本發(fā)明涉及多普勒激光雷達(dá)，具體涉及三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)及其探測方法。

背景技術(shù)：

1、高精度、高時空分辨率近地面至低平流層大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，對其需求最為迫切，應(yīng)用非常廣泛。多普勒激光雷達(dá)是當(dāng)前對大氣風(fēng)場進(jìn)行高精度、高時空分辨率遙感探測的最有效工具之一，其可分為相干探測和直接探測兩種體制。直接探測體制又可分為邊緣技術(shù)和條紋成像技術(shù)。相干探測多普勒激光雷達(dá)和基于氣溶膠米散射的直接探測多普勒激光雷達(dá)的實際探測精度和探測高度依賴于大氣中的氣溶膠濃度狀況，探測高度一般局限于5km以下。傳統(tǒng)的基于大氣分子瑞利散射邊緣技術(shù)的直接探測多普勒激光雷達(dá)受到低層較強的氣溶膠散射信號干擾，探測高度一般局限于5km以上?；诖髿夥肿尤鹄⑸錀l紋成像技術(shù)的直接探測多普勒激光雷達(dá)雖然可以不用考慮氣溶膠散射信號的影響，但是由于探測靈敏度很低，又是能量分布的探測，受出射光斑能量不均勻、大氣湍流的影響較大，實際探測精度和探測高度得不到保證，而且對接收光路、探測器和采集系統(tǒng)的要求也相對較高。

2、實時的高精度、高時空分辨率近地面至低平流層風(fēng)場數(shù)據(jù)與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，對其需求最為迫切，如在改進(jìn)氣候模型、促進(jìn)大氣熱力學(xué)及動力學(xué)研究、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確性、保障航空航天器的起飛和著落安全、提高風(fēng)能利用率等方面有著重要的應(yīng)用。多普勒激光雷達(dá)是目前對三維風(fēng)場進(jìn)行高精度、高時空分辨率遙感探測的最有效工具之一。現(xiàn)有多普勒激光雷達(dá)分為相干和直接兩種探測體制，直接探測體制所采用的技術(shù)又分為條紋成像技術(shù)和邊緣技術(shù)。相干探測多普勒激光雷達(dá)具有很高的探測靈敏度，目前已廣泛用于風(fēng)電場、機場航空等領(lǐng)域，但它要求窄線寬脈沖激光技術(shù)和具有衍射極限的光學(xué)接收機，并且由于大氣湍流對激光相干性的破壞，有效探測距離受到限制。同時，由于探測技術(shù)的局限，該類系統(tǒng)只適用于具有一定氣溶膠密度環(huán)境下的風(fēng)場觀測。條紋成像技術(shù)的優(yōu)點是無需將氣溶膠和分子散射信號分離，在以氣溶膠作為探測對象時，由于米散射譜很窄，探測靈敏度高，又無需考慮分子散射信號的影響，其在對邊界層以下風(fēng)場測量時具有一定優(yōu)勢；缺點是要進(jìn)行能量分布探測，對接收光路、探測器、信號采集系統(tǒng)的要求較高，風(fēng)速反演也相對復(fù)雜。在以大氣分子作為探測對象時，由于分子瑞利散射譜很寬，探測靈敏度低，考慮到它的缺點，其與邊緣技術(shù)相比以不具優(yōu)勢。目前除groundwinds外，再未見有其它成熟系統(tǒng)對分子散射多普勒測量時采用條紋成像技術(shù)。邊緣技術(shù)的優(yōu)點是只需探測信號的總能量，而非能量的空間分部，所需探測器和信號采集系統(tǒng)更易滿足，數(shù)據(jù)處理也相對簡單，是現(xiàn)有直接探測多普勒激光雷達(dá)，尤其是分子瑞利散射多普勒激光雷達(dá)最為普遍采用的技術(shù)；缺點是通常不能直接用氣溶膠和分子散射混疊信號進(jìn)行風(fēng)速測量。

3、相干探測多普勒激光雷達(dá)和直接探測米散射多普勒激光雷達(dá)主要以大氣中氣溶膠粒子作為探測對象，一般只能探測低對流層大氣風(fēng)場，且探測精度嚴(yán)重依賴于氣溶膠濃度，在晴空少云天氣條件下不能很好保證探測精度和探測距離?；谶吘壖夹g(shù)的直接探測瑞利散射多普勒激光雷達(dá)主要以大氣分子作為探測對象，此時的氣溶膠散射信號通常為干擾信號。由于受到低層云和氣溶膠散射信號的強烈干擾，其一般只能探測高對流層及以上高度的大氣風(fēng)場。同時，由于大氣分子瑞利散射譜寬與溫度有關(guān)，在風(fēng)場反演過程中需要帶入實時的大氣溫度。所以，通常單臺多普勒激光雷達(dá)因氣溶膠濃度的垂直分布特性、大氣溫度的不確定、氣溶膠和分子散射信號混疊造成的相互干擾等因素不能同時高精度探測高空（8~10km高度以上）和低空（3~5km高度以下）風(fēng)場，不能很好地滿足諸多領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求。為了兼顧高低層風(fēng)場測量，目前研究人員主要采用混合體制或混合技術(shù)的方案，即針對高低層風(fēng)場測量分別采用不同的探測體制或探測技術(shù)，并將兩套接收系統(tǒng)組合在一起構(gòu)成高低空一體化多普勒激光雷達(dá)探測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本也高。因此，研究低成本的、能夠同時高精度探測高低空，尤其是覆蓋全對流層和低平流層高度三維風(fēng)場的多普勒激光雷達(dá)技術(shù)具有重要的意義。

4、大氣分子濃度相對穩(wěn)定，基本不受天氣條件影響，而大氣分子瑞利散射譜寬與溫度的平方根成正比。所以，在已知準(zhǔn)確的大氣溫度廓線的前提下，分子散射多普勒激光雷達(dá)理論上能夠兼顧高低空風(fēng)場探測。然而，在對低空大氣和遇有高層云或火山灰的中高空大氣風(fēng)場進(jìn)行探測時，由于氣溶膠米散射信號的強烈干擾，分子散射多普勒激光雷達(dá)的風(fēng)速測量值與實際值的偏差將會很大；低空大氣的密度和壓強大，除了氣溶膠米散射和分子瑞利彈性散射外，大氣分子的布里淵非彈性散射強度變得不可忽略，若分子散射多普勒激光雷達(dá)在低空風(fēng)場反演過程中仍采用瑞利高斯譜模型，將造成較大的風(fēng)速反演誤差。因此，分子散射多普勒激光雷達(dá)要能夠同時高精度測量高低空風(fēng)場，需解決如下問題：同一探測區(qū)域?qū)崟r的高精度大氣溫度廓線的獲??；氣溶膠米散射干擾信號影響的減小或消除；基于更準(zhǔn)確的分子散射譜模型的低空大氣風(fēng)場反演方法的構(gòu)建?；谏鲜鲈O(shè)想，同時為了避免在f-p干涉儀基板鍍納米級精度臺階的高工藝要求，采用三頻激光源和單通道f-p干涉儀替代傳統(tǒng)探測方案中的單頻激光源和雙通道f-p干涉儀，同時構(gòu)建入射光往返兩次透過f-p干涉儀的雙程光路，提出了基于單通道雙程f-p干涉儀三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)技術(shù)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基于單通道雙程f-p干涉儀、可高精度探測近地面至低平流層風(fēng)場、溫度和氣溶膠后向散射比的三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)技術(shù)，目前還未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)及其探測方法，能用于同時高精度探測近地面至低平流層風(fēng)場、溫度和氣溶膠后向散射比等大氣參數(shù)。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括：

4、種子光源，種子光源與激光器驅(qū)動電源及控制器相連；

5、聲光頻移器，聲光頻移器與聲光頻移器驅(qū)動相連；

6、355nm脈沖激光器，355nm脈沖激光器分別與激光器驅(qū)動電源及控制器3和觸發(fā)電路相連；

7、以及，355nm脈沖激光器通過第一分束鏡與擴束鏡擴束相連，擴束鏡擴束通過第一度反射鏡與二維掃描儀導(dǎo)光相連，二維掃描儀上設(shè)置有玻璃平板；

8、二維掃描儀與卡塞格林望遠(yuǎn)鏡連接，卡塞格林望遠(yuǎn)鏡通過米長多模光纖跳線與第二1×2光纖耦合器連接；

9、第二1×2光纖耦合器與準(zhǔn)直鏡連接，準(zhǔn)直鏡與窄帶干涉濾光片相連，窄帶干涉濾光片與第二分束鏡相連；

10、第二分束鏡通過第二凸透鏡與第一光電倍增管相連；

11、第二分束鏡還與f-p干涉儀相連，f-p干涉儀通過第三分束鏡、第三凸透鏡與第二光電倍增管相連；

12、第三分束鏡還與第二度反射鏡相連，第二度反射鏡與f-p干涉儀相連，f-p干涉儀通過第三度反射鏡導(dǎo)光、第四凸透鏡與第三光電倍增管相連；

13、該系統(tǒng)采用由聲光頻移器及聲光頻移器驅(qū)動控制發(fā)射激光頻率的紫外三頻率激光源和單通道的f-p干涉儀，同時構(gòu)建入射光往返兩次透過f-p干涉儀的雙程光路強力抑制米散射信號的干擾，并采用三高斯疊加模型描述低空大氣分子瑞利-布里淵散射譜，實現(xiàn)近地面至低平流層風(fēng)場、溫度和氣溶膠后向散射比同時探測。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：種子光源與聲光頻移器連接，聲光頻移器與355nm脈沖激光器連接。

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：第一分束鏡與第一凸透鏡相連，第一凸透鏡與第一1×2光纖耦合器連接，第一1×2光纖耦合器與一段1.5米長多模光纖跳線相連。

16、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：從聲光頻移器出來的光頻率在、和之間交替改變，發(fā)射激光頻率位于f-p干涉儀透射譜峰值頻率附近。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：f-p干涉儀的自由譜間距為12ghz、譜寬為2ghz。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：第一光電倍增管、第二光電倍增管和第三光電倍增管與licel瞬態(tài)記錄儀相連，三個光電倍增管同時處于模擬和光子計數(shù)兩種工作模式，其輸出信號由licel瞬態(tài)記錄采集。

19、三頻分子散射多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測方法,該方法包括以下步驟：

20、聲光頻移器和聲光頻移器驅(qū)動控制發(fā)射激光頻率，使其頻率在、和之間交替改變；

21、采用單通道f-p干涉儀作為鑒頻器和鎖頻器，其通光孔徑被一分為二，并采用往返雙程光路；

22、發(fā)射激光由第一分束鏡反射一小部分作為參考光，在經(jīng)過一段1.5米長多模光纖跳線后，其脈寬展寬的光纖后向散射光先被準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，再正入射到f-p干涉儀，利用發(fā)射激光頻率為時第二光電倍增管和第一光電倍增管接收信號比值與發(fā)射激光頻率為時第二光電倍增管和第一光電倍增管接收信號比值的比值與1的差值，測得并鎖定和，進(jìn)而將鎖定在f-p干涉儀透射譜的峰值附近；

23、大部分發(fā)射激光透射經(jīng)過第一分束鏡后，由擴束鏡擴束、第一45度反射鏡和二維掃描儀導(dǎo)光后，以指定的方向進(jìn)入大氣被測區(qū)域；大氣后向散射光由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，在經(jīng)過3米長多模光纖跳線延時后，與參考光在時序上分開進(jìn)入接收系統(tǒng)；

24、發(fā)射頻率為和，含有多普勒頻移信息的分子后向散射光雙程經(jīng)過f-p干涉儀的透過率將會一個增大一個減小，通過測量發(fā)射激光頻率為時第三光電倍增管27接收信號與發(fā)射激光頻率為時第三光電倍增管接收信號的比值獲得徑向風(fēng)速信息。

25、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：還包括以下步驟：

26、分子瑞利散射譜寬產(chǎn)生與大氣溫度 t的平方根成正比的展寬量，不同的大氣溫度 t時，發(fā)射頻率為和的分子后向散射光信號雙程經(jīng)過f-p干涉儀的透過率之和將會增大或減小，發(fā)射頻率為的分子后向散射光信號雙程經(jīng)過f-p干涉儀的透過率將會減小或增大，通過測量發(fā)射激光頻率為和時第三光電倍增管接收信號的和與發(fā)射激光頻率為時第三光電倍增管接收信號的比值獲得大氣溫度信息。

27、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：還包括以下步驟：

28、發(fā)射頻率為的大氣氣溶膠和分子后向散射光雙程經(jīng)過f-p干涉儀的透過率差異很大，氣溶膠后向散射光幾乎被完全抑制，通過測量發(fā)射激光頻率為時第三光電倍增管接收信號和第一光電倍增管接收信號的比值可以獲得氣溶膠后向散射比信息。

29、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：還包括以下步驟：

30、利用發(fā)射激光頻率為、和時，兩個第三光電倍增管和第一光電倍增管的接收信號，采用非線性迭代方法同時反演得到大氣徑向風(fēng)速、溫度和氣溶膠后向散射比。

31、本發(fā)明的有益效果：

32、（1）本發(fā)明硬件采用紫外三頻率激光源和單通道f-p干涉儀，同時構(gòu)建入射光往返兩次透過f-p干涉儀的雙程光路強力抑制米散射信號的干擾，反演算法中采用三高斯疊加模型更準(zhǔn)確描述低空大氣分子瑞利-布里淵散射譜，可以實現(xiàn)近地面至低平流層風(fēng)場、溫度和氣溶膠后向散射比同時高精度探測；

33、（2）本發(fā)明采用三頻激光和單通道f-p干涉儀替代單頻激光和雙通道f-p干涉儀方案，不僅避免了在f-p干涉儀基板上鍍納米級精度臺階的高要求，降低了系統(tǒng)研制難度和成本，同時簡化了接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

34、（3）本發(fā)明利用f-p干涉儀的單程透射譜測量和鎖定發(fā)射激光頻率，避免了增設(shè)單獨的f-p干涉儀鎖定通道，進(jìn)一步簡化了接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

35、（4）本發(fā)明解決了傳統(tǒng)的風(fēng)速單參數(shù)測量方法在風(fēng)速反演過程中，實際溫度和氣溶膠后向散射比未知可能造成風(fēng)速反演誤差很大的問題，確保了風(fēng)速反演精度。