专利名称：基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种云中水拉曼散射全光谱测量系统，更具体的说，涉及一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统及其测量方法。
背景技术：
激光雷达和光谱技术在大气科学领域有着越来越广泛的应用。目前为止，云的宏观观测技术已经比较成熟，有人工观测、云高仪、全天空成像仪、天气雷达、卫星遥感等多种手段。但是，对于云微物理特性的观测方法还比较少，就对其进行连续观测而言，目前毫米波雷达是被公认的一种有效的探测设备。但是，与毫米波雷达相比，激光雷达在空间分辨 率、作用方式方面更具有优势，并且激光雷达各项技术比较成熟，系统简单，运行维护成本低廉，在应用推广上具有一定的优势。已研制出的用于云中不同相态水观测的激光雷达，包括偏振激光雷达、水汽差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等。其中，偏振激光雷达仅仅是定性的描述云中水的相态，要准确的获取云中的不同相态水含量需要用到水的拉曼散射光谱知识。此外，与水汽差分吸收激光雷达相比，拉曼激光雷达在系统复杂性、造价等方面均具有优势。目前国内已有的拉曼激光雷达主要测量大气里面的水汽含量，而在云体内部，水的存在相态以固态水和液态水为主。到目前为止，尚未有以云中固、液态水为探测对象的激光雷达系统。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种以云中固态水和液态水为探测对象的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统。同时，本发明还提供一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法。为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，包括激光发射装置、激光接收装置、光谱分辨装置、光电探测装置和数据采集装置，所述激光发射装置设置于被测云的下方，包括激光器、扩束器和反射镜，所述激光器、所述扩束器和所述反射镜的中心设置在同一条直线上，所述激光器发射出的激光脉冲进入到所述扩束器的入口，所述扩束器将激光脉冲发射到所述反射镜，所述反射镜将所述激光脉冲垂直发射至空中，并打在被测云体上；所述激光接收装置为望远镜，收集被测云体反射的回波信号，并将回波信号发送至所述光谱分辨装置；所述光谱分辨装置包括光纤、非球面镜、宽带滤光片、光栅光谱仪和旋转平台，所述光纤的出口、所述非球面镜、所述宽带滤光片和所述光栅光谱仪的中心设置在同一直线上，所述光纤的入口接收所述望远镜输出的回波信号，所述回波信号依次通过所述光纤、所述非球面镜、所述宽带滤光片和所述光栅光谱仪后，传递到所述光电探测装置；
所述光电探测装置包括光电倍增管，其输入端与所述光栅光谱仪通过信号连通，当所述光栅光谱仪处于打开状态时，接收所述光栅光谱仪发送的光谱信号并将信号转发至所述数据采集装置；所述数据采集装置包括光子计数卡和计算机，所述光子计数卡的输入端与所述光电倍增管的输出端信号连接，接收所述光电倍增管的信号进行采样和计数，并将数据传送到所述计算机。本发明技术方案的进一步限定为，所述系统还包括双脉冲触发装置，所述双脉冲触发装置包括感应触发模块、单片机和门控装置，所述感应触发模块设置于所述激光器的激光发射范围内，与所述单片机连接，传送电信号到所述单片机；所述单片机的输出端与所述光子计数卡连接，传递双脉冲触发信号到所述光子计数卡，控制所述光子计数卡的打开与闭合；所述单片机通过所述门控装置与所述光电倍增管连接，传递门控信号到所述光电倍增管，控制所述光电倍增管的打开与闭合。单片机15为AM89系列的单片机，优选型号为AT89S52 或 AT89LS52。·
进一步地，所述光谱分辨装置还包括旋转平台，所述光栅光谱仪固定设置于所述旋转平台上。进一步地，所述光栅光谱仪采用平面反射光栅，所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)确定
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d-cos^ (3)δ Θ =D θ · δ λ (4)(5)其中d是光栅常数；Ν是每毫米光栅的刻槽数，单位为毫米；λ为选定的基准波长，单位为毫米；Θ为一级谱线的衍射角，单位为度；k为光谱级别；D(5为光栅的角色散本领，单位为度；δ Θ为相邻谱线角间隔，单位为度；δ λ为相邻谱线波长差,单位为毫米；Δ Θ为谱线的半角宽度，单位为度。进一步地，所述激光器为Nd:YAG激光器。进一步地，所述宽带滤光片的中心波长为405nm,通带带宽为40nm。进一步地，所述光子计数卡的时间分辨率为100ns，距离分辨率为15m，最大计数率 200MHz。本发明公开的另一技术方案为基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法，其特征在于，按照如下步骤进行(-)激光器发射激光脉冲，经扩束器对激光进行扩展和准直后，通过反射镜使得激光脉冲光束垂直射入空中，并打在待测云体上；(二)位于激光器附近的感应触发模块感应到激光后，传递信号到单片机，单片机15为AM89系列的单片机，优选型号为AT89S52或AT89LS52 ;单片机下发门控信号和双脉冲触发信号，所述门控信号在激光发出后拉曼散射信号到达前使光电倍增管开门，准备接收拉曼散射信号；曰在步骤(二)中双脉冲触发信号的第一个脉冲到来时，由望远镜接收拉曼散射信号和背景光信号，并将接收的信号传入到光纤中，由光纤对光波进行准直；(四)经光纤准直的光波由非球面镜进行准直-聚焦，变成平行光；所述平行光经过宽带滤光片滤除部分干扰噪声后，到达转动的光栅光谱仪，所述光栅光谱仪以一定角分辨率和波长间隔探测拉曼回波信号，并将信号传递至光电倍增管； 光电倍增管将接收的光信号转变为电信号，发送到光子计数卡，所述光子计数卡对接收的电信号进行采样和计数，将模拟信号转换为数字信号并将数字信号传递到计算机，计算机对接收的数字信号进行处理并存储；
㈥在步骤㈡中双脉冲触发信号的第二个脉冲到来时，由望远镜接收背景光信号，并将接收的信号传入到光纤中，由光纤对光波进行准直后，执行步骤_和步骤 ;⑴将步骤 中得到的信号减去步骤(六)中得到的信号，得到光谱的特征信息。9.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法，其特征在于，所述光栅光谱仪采用平面反射光栅，所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)确定 /=￥(I)sin0=/r4
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a . cos β,( 3 )δ Θ =D θ · δ λ (4)Δ^=---
M:/-cos0 (5)其中d是光栅常数；N是每毫米光栅的刻槽数，单位为毫米；λ为选定的基准波长，单位为毫米；Θ为一级谱线的衍射角，单位为度；k为光谱级别；D(5为光栅的角色散本领，单位为度；δ Θ为相邻谱线角间隔，单位为度；δ λ为相邻谱线波长差,单位为毫米；Δ Θ为谱线的半角宽度，单位为度。本发明的有益效果是本发明提出的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统及其方法与现有激光雷达系统相比具有以下优点①以云中固态水、液态水为探测对象，获取云中水的拉曼散射全光谱分布曲线，有助于进一步获得云中不同相态水含量，对云微物理特性研究有重要意义。②将激光雷达系统和光栅光谱仪相结合，具有光谱分辨率高、体积相对较小等优点。③采用双脉冲触发技术，最大限度地消除了背景光的影响。④采用电动旋转平台带动光栅光谱仪转动，保证了固定的进入光栅光谱仪的光的衍射角，便于光电探测系统的接收。
⑤整个系统结构紧凑，易于控制和调节，系统稳定性高。


图I为本发明的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统的结构示意图；图2为本发明所述的单片机下发的门控信号的信号图；图3为本发明所述的单片机下 发的双脉冲触发信号的信号图。图中I、激光器；2、扩束器；3、反射镜；4、望远镜；5、光纤；6、滤光片；7、非球面镜；8、光栅光谱仪；9、旋转平台；10、光电倍增管；11、光子计数卡；12、计算机；13、PMT门控；14、感应触发模块；15、单片机。
具体实施例方式实施例I本实施例提供的一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，结构如图I所示，包括激光发射装置、激光接收装置、光谱分辨装置、光电探测装置、数据采集装置和双脉冲触发装置。所述激光发射装置设置于被测云的下方，包括激光器I、扩束器2和反射镜3，所述激光器I、所述扩束器2和所述反射镜3的中心设置在同一条直线上。所述激光器I发射出的激光脉冲进入到所述扩束器2的入口，所述扩束器2将激光脉冲发射到所述反射镜3，所述反射镜3将所述激光脉冲垂直发射至空中，并打在被测云体上。所述激光器I为Nd:YAG激光器，脉冲激光束波长为355nm，单脉冲能量为70mJ，脉宽为< 7ns，重复频率20Hz，发散角彡lmrad。扩束器2采用30倍扩束。所述反射镜3的倾角为45度。激光器I的功能是发射激光脉冲，扩束器2的功能是准直光束，减小激光的发散角，反射镜3的功能是使得激光脉冲光束垂直射入空中。所述激光接收装置为收集拉曼散射回波信号的望远镜4，望远镜4采用MeadeLX200望远镜，望远镜口径为400mm，焦距为2000mm。利用望远镜4收集激光雷达的后向散射回波以及无激光时的背景光。所述光谱分辨装置包括光纤5、非球面镜6、宽带滤光片7、光栅光谱仪8和旋转平台9。所述光纤5的出口、所述非球面镜6、所述宽带滤光片7和所述光栅光谱仪8的中心设置在同一直线上，所述光纤5的入口接收所述望远镜4输出的回波信号，所述回波信号依次通过所述光纤5、所述非球面镜6、所述宽带滤光片7和所述光栅光谱仪8后，传递到所述光电探测装置。所述光纤5的数值孔径采用NA=O. 12，光纤可弯曲，提高了系统地灵活性。所述光栅光谱仪8固定设置于所述旋转平台9上，以一定角分辨率和波长间隔探测拉曼回波信号。所述宽带滤光片7的中心波长为405nm,通带带宽为40nm。所述光栅光谱仪8采用平面反射光栅，用于对分离后得到的拉曼散射信号进行光谱分离，该光栅能分辨的最小波长间隔为O. 05nm。所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)确定
权利要求
1.基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，包括激光发射装置、激光接收装置、光谱分辨装置、光电探测装置和数据采集装置， 所述激光发射装置设置于被测云的下方，包括激光器(I)、扩束器(2)和反射镜(3)，所述激光器(I)、所述扩束器(2)和所述反射镜(3)的中心设置在同一条直线上，所述激光器(I)发射出的激光脉冲进入到所述扩束器(2)的入口，所述扩束器(2 )将激光脉冲发射到所述反射镜(3)，所述反射镜(3)将所述激光脉冲垂直发射至空中，并打在被测云体上； 所述激光接收装置为望远镜(4)，收集被测云体反射的回波信号，并将回波信号发送至所述光谱分辨装置； 所述光谱分辨装置包括光纤(5)、非球面镜(6)、宽带滤光片(7)、光栅光谱仪(8)和旋转平台(9)，所述光纤(5)的出口、所述非球面镜(6)、所述宽带滤光片(7)和所述光栅光谱仪(8)的中心设置在同一直线上，所述光纤(5)的入口接收所述望远镜(4)输出的回波信号，所述回波信号依次通过所述光纤(5)、所述非球面镜(6)、所述宽带滤光片(7)和所述光栅光谱仪(9)后，传递到所述光电探测装置； 所述光电探测装置包括光电倍增管(10)，其输入端与所述光栅光谱仪(8)通过信号连通，当所述光栅光谱仪(8)处于打开状态时，接收所述光栅光谱仪(8)发送的光谱信号并将信号转发至所述数据采集装置； 所述数据采集装置包括光子计数卡(11)和计算机(12 )，所述光子计数卡(11)的输入端与所述光电倍增管(10)的输出端信号连接，接收所述光电倍增管(10)的信号进行采样和计数，并将数据传送到所述计算机(12)。
2.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述系统还包括双脉冲触发装置，所述双脉冲触发装置包括感应触发模块(14)、单片机(15)和门控装置(13)，所述感应触发模块(14)设置于所述激光器(I)的激光发射范围内，与所述单片机(15)连接，传送电信号到所述单片机(15);所述单片机(15)的输出端与所述光子计数卡(11)连接，传递双脉冲触发信号到所述光子计数卡(11)，控制所述光子计数卡(II)的打开与闭合；所述单片机(15)通过所述门控装置(13)与所述光电倍增管(10)连接，传递门控信号到所述光电倍增管(10)，控制所述光电倍增管(10)的打开与闭合。
3.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述光谱分辨装置还包括旋转平台(9)，所述光栅光谱仪(8)固定设置于所述旋转平台(9)上。
4.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述光栅光谱仪(8)采用平面反射光栅，所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)确定
5.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述激光器(I)为Nd: YAG激光器。
6.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述宽带滤光片(7)的中心波长为405nm,通带带宽为40nm。
7.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，其特征在于，所述光子计数卡(11)的时间分辨率为100ns，距离分辨率为15m，最大计数率200MHz。
8.基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法，其特征在于，按照如下步骤进行 ㈠激光器(I)发射激光脉冲，经扩束器(2 )对激光进行扩展和准直后，通过反射镜(3 )使得激光脉冲光束垂直射入空中，并打在待测云体上； ㈡位于激光器(I)附近的感应触发模块(14)感应到激光后，传递信号到单片机(15)，单片机(15)下发门控信号和双脉冲触发信号，所述门控信号在激光发出后拉曼散射信号到达前使光电倍增管(10)开门，准备接收拉曼散射信号； 曰在步骤(二)中双脉冲触发信号的第一个脉冲到来时，由望远镜(4)接收拉曼散射信号和背景光信号，并将接收的信号传入到光纤(5)中，由光纤(5)对光波进行准直； (四)经光纤(5)准直的光波由非球面镜(6)进行准直-聚焦，变成平行光；所述平行光经过宽带滤光片(7)滤除部分干扰噪声后，到达转动的光栅光谱仪(8)，所述光栅光谱仪(8)以一定角分辨率和波长间隔探测拉曼回波信号，并将信号传递至光电倍增管(10); 光电倍增管(10)将接收的光信号转变为电信号，发送到光子计数卡(11 )，所述光子计数卡(11)对接收的电信号进行采样和计数，将模拟信号转换为数字信号并将数字信号传递到计算机(12)，计算机(12)对接收的数字信号进行处理并存储； (六)在步骤(二)中双脉冲触发信号的第二个脉冲到来时，由望远镜(4)接收背景光信号，并将接收的信号传入到光纤(5)中，由光纤(5)对光波进行准直后，执行步骤(E)和步骤( ； ⑴将步骤 中得到的信号减去步骤(六)中得到的信号，得到光谱的特征信息。
9.根据权利要求I所述的基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法，其特征在于，所述光栅光谱仪(8)采用平面反射光栅，所述平面反射光栅的相邻谱线角间隔和每毫米光栅的刻槽数由公式(I)、(2)、(3)、(4)、(5)确定
全文摘要
本发明公开了一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量系统，包括激光发射装置、激光接收装置、光谱分辨装置、光电探测装置、数据采集装置和双脉冲触发装置，所述激光发射装置包括激光器、扩束器和反射镜；所述光谱分辨装置包括光纤、非球面镜、宽带滤光片、光栅光谱仪和旋转平台；所述光电探测装置包括将光信号转变为电信号的光电倍增管；所述数据采集装置包括光子计数卡和计算机；所述双脉冲触发装置包括感应触发模块、单片机和门控装置。同时，本发明还公开了一种基于激光雷达的云中水拉曼散射全光谱测量方法。本发明以云中固态水和液态水为探测对象，整个系统结构紧凑，易于控制和调节，系统稳定性高。
文档编号G01N21/65GK102937586SQ20121042862
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者卜令兵, 吕敏, 徐中兵, 丘祖京, 邵楠清, 庄一洲, 张强 申请人:南京信息工程大学