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原文传递一种大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置

专利名称：	一种大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置
摘要：	本发明公开了一种大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，包括多波长探测光源、激光雷达发射光学系统、激光雷达接收光学系统等；多波长探测光波长分别位于红外、可见和紫外波段，经过激光雷达发射光学系统发射到大气中，不同波长探测光与大气颗粒物和氮气相互作用后，产生不同波长弹性散射信号和拉曼散射信号，被激光雷电接收光学系统鉴别和接收，由瞬态记录仪采集、转换和保存为数字信号，反演计算获得的光路上不同高度的高分率高精度的颗粒物粒径谱时空分布数据。本发明可以实现对大气颗粒物粒径谱时空分布进行昼夜全天候观测，获取大气颗粒物粒径谱随高度变化的立体数据，具有较高的时间分辨率、空间分辨率和高探测精度。
专利类型：	发明专利
申请人：	中国科学院合肥物质科学研究院
发明人：	董云升;项衍;范广强;刘吉瑞;张天舒;刘文清;刘建国;苏林;胡斯勒图;史宇辰;付毅宾;吕立慧
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T01:00:00+0805
申请号：	CN201911358993.9
公开号：	CN111089824A
代理机构：	北京科迪生专利代理有限责任公司
代理人：	杨学明;顾炜
分类号：	G01N15/02;G01S17/95;G;G01;G01N;G01S;G01N15;G01S17;G01N15/02;G01S17/95
申请人地址：	230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号
主权项：	1.一种大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于，包括：光学平台(1)、探测激光光源(2)、激光扩束镜一(3)、发射反射棱镜一(4)、发射镜片(5)、发射反射棱镜二(6)、激光雷达接收望远镜系统(7)、主镜(8)、次镜(9)、调焦结构单元(10)、光纤调整结构(14)、信号光纤(16)、信号探测系统(17)、信号光准直器(18)、二向色镜一(20)、检偏棱镜一(21)、信号反射镜片一(22)、二向色镜二(23)、二向色镜三(24)、二向色镜四(25)、检偏棱镜二(26)、信号反射镜片二(27)、扩束镜二(28)、光栅(29)和信号反射镜片三(30)；信号工控机(45)、瞬态记录仪(46)和信号同步器(47)；所述探测激光光源(2)、激光扩束镜一(3)和激光雷达接收望远镜系统(7)安装在光学平台(1)上，相对位置固定，探测激光光源(2)和激光扩束镜一(3)具有相同的中心；所述探测激光光源(2)发射红外波段、可见波段和紫外波段的三个波长的探测光，经过激光扩束镜一(3)进行扩束准直，扩束后探测光发散角均小于0.1mad，经过发射反射棱镜一(4)、发射镜片(5)和发射反射棱镜二(6)被发射到大气中；所述发射反射棱镜一(4)和发射反射棱镜二(6)固定不可调节，发射镜片(5)可以高精度调整，光束指向性调整精度为0.01mrad；所述激光雷达接收望远镜系统(7)由主镜(8)和次镜(9)组成，探测光与大气中颗粒物相互作用后产生的后向散射信号被激光雷达接收望远镜系统(7)接收，经过主镜(8)和次镜(9)汇聚到信号光纤(16)中；所述调焦结构单元(10)由固定法兰(11)和移动法兰(12)和光纤调整结构(14)组成，固定法兰(11)和移动法兰(12)的相对位置可以自由调整，调整过程中移动法兰中心高恒定不变，光纤调整结构(14)安装在移动法兰(12)上，光纤(16)安装在光纤调整结构(14)上，首先调整移动法兰(12)，使得信号光纤(16)的端面位于激光雷达接收望远镜系统(7)的焦平面上，固定法兰(11)固定旋钮(13)锁定移动法兰(12)，再调整光纤调整结构(14)的精密调整旋钮(15)，调整信号光纤(16)倾斜角度，使得激光雷达接收望远镜系统(7)收集的信号光完全进入信号光纤(16)中；所述信号探测系统(17)主要由信号光准直器(18)、二向色镜一(20)、检偏棱镜一(21)、信号反射镜片一(22)、二向色镜二(23)、二向色镜三(24)、二向色镜四(25)、检偏棱镜二(26)、信号反射镜片二(27)、扩束镜二(28)、光栅(29)、信号反射镜片三(30)、光学滤光片一(31)、雪崩光电二极管(32)、光学滤光片二(33)、光电倍增管二(34)、光学滤光片三(35)、光电倍增管三(36)、光学滤光片四(37)、光电倍增管四(38)、光学滤光片五(39)、光电倍增管五(40)、光学滤光片六(41)、光电倍增管六(42)、光电倍增管七(43)和光电倍增管八(44)组成，信号光经信号光纤(16)传输后，进入信号光准直器(18)将信号光准直成近平行信号光，二向色镜一(20)将紫外探测光的回波信号光检出，紫外探测光的回波信号光经过检偏棱镜一(21)，被分解为垂直偏振态和平行偏振态的紫外信号光，垂直偏振态紫外信号光经过光学滤光片五(39)，进入光电倍增管五(40)转换为UVS通道电信号，平行偏振态紫外信号光经过反射镜片一(22)和光学滤光片六(41)，进入光电倍增管六(42)转换为UVP通道电信号；二向色镜二(23)将紫外探测光产生的水汽和氮气拉曼信号检出，经过扩束镜二(28)准直和光栅(29)检波，分别进入光电倍增管七(43)和光电倍增管八(44)转换为对应的UVNR电信号和UVWR电信号；二向色镜三(24)将红外波长信号检出，经过光学滤光片一(31)，由雪崩光电二极管(32)转换为IR通道电信号；二向色镜四(25)检出可见光探测波段的信号光与其产生的氮气拉曼信号光检出，可见光波段探测光的信号光经过检偏棱镜二(26)，分解为垂直偏振态和平行偏振态的信号光，垂直偏振态可见光探测波段的信号光经过光学滤光片三(35)，进入探测器光电倍增管五(40)转换为VLS通道电信号，偏振态可见光探测波段的信号光经过光学滤光片四(37)，进入光电倍增管四(38)转换为VLP通道电信号，可见光波段探测光产生的氮气拉曼信号光经过光学滤光片二(33)，进入光电倍增管二(34)转换为VLNR通道信号光；所述信号工控机(45)自动控制系统各部件工作，信号工控机(45)分别给探测激光光源(2)和瞬态记录仪(46)发送工作信号，探测激光光源(2)进入工作状态，向信号工控机(45)返回信号；所述同步器(47)监测到激光光源(2)发出激光脉冲时，向瞬态记录仪(46)发送同步采集信号，并反馈信号给信号工控机(45)，信号工控机(45)同步接收瞬态记录仪(46)采集的UVS、UVP、UVNR、UVWR、IR、VLS、VLP和VLNR电信号，并将实际采集脉冲数实时传送信号工控机(45)，信号工控机(45)根据瞬态记录仪(46)反馈的实际采集脉冲数进行计时，同时监控不同部件的工作状态；计时脉冲数结束后，信号工控机(45)向激光光源(2)和瞬态记录仪(46)发送停止工作命令，同时工信号控机(45)将采集到的信号数据、采集参数和仪器工作状态数据保存为激光雷达数据，利用大气颗粒物粒径谱时空分布反演方法进行数据处理，得到所测光路上的距离分辨的大气颗粒物粒径谱时空廓线。 2.根据权利要求1所述的大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于：所述信号光纤(16)特点为双光纤芯接收激光雷达接收望远镜系统(7)收集的信号光，其中一个光纤芯垂直光纤端面，另一个光纤芯进行倾斜设计，两个光纤芯夹角可在10°至30°之间。 3.根据权利要求1所述的大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于：所述装置具有较大接收口径，激光雷达接收望远镜系统(7)接收口径大于400mm，但同时保证所述装置具有较小盲区，盲区小于80m。 4.根据权利要求1所述的大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于：所述信号同步器(47)具体高速同步特点，由于时间同步导致探测误差小于0.3m。 5.根据权利1要求所述的大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于：所述探测激光光源(2)为高重复频率高单脉冲能量的激光器，工作频率5KHz，单脉冲能量为1mj。 6.根据权利1要求所述的大气颗粒物粒径谱时空分布多波长激光雷达测量装置，其特征在于：所述装置可以三个探测波长七个接收通道，进行昼夜连续探测。
所属类别：	发明专利