阅读说明：本技术 一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统 (Raman-polarization laser radar system for cloud phase detection and identification ) 是由 王玉峰 王晴 华灯鑫 狄慧鸽 闫庆 刘晶晶 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统,其特征在于,包括激光发射模块、第一探测模块及第二探测模块,第一探测模块包括第一接收系统、大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统；第二探测模块包括第二接收系统、大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统,大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统包括一级长短波截止装置和二级偏振装置。通过大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统能实现大气和云中液态水、固态水、水汽混合比、气溶胶荧光信号的同步探测和反演,通过大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统实现紫外波段的偏振探测、可见波段的偏振探测及1064nm大气米-瑞利散射信号的探测。(The invention discloses a Raman-polarization laser radar system for cloud phase detection and identification, which is characterized by comprising a laser emission module, a first detection module and a second detection module, wherein the first detection module comprises a first receiving system and an atmospheric three-phase water synchronous detection Raman laser radar subsystem; the second detection module comprises a second receiving system, an atmospheric aerosol and a cloud detection polarization laser radar subsystem, wherein the atmospheric aerosol and the cloud detection polarization laser radar subsystem comprise a primary long and short wave cut-off device and a secondary polarization device. The Raman laser radar subsystem can realize synchronous detection and inversion of liquid water, solid water, water-vapor mixing ratio and aerosol fluorescent signals in atmosphere and cloud through the atmosphere three-phase water synchronous detection, and realize polarization detection of an ultraviolet band, polarization detection of a visible band and detection of a 1064nm atmosphere meter-Rayleigh scattering signal through the atmosphere aerosol and cloud detection polarization laser radar subsystem.)

一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统

技术领域

本发明属于雷达探测系统技术领域，涉及一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统。

背景技术

云既是全球气候变化最重要的因素，也是各种大气模型中最不确定的因素。云的形成和降水对人类的生活影响具有非常深刻的影响，云相态的探测和识别对于云物理学、大气辐射传输以及气象气候研究有着非常重要的科学意义。水作为唯一具有相态变化的物质，云中三相态水含量的测量及其相互转化和演变过程对于云相态的研究极其关键。

激光雷达作为主动探测技术，相较于其他大气探测手段，具有高时空分辨率的优点，已广泛用于大气参量的测量。目前，偏振激光雷达被应用于云相态的判别及气溶胶粒子的探测。但是，由于大气因素、系统元件、通道之间的光耦合效应等的共同作用，目前仅利用偏振激光雷达技术难以准确判断云相态。

发明内容

本发明的目的是提供一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统，解决了现有技术中存在的难以准确判断云相态的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射模块、第一探测模块及第二探测模块，第一探测模块包括第一接收系统、大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统；第二探测模块包括第二接收系统、大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统，大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统包括一级长短波截止装置和二级偏振装置。

本发明的特点还在于：

激光发射模块包括激光器、反射镜，激光器产生的激光经反射镜进入大气。

第一接收系统包括第一望远镜、光纤、准直透镜L₀，第一望远镜接收的大气后散射回波信号经过光纤耦合后，由准直透镜L₀输出为平行光，最后进入大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统。

大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统包括二向色镜DM₁，二向色镜DM₁反射光路上依次设置有滤光片IF₁、准直透镜L₁、第一光电转换装置，形成第一通道；二向色镜DM₁透射光路上设置有二向色镜DM₂，二向色镜DM₂反射光路上依次设置有滤光片IF₂、准直透镜L₂、第二光电转换装置，形成第二通道；二向色镜DM₂透射光路上设置有分束镜BS₁，分束镜BS₁反射光路上依次设置有第一滤光片、准直透镜L₃、第三光电转换装置，形成第三通道，第一滤光片包括滤光片IF₃和滤光片IF₄；分束镜BS₁透射光路上依次设置有第二滤光片、准直透镜L₄、第四光电转换装置，形成第四通道，第二滤光片包括滤光片IF₅和滤光片IF₆。

第一通道为米-瑞利散射通道A，第二通道为氮气拉曼散射通道，第三通道为固态水拉曼散射和液态水拉曼散射通道，第四通道为水汽拉曼散射和荧光回波信号通道；滤光片IF₃和滤光片IF₄安装于电动转轮上，滤光片IF₃、滤光片IF₄的间隔时间为5min；滤光片IF₅和滤光片IF₆安装于电动转轮上，滤光片IF₅和滤光片IF₆的间隔时间为5min；滤光片IF₃中心波长为400.0nm，带宽为5.0nm，峰值透过率为50％；滤光片IF₄中心波长为403.5nm，带宽为5.0nm，峰值透过率为80％；滤光片IF₅中心波长为407.6nm，带宽为1.0nm；滤光片IF₆中心波长为430nm，带宽为25nm。

第二接收系统包括第二望远镜、准直透镜L₁₀，第二望远镜接收的大气后散射回波信号经过空间耦合后，由准直透镜L₀输出为平行光，最后进入大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统。

一级长短波截止装置包括二向色镜DM₃，二向色镜DM₃的透射光路上设置有二向色镜DM₄；二级偏振装置包括紫外偏振单元和可见偏振单元，紫外偏振单元位于二向色镜DM₃的反射光路上，可见偏振单元位于二向色镜DM₄的透射光路和反射光路上。

紫外偏振单元包括偏振分光棱镜PBS₁，偏振分光棱镜PBS₁的平行偏振通道上依次设置有滤光片IF₇、准直透镜L₅、第五光电转换装置，形成第五通道；偏振分光棱镜PBS₁的垂直偏振通道上依次设置有滤光片IF₈、准直透镜L₆、第六光电转换装置，形成第六通道。

可见偏振单元包括在二向色镜DM₄透射光路上依次设置的滤光片IF₁₁(30)、准直透镜L₉、第七光电转换装置，形成第九通道；还包括有位于二向色镜DM₄反射光路上的偏振分光棱镜PBS₂，偏振分光棱镜PBS₂的平行偏振通道上依次设置有滤光片IF₉、准直透镜L₇、第八光电转换装置，形成第七通道；偏振分光棱镜PBS₂的垂直偏振通道上依次设置有滤光片IF₁₀、准直透镜L₈、第九光电转换装置，形成第八通道。

第五通道、第六通道为紫外波段的偏振通道；第七通道、第八通道为可见波段的偏振通道，第九通道为米-瑞利散射通道B；第七光电转换装置为光电探测器件APD。

本发明的有益效果是：本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统，由激光器发出的多波长激光与大气相互作用，产生的大气后向散射回波信号分别耦合至大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统和大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统，共分为9个探测通道，实现11种大气回波信号的同步探测；通过大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统能实现大气和云中液态水、固态水、水汽混合比、气溶胶荧光信号的同步探测和反演，通过大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统实现紫外波段的偏振探测、可见波段的偏振探测及1064nm大气米-瑞利散射信号的探测；能获得对云结构参量和云光学参量的探测与反演，包含云积分后向散射比、云积分退偏振比以及退偏比等多参量的同步信息；获得同步的云中三相态水和云中散射比和退偏信息等多信息的探测和反演，联合分析能实现对云相态的综合探测和识别，提高云相态识别的准确性；能同时实现大气三相态水廓线探测以及对大气气溶胶的探测与分析，不仅在大气气溶胶研究领域有广泛应用，同时为云降水物理、人工影响天气等研究提供技术支持和数据保障。

附图说明

图1是本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统的结构示意图；

图2a是本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统中大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统的探测结果图；

图2b是本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统中大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统的探测结果图。

图中，1.第一望远镜，2.光纤，3.准直透镜L₀，4.二向色镜DM₁，5.滤光片IF₁，6.准直透镜L₁，7.第一光电转换装置，8.二向色镜DM₂，9.滤光片IF₂，10.准直透镜L₂，11.第二光电转换装置，12.分束镜BS₁，13.第一滤光，14.准直透镜L₃，15.第三光电转换装置，16.第二滤光片，17.准直透镜L₄，18.第四光电转换装置，19.第二望远镜，20.准直透镜L₁₀，21.二向色镜DM₃，22.二向色镜DM₄，23.偏振分光棱镜PBS₁，24.滤光片IF₇，25.准直透镜L₅，26.第五光电转换装置，27.滤光片IF₈，28.准直透镜L₆，29.第六光电转换装置，30.滤光片IF₁₁，31.准直透镜L₉，32.第七光电转换装置，33.偏振分光棱镜PBS₂，34.滤光片IF₉，35.准直透镜L₇，36.第八光电转换装置，37.滤光片IF₁₀，38.准直透镜L₈，39.第九光电转换装置，40.激光器，41.反射镜。

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。

本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统，如图1所示，包括激光发射模块、第一探测模块及第二探测模块，第一探测模块包括第一接收系统、大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统，第二探测模块包括第二接收系统、大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统，大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统包括一级长短波截止装置和二级偏振装置。

激光发射模块包括激光器40、反射镜41，激光器40产生的激光经反射镜41进入大气。

本实施例中，激光器40为Nd:YAG激光器，激光器40产生波长为1064nm、532nm、355nm的激光。

第一接收系统包括第一望远镜1、光纤2、准直透镜L₀3，第一望远镜1接收的大气后散射回波信号经过光纤2耦合后，由准直透镜L₀3输出为平行光，最后进入大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统。

第一望远镜1为直径600mm的牛顿式望远镜，准直透镜L₀3的焦距为50mm。

大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统包括二向色镜DM₁4，二向色镜DM₁4反射光路上依次设置有滤光片IF₁5、准直透镜L₁6、第一光电转换装置7，形成第一通道，第一通道为米-瑞利散射通道A；二向色镜DM₁4透射光路上设置有二向色镜DM₂8，二向色镜DM₂8反射光路上依次设置有滤光片IF₂9、准直透镜L₂10、第二光电转换装置11，形成第二通道，第二通道为氮气拉曼散射通道；二向色镜DM₂8透射光路上设置有分束镜BS₁12，分束镜BS₁12反射光路上依次设置有第一滤光片13、准直透镜L₃14、第三光电转换装置15，形成第三通道，第一滤光片13包括滤光片IF₃和滤光片IF₄，第三通道为固态水拉曼散射和液态水拉曼散射通道，第三通道中滤光片IF₃和滤光片IF₄采用电动转轮控制，实现对固态水拉曼散射回波信号和液态水拉曼散射回波信号的分时探测，时间间隔为5分钟。能提高系统对三相态水拉曼通道的探测信噪比。分束镜BS₁12透射光路上依次设置有第二滤光片16、准直透镜L₄17、第四光电转换装置18，形成第四通道，第二滤光片16包括滤光片IF₅和滤光片IF₆，第四通道为水汽拉曼散射和荧光回波信号通道，第四通道中滤光片IF₅和滤光片IF₆采用电动转轮控制，实现大气水汽拉曼散射信号和大气气溶胶荧光光谱信号的分时探测，时间间隔为5分钟，能实现对大气气溶胶荧光效应的同步监测，对大气三相态水尤其是云中相态水的精确反演具有校正作用。

二向色镜DM₁4、二向色镜DM₂8、分束镜BS₁12均为45度入射。二向色镜DM₁4的截止波长为365nm，对波长小于365nm的光具有极高的反射率(>99％)，对波长大于380nm的光具有很高的透射率(>90％)，抑制率达到10⁵以上。滤光片IF₁5中心波长为354.7nm，带宽为0.5nm。二向色镜DM₂8的截止波长为395nm，波长小于390nm的光具有极高的反射率(>99％)，对波长大于395nm的光具有很高的透射率(>90％)，抑制率达到10⁵以上，滤光片IF₂9中心波长为386.7nm，带宽为0.5nm。分束镜BS₁12为紫外-可见镀膜，反射和透射比为50％：50％，滤光片IF₃中心波长为400.0nm，带宽为5.0nm，峰值透过率为50％；滤光片IF₄中心波长为403.5nm，带宽为5.0nm，峰值透过率为80％；滤光片IF₅中心波长为407.6nm，带宽为1.0nm，峰值透过率为85％；滤光片IF₆中心波长为430nm，带宽为25nm，峰值透过率为90％。第一光电转换装置7、第二光电转换装置11、第三光电转换装置15及第四光电转换装置18为光电倍增管PMT。

第二接收系统包括第二望远镜19、准直透镜L₁₀20，第二望远镜19接收的大气后散射回波信号经过空间耦合后，由准直透镜L₀3输出为平行光，最后进入大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统。本实施例中，第二望远镜19为直径200mm的卡塞格林望远镜。

一级长短波截止装置包括二向色镜DM₃21，二向色镜DM₃21的透射光路上设置有二向色镜DM₄22；二级偏振装置包括紫外偏振单元和可见偏振单元，紫外偏振单元位于二向色镜DM₃21的反射光路上，可见偏振单元位于二向色镜DM₄22的透射光路和反射光路上。二向色镜DM₃21的截止波长为484nm，光谱范围大于484nm的光信号高效率透射，透射率达到98％，对波长小于480nm以下的光谱信号具有高反射率，反射率也达到98％，抑制率达到10⁵以上。二向色镜DM₄22的截止波长为560nm，波长小于560nm的光谱信号将被高效率反射，波长大于560nm的光谱信号将被高效率透射，反射率和透射率均为99％和98％。

紫外偏振单元包括偏振分光棱镜PBS₁23，偏振分光棱镜PBS₁23的平行偏振通道上依次设置有滤光片IF₇24、准直透镜L₅25、第五光电转换装置26，形成第五通道；偏振分光棱镜PBS₁23的垂直偏振通道上依次设置有滤光片IF₈27、准直透镜L₆28、第六光电转换装置29，形成第六通道。分束镜BS₁12的波长为355nm，滤光片IF₇24、滤光片IF₈27的中心波长为354.78nm，带宽为0.5nm，提取波长为355nm的平行和垂直偏振大气回波信号。第五光电转换装置26、第六光电转换装置29为光电倍增管PMT，第五通道、第六通道为紫外波段的偏振通道。

可见偏振单元包括在二向色镜DM₄22透射光路上依次设置的滤光片IF₁₁30、准直透镜L₉31、第七光电转换装置32，形成第九通道，第九通道为米-瑞利散射通道B；还包括有位于二向色镜DM₄22反射光路上的偏振分光棱镜PBS₂33，偏振分光棱镜PBS₂33的平行偏振通道上依次设置有滤光片IF₉34、准直透镜L₇35、第八光电转换装置36，形成第七通道；偏振分光棱镜PBS₂33的垂直偏振通道上依次设置有滤光片IF₁₀37、准直透镜L₈38、第九光电转换装置39，形成第八通道，第七通道、第八通道为可见波段的偏振通道。

偏振分光棱镜PBS₂33的波长为532nm，滤光片IF₉34、滤光片IF₁₀37的中心波长为532.1nm，带宽为0.5nm，提取中心波长为532nm的平行和垂直偏振大气回波信号；滤光片IF₁₁30的中心波长为1064.1nm，带宽为0.5nm；第七光电转换装置32为光电探测器件APD，第八光电转换装置36、第九光电转换装置39为光电倍增管PMT，光电倍增管PMT的型号为R7056。

本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统的工作原理如下：

由激光器40产生的1064nm、532nm和355nm的激光经高阈值激光反射镜41进入大气，大气后向散射回波信号分别由第一望远镜1和第二望远镜19接收后，分别耦合至大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统、大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统，共分为9个探测通道，实现11种大气回波信号的同步探测。

由第一望远镜1接收的大气后向散射回波信号，先经光纤2耦合，并由准直透镜L0输出为平行光，进入大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统；大气回波信号首先被二向色镜DM₁4分离为反射、透射两部分，二向色镜DM₁4的反射光经窄带宽滤光片IF₁5，提取中心波长为354.7nm的大气米-瑞利散射信号，再经过第一光电转换装置7进行光电转换和采集；二向色镜DM₁4透射光经二向色镜DM₂8后，被分离为反射、透射两部分，二向色镜DM₂8反射光经窄带宽滤光片IF₂9，提取中心波长为386.7nm的氮气拉曼散射信号，再通过第二光电转换装置11进行光电转换和采集；经过二向色镜DM₂8的透射光，主要包含光谱范围大于395nm的大气固态水、液态水及水汽的拉曼散射回波信号；经过分束镜BS₁12后被分为两部分，分束镜BS₁12的反射光通过滤光片IF₃和滤光片IF₄，滤光片IF₃提取中心波长为400.0nm的固态水拉曼回波信号，滤光片IF₄提取中心波长为403.5nm的液态水拉曼回波信号，然后通过第三光电转换装置15进行光电转换和采集；分束镜BS₁12的透射光通过滤光片IF₅和滤光片IF₆，滤光片IF₅提取中心波长为407.6nm的水汽拉曼回波信号，滤光片IF₆提取中心波长为430nm的气溶胶荧光信号，然后通过第四光电转换装置18进行光电转换和采集。

由第二望远镜19接收的大气后向散射回波信号，通过空间光耦合至大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统；大气回波信号首先被二向色镜DM₃21分离为反射、透射两部分，二向色镜DM₃21的反射光经过偏振分光棱镜PBS₁23形成平行偏振通道和垂直偏振通道，再分别由滤光片IF₇24、滤光片IF₈27进行滤波，提取中心波长354.78nm的平行和垂直紫外波段偏振信号，然后分别通过第五光电转换装置26、第六光电转换装置29进行光电转换和采集；二向色镜DM₃21的透射光经二向色镜DM₄22后分离为反射、透射两部分，二向色镜DM₄22的反射光经过偏振分光棱镜PBS₂33形成平行偏振通道和垂直偏振通道，再分别由滤光片IF₉34、滤光片IF₁₀37进行滤波，提取中心波长为532nm的平行和垂直可见波段偏振信号，然后分别通过第八光电转换装置36、第九光电转换装置39进行光电转换和采集；二向色镜DM₄22的透射光，由滤光片IF₁₁30进行滤波，提取中心波长为1064nm大气米-瑞利散射信号，然后通过第七光电转换装置32进行光电转换和采集。

图2为利用本发明的云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统探测11通道大气回波信号的结果示例。图2a为大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统获得的大气回波信号距离校正平方信号结果，分别为米-瑞利散射、氮气拉曼散射、水汽拉曼散射、液态水拉曼散射、固态水拉曼散射及荧光回波信号，获得了对3.5km高度以上的云层的有效探测。在该云层内，大气三相态水回波信号出现了明显的同步增长，同时，也监测到了云层内显著的气溶胶荧光效应。图2b为大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统的5个通道大气回波信号距离校正平方信号结果，分别为1064nm的米-瑞利散射信号，532nm平行和垂直偏振回波信号以及355nm平行和垂直偏振回波信号，也实现了3.5km高度处云层的探测，探测距离达到5km以上。通过上述同步的大气回波信号，可进行云结构参量、云光学参量和云中三相态水混合比的同步精确反演，实现对云相态的识别探测研究。

通过以上方式，本发明一种云相态探测和识别的拉曼-偏振激光雷达系统，由激光器发出的多波长激光与大气相互作用，产生的后向散射回波信号分别耦合至大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统、大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统，共分为9个探测通道，实现11种大气回波信号的同步探测；通过大气三相态水同步探测拉曼激光雷达子系统能实现大气和云中液态水、固态水、水汽混合、气溶胶荧光信号的同步探测和反演，通过大气气溶胶和云探测偏振激光雷达子系统实现紫外波段的偏振探测、可见波段的偏振探测及1064nm大气米-瑞利散射信号的探测，能获得对云结构参量和云光学参量的探测与反演，包含云积分后向散射比、云积分退偏振比以及退偏比等多参量的同步信息；获得同步的云中三相态水和云积分散射比、退偏信息等多信息的探测和反演，联合分析能实现对云相态的综合探测和识别，提高云相态识别的准确性；能同时实现大气三相态水廓线探测以及对大气气溶胶的探测与分析，不仅在大气气溶胶研究领域有广泛应用，同时为云降水物理、人工影响天气等研究提供技术支持和数据保障。