专利名称：测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明设计了一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统。本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，通过窄带滤光片及水的不同相态反演技术，获得云中固、液态水的含量。本发明使用Surelite II -20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号；实现对云中水的相态进行探测。最后，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。
背景技术：
云的形成和演变，是大气中运动过程的具体表现，是预示着未来天气变化的重要征兆，借助云的观测，对正确判断大气运动状况，特别是对短期临近天气预报有重要意义。人工影响天气方面，只有全面掌握云的参数信息才能更为有效的进行人工影响天气活动。气候研究方面，云具有辐射强迫作用，影响地球系统的收支平衡，进而影响气候变化。研究表明，云辐射导致的全球温度变化比二氧化碳的影响大3倍还要多。在模式研究方面，云的物理特性及过程也是一个重要的话题，云信息的正确参数化对全球模式及区域天气预报模式十分重要。云的参数可以从地面观测也可以天基形式观测，因此，云参数信息如云高、云厚、云的微物理特征，是检验数值天气预报和天气模型的重要依据。对云的探测，除对云高、云厚、云状等宏观物理特性探测外，目前急需解决的是云内部微物理结构信息的探测问题，如云中水的相态、水的含量、水的粒径谱分布等。云中水的相态信息是云的一个重要的描述参数。云中冰晶或者是水滴是云中的主要物质，云对大气辐射传输的影响主要是由于冰晶或者水滴的散射和吸收造成。根据粒子散射理论，不同大小和含量的冰晶或者水滴的散射特性不同，其造成的辐射效应也不同，而云中的冰晶和水滴的大小和含量又随大气环境和云的种类而发生变化，因此，云中水的含量和粒径大小对研究云的辐射效应十分重要。若已知云中的含水量，假设云中水的粒径分布满足某一关系，则云中水的粒径谱分布与水含量之间可以由简单的数学关系获得，因此，研究云中水的含量问题变得至关重要。目前为止，有多种对云的观测方法。卫星遥感有其自身的优势，可以从卫星轨道对全球云分布进行观测，但在云相态的探测方面，它只能从宏观上将云分为水相、冰相或混合相，并不能从微观上判定云水凝物粒子的相态，而且在云分类、云层重叠处理、低云观测等方面也存在很多问题，地表大面积的雪/冰、逆温层的出现等也会对卫星设备的被动观测产生很大影响。机载云滴粒子测量仪是人工影响天气中常用的仪器，可以测量飞机飞行路径上的云的各种参数，主要是云滴粒粒径谱、含水量等。机载云滴粒子探测器优势是能够直接测量云滴粒子，其结果较为准确，另外飞机可以采用飞行穿云的形式，可以获得大范围内云粒子参数，其缺点是飞机探测花费太高，又受空管限制，飞行机会并不多。就云的地面观测而言，气象业务中最常见的是人工观测方法，观测员通过对云状的判断和与目标物的对t匕，判断云高、云量。但人工观测时空分辨率低，且对云高的判断不如器测准确，对云量的判断则受观主观影响和观测者所处位置限制，因此，云观测业务中点人工观测将逐渐被云高仪和全天空成像仪所取代。云高仪和全天空成像仪是对云的宏观物理特性进行测量，不涉及云内部的微物理结构信息。探空仪则是将云观测仪器利用气球升力带入云中，云参数传感器将所测的相关参数传回地面。探空方式测云可以准确的得到云高、含水量、云粒径分布等信息，但缺点是时空分辨率低。微波辐射计是常用的被动观测仪器，可用于云含水量的反演，但作为被动遥感设备，微波辐射计在探测能力和空间分辨率上还有待提升。普通天气雷达由于其波长限制，对云的探测能力有限，随着毫米波技术的发展，毫米波雷达成为云观测的有力工具，毫米波雷达与普通的天气雷达相比波长短，能更好的与云中的水滴和冰晶相互左右，再配以扫描设备，毫米波雷达能够探测以雷达为中心几十公里内云的相关参数。为便于实地观测，毫米波雷达多做成方舱的形式，拖运方便，NASA则将毫米波雷达作为卫星有效载荷发射了 Cloudsat卫星，可以对全球云分布进行测量。就云的微物理特性的连续观测而言，目前毫米波雷达是被公认的一种有效的探测设备。激光雷达比毫米波测云雷达更具有优势空间分辨率方面，激光脉宽按照IOns计算，其距离分辨极限为I. 5m,高于毫米波雷达的空间分辨能力率；波长方面，毫米波雷达的电 磁波长是3mm或者是8mm (国内)，一般来讲远大于云中粒子的大小，两者的作用强度必然受到限制，制约了毫米波雷达对小粒子薄云的探测能力，而激光雷达一般使用波长小于I微米的激光，能更好的与云中的粒子相互作用，可用于监测毫米波雷达无法观测到的云形成初期的小粒子和薄云；作用方式上，由于激光峰值功率较高，除传统的弹性作用外(弹性散射)，还可能激发非线性效应(拉曼效应)，丰富了探测波长，可以获得更多云中水的信息；技术成熟度方面，毫米波雷达关键技术，特别是磁控管寿命和造价问题，是制约国内毫米波雷达应用的主要因素，由于造价和维护成本较高，国内目前仅有少数几家单位拥有测云毫米波雷达，与毫米波雷达相比，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。用于云和气溶胶探测的微脉冲激光雷达在国外起步较早，非球形粒子退偏这一技术在国外相对也比较成熟，美国和欧洲的几项观测计划中相关站点大都有偏振激光雷达。具有偏振通道的拉曼激光雷达可以定性的描述云中水的相态，但要准确的获取水汽中的水含量需要用到水的光谱学知识(吸收光谱或拉曼散射光谱)。水汽拉曼激光雷达比水汽差分吸收激光雷达在系统复杂性、造价等方面具有优势，因此，国内外水汽拉曼激光雷达方面的研究较多。水汽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，水的存在相态以液态水和固态水为主，目前为止，申请人尚未查到以云中固、液态水为探测对象激光雷达系统。本发明通过对云中固、液态水的拉曼散射光谱进行探测，建立可用于定量探测云中固态水和液态水含量的激光雷达系统，通过使用毫米波云雷达或探空气球对激光雷达系统进行标定，发展云中分相态水含量反演算法。发明利用拉曼技术，定量获取云中的固、液态水含量，对云微物理研究具有重要意义，填补我国在云中水相态探测的空白。

发明内容
本发明目的在于提供一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统，其主要解决的技术问题是利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用基于窄带滤光片的探测通道分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号。本发明根据固、液态水探测通道拉曼散射信号强度反演出云中水的固、液态含量。本发明的技术解决方案如下
一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测系统，该探测系统包括
1)主控系统，用于设置系统工作方式，包括激光收发系统探测方式，激光器工作方式，并将命令发至下位机；主控系统包含数据分析模块，将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量；
2)激光发射系统，根据主控系统的设置，调整激光器的工作方式及激光能量； 3)激光接收系统，作用在于收集不同距离处的大气回波强度信号、云中水的拉曼散射信号，并通过后继光路送往探测通道；
4)光电探测系统，接收各个探测通道的光信号，并转换成电信号送往数据采集分析系
统；
5)数据采集系统，采用光子计数卡及高速AD采集卡采集光电探测系统探测的信号，发送给数据分析系统。其中，所述接收系统采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片后继光路。其中，所述光电探测系统分为四个探测通道，分别接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射；液态水的拉曼散射；固态水的拉曼散射和氮气分子的拉曼散射。其中，所述四个探测通道中每一个探测通道包含有一片透镜，一片滤光片和一个光电倍增管。四个探测通道的滤光片的透过中心波长不同，第一至第4通道分别为355nm，40lnm, 404nm, 386. 7nm, 355nm对应弹性散射波长，40Inm对应固态水拉曼散射波长，404nm对应液态水拉曼散射波长，386. 7nm对应大气中的氮气拉曼散射波长。本发明测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤
1)利用主控程序选择激光器的工作方式、接收系统的采集方式及反演水固、液态含量的初值设定，并向激光发射系统和激光接收系统发送指令；
2)利用激光发射系统控制(SureliteII -20)激光器以20Hz的重复频率发射波长为355nm的脉冲激光；
3)利用激光接收系统中收发同轴的(MeadeLX200)望远镜接收不同距离处的回波；
4)利用分光镜及滤光片将回波信号分别送入4个探测通道通道I接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射称为弹性散射通道；通道2接收液态水的拉曼散射称为液态水探测通道；通道3接收固态水的拉曼散射称为固态水探测通道；通道4接收氮气分子的拉曼散射，用于归一化固、液态水探测通道的信号强度；
5)各个通道接收的回波信号通过光电探测系统，将光信号转化为电信号，并送给数据米集系统；
6)数据采集系统利用(采样率为IOM的NI)数据采集卡采集通道I的弹性散射信号，利用两张(P7882)光子计数卡对另三个拉曼通道的信号进行计数；
7)主控系统对采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，结合拉曼激光雷达系统的标定结果，实时计算并显示云中固、液态水的含量，并将结果进行实时保存处理。其中，根据通道3、通道2输出的比值R，推算固、液态水的比值，对两个通道输出进行光谱重叠纠正，结果直接代入单一相态固、液态水反演算法进行反演，即可确定云中固、液态水含量。其中，所述反演算法如下固态水拉曼散射的激光雷达方程写为
权利要求
1.一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测系统，该探测系统包括 1)主控系统，用于设置系统工作方式，包括激光收发系统探测方式，激光器工作方式，并将命令发至下位机；主控系统包含数据分析模块，将采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，实时计算并显示云中固、液态水的含量； 2)激光发射系统，根据主控系统的设置，调整激光器的工作方式及激光能量； 3)激光接收系统，作用在于收集不同距离处的大气回波强度信号、云中水的拉曼散射信号，并通过后继光路送往探测通道； 4)光电探测系统，接收各个探测通道的光信号，并转换成电信号送往数据采集分析系统； 5)数据采集系统，采用光子计数卡及高速AD采集卡采集光电探测系统探测的信号，发送给数据分析系统。
2.根据权利要求书I所述的激光雷达探测系统，其中，所述接收系统采用高反光效率的Meade LX200望远镜及窄带滤光片后继光路。
3.根据权利要求I所述的激光雷达探测系统，其中，所述光电探测系统分为四个探测通道，分别接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射；液态水的拉曼散射；固态水的拉曼散射和氮气分子的拉曼散射。
4.根据权利要求I所述的激光雷达探测系统，其中，所述四个探测通道中每一个探测通道包含有一片透镜，一片滤光片和一个光电倍增管。
5.一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法，该方法包括以下步骤 1)利用主控程序选择激光器的工作方式、接收系统的采集方式及反演水固、液态含量的初值设定，并向激光发射系统和激光接收系统发送指令； 2)利用激光发射系统控制激光器以20Hz的重复频率发射波长为355nm的脉冲激光； 3)利用激光接收系统中收发同轴的望远镜接收不同距离处的回波； 4)利用分光镜及滤光片将回波信号分别送入4个探测通道通道I接收大气分子、气溶胶、云的弹性散射称为弹性散射通道；通道2接收液态水的拉曼散射称为液态水探测通道；通道3接收固态水的拉曼散射称为固态水探测通道；通道4接收氮气分子的拉曼散射； 5)各个通道接收的回波信号通过光电探测系统，将光信号转化为电信号，并送给数据米集系统； 6)数据采集系统利用数据采集卡采集通道I的弹性散射信号，利用两张光子计数卡对另三个拉曼通道的信号进行计数； 7)主控系统对采集的数据进行实时分析，并根据云中固、液态水的反演原理，结合拉曼激光雷达系统的标定结果，实时计算并显示云中固、液态水的含量，并将结果进行实时保存处理。
6.根据权利要求5所述激光雷达探测方法，其中，根据通道3、通道2输出的比值R，推算固、液态水的比值，对两个通道输出进行光谱重叠纠正，结果直接代入单一相态固、液态水反演算法进行反演，即可确定云中固、液态水含量。
7.根据权利要求6所述激光雷达探测方法，其中，所述反演算法如下固态水拉曼散射的激光雷达方程写为
全文摘要
本发明设计了测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统。本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号,实现对云中水的相态进行探测。最后，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。
文档编号G01S17/95GK102830107SQ20121032220
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者卜令兵, 黄兴友, 庄一洲, 邵楠清, 田力 申请人:南京信息工程大学