大气。
激光束在大气里传输的过程中,与大气粒子相互作用,其中后向散射的回波信号被大口径望远镜21接收;汇聚后的光信号先经过小孔光阑211;然后被第一凸透镜212转为平行光;平行回波信号通过全反射镜22由垂直方向传输改变为水平方向传输的水平回波光信号;接着,对水平的回波光信号进行分光。水平的回波光信号首先被第一二色镜23a进行分光,大于520nm的波段被透射,小于520nm的波段被反射;第一二色镜23a反射部分的光信号经过第二二色镜23b时,将大于365nm的信号透射,小于365nm的信号进行反射;第二二色镜23b反射的信号再经过第一偏振分光晶体26a后,被分为355nm波段水平和垂直两个偏振方向信号,该水平和垂直两个偏振方向的信号分别通过第一窄带滤光片25a后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28处;第二二色镜23b透射的信号经过第二凸透镜27聚焦后,将精细光纤调整架291上的小孔对准聚焦后的焦点处,让光信号进入光纤29,经光纤29导光后将微弱的大气荧光信号传输至32通道光栅光谱仪31中进行分光探测;第一二色镜23a透射的光信号继续传输至第三二色镜23c处进行分光,大于532nm的波段被透射,反射包括532nm在内的波段;第三二色镜23c反射部分的信号经第二偏振分光晶体26b后被分为水平和垂直方向的偏振组分,然后经过第二窄带滤光片25b后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28;第三二色镜23c透射部分的光信号,经第四二色镜24后,按照1:1的能量比例进行透射和反射。透射部分经第四窄带滤光片25d后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28;反射部分经第三窄带滤光片25c后由第二凸透镜27聚焦至光电倍增管28;经分光,完成了355nm波段垂直和水平偏振信号,532nm波段垂直和水平偏振信号,607nm和660nm的拉曼散射信号以及32通道大气微弱荧光信号的分光探测。
经光电倍增管28将光信号转换成电信号后,355nm波段垂直和水平米散射信号,532nm波段垂直和水平米散射信号,607nm和660nm拉曼散射信号的数据由Licel瞬态记录仪32按照预先设定好的对应通道以及空间和时间分辨率进行采样;微弱大气荧光信号经由32通道光栅光谱仪31按照实验设定的时间分辨率进行采样;最终通过路由器34将32通道光栅光谱仪31和Licel瞬态记录仪32的信号同时传输至计算机33,由计算机完成所有采集数据的存储。其中,Licel瞬态记录仪32和32通道光栅光谱仪31在采集数据时触发源,由放置在脉冲激光器前方的光电探测器35对脉冲激光进行感应后来提供。
使用本发明多波段拉曼-荧光激光雷达***时,操作的步骤如下:
(1)对整个激光雷达***暴露在外的光学镜片进行除尘;
(2)检查各个电源线连接处的电压是否符合仪器各部件的工作电压;
(3)接通电源后,仪器预热20-30分钟,期间检查激光雷达***是否处于正常状态;
(4)打开稳压电源开关,Licel瞬态记录仪32开关,计算机开关,使***设备预热并处于稳定工作的状态;
(5)参考说明书,检查脉冲激光器11电源附带的显示屏处显示的各个参数是否正常,并按照步骤操作脉冲激光器发射激光;
(6)打开计算机33上的数据采集软件,设置相应参数,并开始采集数据。
本发明多波段拉曼-荧光激光雷达的主要***参数如下:
探测波段:355nm,532nm,607nm,660nm以及32通道光波长;
数据采集:同时采集模拟和光子两种信号;
垂直分辨率:3.75米;
时间分辨率:2分钟。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。