CN112904308B - 探测云相态及云水含量的激光雷达***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的探测云相态及云水含量的激光雷达***，包括激光发射***、接收***、偏振和光谱分析***和数据采集处理器。本发明的探测方法包括：1、探测得到四路大气后向散射回波信号功率，2、计算得到拉曼法反演消光系数和大气后向散射圆退偏比，3、计算云层的积分后向散射系数和积分退偏比，4、判断云层状况并分别计算云水含量和冰水含量。本发明根据退偏比数值和消光系数数值对云相态进行识别，实现了云相态的高精度识别和云水含量的高精度评估。

Description

探测云相态及云水含量的激光雷达***及方法
技术领域
本发明属于大气探测技术领域，涉及一种探测云相态及云水含量的激光雷达***，本发明还涉及利用该激光雷达***探测云相态及云水含量的方法。
背景技术
云是影响气候变化最为重要的因子之一，云对地气***的辐射收支、能量平衡及水循环都有重要作用。云有三种不同的相态，不同的云相态具有不同的吸收散射特性，云相态的识别与探测始终是云物理研究的核心问题。云的辐射效应取决于云相态的垂直结构和微物理参数，分析云的宏微观垂直结构特征和时空变化对全球气候变化研究有重要的意义。对人工影响天气来说，云是人工影响天气催化作业的对象，获取云的垂直结构和云水含量垂直分布特征对准确识别作业条件与科学实施催化作业十分重要。
激光雷达是一种主动遥感仪器，具有探测范围广和高时空分辨率的优点，在云的探测中具有特殊的优势。现有的传统偏振激光雷达***在识别云相态方面具有较大的不确定度，尽管也有研究学者采用添加拉曼通道的方法来辅助识别云相态进而获取云水含量，但是由于探测性能受到很大的影响，并不具有实用性。毫米波雷达也可以实现云的探测，但是由于其波长较长，无法观测到小粒子和形成初期的云。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测云相态及云水含量的激光雷达***，根据退偏比数值和消光系数数值对云相态进行识别，实现了云相态的高精度识别和云水含量的高精度评估。
本发明的另一目的是提供利用上述激光雷达***探测云相态及云水含量的方法。
本发明所采用的技术方案是，探测云相态及云水含量的激光雷达***，包括激光发射***、接收***、偏振和光谱分析***和数据采集处理器。
接收***为望远镜。
激光发射***包括激光器及激光器出射光路上设置的第一玻片，激光器的光轴与望远镜的光轴平行，第一/>玻片的方位角与激光器发出水平振动偏振光的夹角为45度。
根据权利要求3探测云相态及云水含量的激光雷达***，其特征在于，激光器采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm。
偏振和光谱分析***包括依次设置在望远镜光路上的准直镜和第一分色镜，第一分色镜的反射光路上设置有第二分色镜，第二分色镜的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片、第一汇聚镜和第一探测器，第二分色镜的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片、第二汇聚镜和第二探测器；第一分色镜的透射光路上依次设置有第二玻片和偏振分光镜，偏振分光镜的反射光路上设置有第三窄带滤光片、第三汇聚镜和第三探测器，偏振分光镜的透射光路上设置有第四窄带滤光片、第四汇聚镜和第四探测器；第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器均与数据采集处理器信号连接。
准直镜为口径25.4mm，焦距为75mm的非球面镜；第一分色镜分离355nm、387nm和1064nm；第二分色镜以387nm和355nm分色；第一窄带滤光片带宽为0.5nm，中心波长为355nm；第一汇聚镜优选口径为25.4mm、焦距为50mm；第二窄带滤光片的带宽为0.5nm，中心波长为387nm；第三窄带滤光片的带宽为1nm，中心波长为1064nm；第四窄带滤波片的带宽为1nm，中心波长为1064nm。
本发明所采用的另一技术方案是，探测云相态及云水含量的方法，
步骤1.利用激光雷达***探测得到四路大气后向散射回波信号功率，第一探测器探测到355nm的后向功率为P1，第二探测器12探测到387nm信号的后向功率为P2，第三探测器探测到的1064nm信号的后向功率为P3，第四探测器20探测到的1064nm信号的后向功率为P4；
步骤2.将步骤1得到的回波信号功率P1和P2代入公式(1)，计算得到被探测大气中的355nm的拉曼法反演消光系数α(λ355,r)：
根据公式(2)计算得到大气后向散射系数β(λ355,r)
将步骤1得到的回波信号功率P3和P4，代入公式(3)计算得到大气后向散射圆退偏比δcirc；
根据圆退偏比来计算得到线退偏比
步骤3.计算云层的积分后向散射系数β’和积分退偏比δ’
步骤4.水云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而减小，呈明显的负相关性；冰云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而增加，呈现正相关性，根据后向散射系数的变化情况来判断所探测云层为水云或冰云；
如果为水云，则根据拉曼法反演消光系数α和退偏比δ’来判断云水含量LWC，按照如下式计算：
如果为冰云，则根据拉曼法反演消光系数α和公式(7)推算得出有效半径Re，进而按照如下公式(9)计算得出冰云中的冰水含量，
本发明的通过观测***和独立的算法，大大提高了对云相态和云水含量的识别和评估精度。
附图说明
图1是本发明探测云相态及云水含量的激光雷达***的结构示意图。
图中，1.激光器，2.第一玻片，3.望远镜，4.准直镜，5.第一分色镜，6.第二分色镜，7.第一窄带滤光片，8.第一汇聚镜，9.第一探测器，10.第二窄带滤光片，11.第二汇聚镜，12.第二探测器，13.第二/>玻片，14.偏振分光镜，15.第三窄带滤光片，16.第三汇聚镜，17.第三探测器，18.第四窄带滤光片，19.第四汇聚镜，20.第四探测器，21.数据采集处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的探测云相态及云水含量的激光雷达***，包括激光发射***、接收***、偏振和光谱分析***和数据采集处理器21。
接收***为望远镜3。
激光发射***包括激光器1及激光器1出射光路上设置的第一玻片2，激光器1的光轴与望远镜3的光轴平行，第一/>玻片2的方位角与激光器1发出水平振动偏振光的夹角为45度。
激光器1采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm。
偏振和光谱分析***包括依次设置在望远镜3光路上的准直镜4和第一分色镜5，第一分色镜5的反射光路上设置有第二分色镜6，第二分色镜6的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片7、第一汇聚镜8和第一探测器9，第二分色镜6的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片10、第二汇聚镜11和第二探测器12；第一分色镜5的透射光路上依次设置有第二玻片13和偏振分光镜14，所述偏振分光镜14的反射光路上设置有第三窄带滤光片15、第三汇聚镜16和第三探测器17，偏振分光镜14的透射光路上设置有第四窄带滤光片18、第四汇聚镜19和第四探测器20；第一光电探测器9、第二光电探测器12、第三光电探测器17和第四光电探测器20均与数据采集处理器21信号连接。
准直镜4为口径25.4mm，焦距为75mm的非球面镜；第一分色镜5分离355nm、387nm和1064nm；第二分色镜6以387nm和355nm分色；第一窄带滤光片7带宽为0.5nm，中心波长为355nm；第一汇聚镜8优选口径为25.4mm、焦距为50mm；第二窄带滤光片10的带宽为0.5nm，中心波长为387nm；第三窄带滤光片15的带宽为1nm，中心波长为1064nm；第四窄带滤波片18的带宽为1nm，中心波长为1064nm。
本发明的利用激光雷达***探测云相态及云水含量的方法，包括：
步骤1.利用激光雷达***探测得到四路大气后向散射回波信号功率，第一探测器9探测到355nm的后向功率为P1，第二探测器12探测到387nm信号的后向功率为P2，第三探测器17探测到的1064nm信号的后向功率为P3，第四探测器20探测到的1064nm信号的后向功率为P4；
步骤2.将步骤1得到的回波信号功率P1和P2代入公式(1)，计算得到被探测大气中的355nm的拉曼法反演消光系数α(λ355,r)：
根据公式(2)计算得到大气后向散射系数β(λ355,r)
将步骤1得到的回波信号功率P3和P4，代入公式(3)计算得到大气后向散射圆退偏比δcirc；
根据圆退偏比来计算得到线退偏比
步骤3.计算云层的积分后向散射系数β’和积分退偏比δ’
步骤4.水云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而减小，呈明显的负相关性；冰云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而增加，呈现正相关性，根据后向散射系数的变化情况来判断所探测云层为水云或冰云；
如果为水云，则根据拉曼法反演消光系数α和退偏比δ’来判断云水含量LWC，按照如下式计算：
如果为冰云，则根据拉曼法反演消光系数α和公式(7)推算得出有效半径Re，进而按照如下公式(9)计算得出冰云中的冰水含量，
本发明的具体实施方式为：
用于检测云相态和评估云水含量的偏振-拉曼激光雷达***中激光器1采用Nd:YAG脉冲激光器，选择波长为355nm和1064nm，例如美国Continuum公司的Nd:YAG型sureliteIII脉冲激光器，单脉冲能量1J@1064nm，300mJ@355nm，重复频率10Hz，脉冲宽度4～6nsec。该激光器1发出水平振动的偏振光。
激光器1发射的激光进入第一玻片2，第一/>玻片2选取Thorlabs公司的0级玻片。
望远镜3为对称型反射式望远镜，如美国meade公司生产的400mm施密特-卡塞格林望远镜。
望远镜3用于接收激光器1发射出激光经大气散射后的散射光，并将其汇聚后发出。
望远镜3发出光通过准直镜4，准直镜4将汇聚光束转变为准平行光束射入第一分色镜5，第一分色镜5将波长小于400nm和大于400nm的光波分开，其中反射的小于400nm的光波射入第二分色镜6，第二分色镜6将波长为387nm和355nm的光波分开，其中反射的355nm的光波经过第一窄带滤光片7，窄带滤光片7的带宽为0.5nm，窄带滤光片7会滤除这个波段外的背景光，然后进入第一汇聚镜8，第一汇聚镜8将355nm波长的光汇聚到第一探测器9的焦面上，第一探测器9选用滨松公司的PMT探测，型号为R6358-10。
第二分色镜6的透射光通过第二窄带滤光片10，第二窄带滤光片10的中心波长为387nm、带宽为0.5nm，第二窄带滤光片10会滤除该波段外的背景光后进入第二汇聚镜11，第二汇聚镜11将387nm波长的光汇聚到第二探测器12的光敏面上。
第一分色镜5的透射光进入第二玻片13，该玻片45度放置，将回波信号偏振分量转换为后面光路可探测的量，第二/>玻片13选取Thorlabs公司的0级玻片，后进入偏振分光镜14，偏振分光镜14将回波的偏振分量p光和s光分离。
偏振分光镜14的反射光经过第三窄带滤光片15，第三窄带滤光片15的中心波长为1064nm、带宽为1nm，第三窄带滤光片15滤除1064nm以外的太阳背景光，进入第三汇聚镜16，第三汇聚镜16将反射光束汇聚到第三探测器17的光敏面上，第三探测器17选用滨松公司Si:APD探测器，型号为S115119-30。
偏振分光镜14的透射光经过第四窄带滤光片18，第四窄带滤光片18的中心波长为1064nm、带宽为1nm，第四窄带滤光片18滤除1064nm以外的太阳背景光，进入第四汇聚镜19，第四汇聚镜19将反射光束汇聚到第四探测器20的光敏面上，第四探测器20选用滨松公司Si:APD探测器，型号为S115119-30。
第一光电探测器9、第二光电探测器12、第三光电探测器17和第四光电探测器20均将数据发送至数据采集处理器21。数据采集处理器21为NI公司的数据采集卡。

Claims (1)

1.探测云相态及云水含量的激光雷达***的使用方法，采用一种探测云相态及云水含量的激光雷达***来实现，具体结构为：包括激光发射***、接收***、偏振和光谱分析***和数据采集处理器(21)，所述的接收***为望远镜(3)，所述的激光发射***包括激光器(1)及所述激光器(1)出射光路上设置的第一玻片(2)，所述激光器(1)的光轴与望远镜(3)的光轴平行，所述第一/>玻片(2)的方位角与所述激光器(1)发出水平振动偏振光的夹角为45度，所述的激光器(1)采用Nd:YAG脉冲激光器，发射的激光波长为355nm和1064nm，所述的偏振和光谱分析***包括依次设置在所述望远镜(3)光路上的准直镜(4)和第一分色镜(5)，所述第一分色镜(5)的反射光路上设置有第二分色镜(6)，所述第二分色镜(6)的反射光路上依次设置有第一窄带滤光片(7)、第一汇聚镜(8)和第一探测器(9)，所述第二分色镜(6)的透射光路上依次设置有第二窄带滤光片(10)、第二汇聚镜(11)和第二探测器(12)；所述第一分色镜(5)的透射光路上依次设置有第二/>玻片(13)和偏振分光镜(14)，所述偏振分光镜(14)的反射光路上设置有第三窄带滤光片(15)、第三汇聚镜(16)和第三探测器(17)，所述偏振分光镜(14)的透射光路上设置有第四窄带滤光片(18)、第四汇聚镜(19)和第四探测器(20)；所述第一探测器(9)、第二探测器(12)、第三探测器(17)和第四探测器(20)均与数据采集处理器(21)信号连接，所述的准直镜(4)为口径25.4mm，焦距为75mm的非球面镜；所述的第一分色镜(5)分离355nm、387nm和1064nm；所述的第二分色镜(6)以387nm和355nm分色；所述的第一窄带滤光片(7)带宽为0.5nm，中心波长为355nm；所述的第一汇聚镜(8)口径为25.4mm、焦距为50mm；所述的第二窄带滤光片(10)的带宽为0.5nm，中心波长为387nm；所述的第三窄带滤光片(15)的带宽为1nm，中心波长为1064nm；所述的第四窄带滤波片(18)的带宽为1nm，中心波长为1064nm，其特征在于，按以下步骤实施：
步骤1.利用激光雷达***探测得到四路大气后向散射回波信号功率，第一探测器(9)探测到355nm的后向功率为P1，第二探测器(12)探测到387nm信号的后向功率为P2，第三探测器(17)探测到的1064nm信号的后向功率为P3，第四探测器(20)探测到的1064nm信号的后向功率为P4；
步骤2.将步骤1得到的回波信号功率P1和P2代入公式(1)，计算得到被探测大气中的355nm的拉曼法反演消光系数α(λ355,r)：
根据公式(2)计算得到大气后向散射系数β(λ355,r)
将步骤1得到的回波信号功率P3和P4，代入公式(3)计算得到大气后向散射圆退偏比δcirc；
根据圆退偏比来计算得到线退偏比
步骤3.计算云层的积分后向散射系数β′和积分退偏比δ′
步骤4.水云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而减小，呈明显的负相关性；冰云的云积分后向散射系数随着云积分退偏比的增加而增加，呈现正相关性，根据后向散射系数的变化情况来判断所探测云层为水云或冰云；
如果为水云，则根据拉曼法反演消光系数α和退偏比δ′来判断云水含量LWC，按照如下式计算：
如果为冰云，则根据拉曼法反演消光系数α和公式(7)推算得出有效半径Re，进而按照如下公式(9)计算得出冰云中的冰水含量。
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