一种大气细粒子时空分布拉曼米散射激光雷达测量装置

技术领域

本发明涉及一种激光雷达光学遥测装置，具体为一种实现大气细粒子时空分布特征高精 度全天候探测的新型激光雷达装置。

背景技术

大气细粒子是一类更小的污染物，它的直径一般不超过2.5微米，因此对光的散射作用 更强，在不利的气象条件下很容易导致灰霾的形成。这些颗粒物本身很可能就是有害气体或 重金属，对人体造成伤害；另一方面，它们还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的 传播推波助澜。

20世纪80年代以来我国社会经济进入高速发展阶段，短短20多年的时间就走完了发达 国家上百年的发展路程，再之，由于很多企业采取了粗犷性生产经营方式，污染物排放总量 和排放强度大，导致本应在不同阶段出现的生态与环境问题在短期内集中体现和爆发出来， 主要污染物排放量远远超过环境容量，致使我国环境遭受了严重的污染，形势空前严峻。虽 然经过多年的努力，中国大气污染状况有一些改善，但是，中国大气环境质量（特别是城市 大气环境质量）并没有得到根本好转，目前仍然处于局部改善、整体恶化的发展态势，并表 现出区域性和复合型的新特征。其中，高浓度大气细粒子形成的灰霾污染现象，频繁出现在 京津冀、珠三角和长三角等经济发达地区，是我国目前急需解决的大气污染问题。

尽管我国已建立了以城市为中心的空气质量自动监测站网，每天对风速、风向、能见度、 SO2、NO2和PM10等进行监测，这些自动监测站大多数的停留在对气象条件的统计和常规 污染的监测，不能完全反映大气污染的实际状况，使空气质量评价结果与公众直观感受不一 致。研究表明，大气细粒子是大气光化学反应主要的产物之一，大气细粒子对大气消光的贡 献大于80%，是造成大气灰霾现象的重要原因；当前，科学的解释空气质量指数（API）与 公众观感的差异主要取决于细粒子在大气颗粒物中比例决定的。

激光雷达作用一个为重要光学遥感探测手段，可以实现整个对流层大气气溶胶消光垂直 廓线的探测、大气水平能见度、以及颗粒物粒子特性的探测，可以有效弥补当前我国在大气 颗粒物遥感探测不足，有助于开展气溶胶细粒子的来源分布，分析大气颗粒物特性，解析灰 霾天气的细粒子时空分布，分析大气边界层以上沙尘和卷云特性及混合层厚度和动态结构的 时间演变。

而目前，能够实现对大气细粒子时空分布特征自动探测设备极为匮乏，没有仪器能够自 动在线实时对大气细粒子时空分布特性进行探测。目前，用于的大气颗粒物探测的激光雷达 主要有两类，一类是探测波长为532nm和1064nm的Mie散射激光雷达，尤其是532nm探 测波长的激光雷达。包括单波长米散射激光雷达、微脉冲激光雷达和带有偏振探测特性的 Mie散射雷达等等，其探测使用的激光器为灯泵Nd:YAG固体激光器或者半导体泵浦Nd： YAG，输出比较稳定，线偏振度比较高，Nd:YAG激光器增益大，激光阈值低，晶体导热性 能好，可以高重复率输出，一般几十Hz是很容易达到的。大气在532nm波长区域以散射为 主，吸收很小，大气气溶胶和卷云对532nm波长的后向散射截面较大，光电倍增管在该波长 区域的量子效率较高。以532nm波长为光源的激光雷达适合于大气中沙尘、卷云和大颗粒物 气溶胶的探测，从Mie散射理论可知，这个探测波长不利于对大气细颗粒物探测。

另一类是以355nm为探测波长的激光雷达，波长355nm的激光主要是利用Nd:YAG固 体激光器获得，激光器输出稳定，商业化光源容易获得，355nm波长激光比532nm波长更 短，能够观测到细小的粒子。利用355nm波长激光光源进行大气探测的雷达又可细分为两种， 一种为355nm波长Mie散射激光雷达，这种激光雷达的探测系统仅仅接收355nm波长探测 波长产生的弹性散射信号，数据反演时用Mie散射激光雷达方程进行求解，这种激光雷达虽 然能够观测大气细粒子的信息，但是使用Mie散射激光雷达方程求解消光系数时，需要假设 激光雷达比引入误差，进行影响大气细粒子观测结果。另一种为355nm波长拉曼Mie散射 激光雷达，这种激光雷达的探测系统接收355nm波长探测波长产生的弹性散射信号和非弹性 散射信号，355nm探测波长激发大气中浓度最高且比较稳定的气体分子的喇曼散射（中心波 长在386.7nm），望远镜接收到的喇曼散射信号只包含有气溶胶的消光，而与气溶胶的后向散 射系数无关，因此可以通过非弹性散射信号获取气溶胶的消光系数，这种数据反演时不需要 像Mie散射方程求解那样假定激光雷达比，能够获取更加准确的消光系数，进而得到更为准 确的大气细粒子信息。这种激光雷达是当前大气细粒子激光雷达探测所需要的，但是目前该 类激光雷达装置均为实验级设备，其发射系统结构一般如本申请人之一中国科学院安徽光学 精密机械研究所的一份中国专利CN200910185155.6（授权公告日为2010年4月7日）中描 述过的激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置，可调谐的光学器件很多，发射系统相 对比较复杂；而接收光学装置如中国科学院安徽光学精密机械研究所的一份中国专利 CN200510038204.5（授权公告日为2005年8月24日）中描述过的Raman-Mie散射激光大 气信号的探测方法及激光雷达，接收望远镜口径均大于400mm，接收系统均比较复杂和庞 大，不适合无人值守自动化业务监测运行使用。而本发明装置发明设计多波长共轴发射望远 镜、激光雷达接收光学系统和多通道后继光学系统等等，使得系统具有更好的稳定性、探测 效率和精度，满足业务部门对大气细粒子长时间无人值守业务化运行的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大气细粒子时空分布拉曼-米散射激光雷达测量装 置，实现对大气细粒子时空分布进行高精度高分辨率的自动连续在线业务化探测；创新地使 用了多波长共轴发射望远镜，进行大气细粒子时空分布特性进行探测，设计了高效率和高稳 定性的接收光学系统和后继光学系统，利用小口径望远镜实现了喇曼散射信号探测，降低了 由于假定激光雷达比对消光系数反演带入的误差，提高大气细粒子时空分布信息的反演精 度，解决了拉曼米散射激光雷达系统的光学结构复杂稳定性差的问题，满足了当前业务部门 对大气细粒子长时间业务化自动在线探测的需要。

本发明技术解决方案：一种大气细粒子时空分布拉曼米散射激光雷达测量装置，其特征 在于包括：大气细粒子探测光源1、多波长共轴发射望远镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、 激光雷达接收光学系统5、多通道后继光学系统6、激光雷达底座7、计算机9、瞬态记录仪 10；所述大气细粒子探测光源1和多波长共轴发射望远镜2搭载在激光雷达接收光学系统5 上，随激光雷达接收光学系统5一起转到，所述大气细粒子探测光源1为小型化全固化Nd:YAG 激光器，发射中心波长为532nm和355nm的探测光，两个波长探测光的光轴同轴，均被多波 长共轴发射望远镜2进行准直扩束，两探测光束的发射角均被压缩至0.4mrad，被准直扩束 后的532nm波长探测光和355nm波长探测光的具有较好的同轴性，两探测光的偏离角小于 0.1mrad；所述多波长共轴发射望远镜2为多波长消色差准直扩束望远镜，在紫外光355nm 波长和可见光532nm波长具有大于85%的透过率；多波长共轴发射望远镜2入瞳直径5mm， 出瞳直径30mm，扩束倍数为10倍；所述第二反射镜4位于激光雷达接收光学系统5光轴上， 中心波长为532nm和355nm探测光经第二反射镜4后沿激光雷达接收光学系统5光轴发射到 大气中；所述激光雷达接收光学系统5安装在激光雷达底座7上，能够实现任意俯仰角度调 整，激光雷达接收光学系统5探测口径200mm，系统焦距为2000mm，F数为F/10，遮挡区域 比为18%，激光雷达接收光学系统5镀高反射介质膜，对532nm波长的可见光反射率大于98%， 对355nm波长和387nm波长的紫外光反射率大于95%，激光雷达接收光学系统5对探测光的 总透过率优于70%；所述多通道后继光学系统6安装在激光雷达接收光学系统5后端，二者 光轴重合，多通道后继光学系统6具有密闭壳金属外壳，具有IP5的防护等级和A级抗电磁 干扰能力，避免外界杂散光和电磁信号对系统的干扰，能够在复杂环境实现对9个数量级动 态范围的信号光探测，能够同时完成4个通道光信号的分光与探测，探测通道数可扩展至5 个，不同通道间光信号隔离能力优于46dB，能够实现弱信号光的高灵敏探测；所述计算机9 自动控制系统各部件工作，计算机9分别与激光器电源8和瞬态记录仪10链接，实时监控 大气细粒子探测光源1、激光器电源8和瞬态记录仪10的工作状态，如果监测系统各部件工 作状态正常，计算机9首先给信号激光器电源8和瞬态记录仪10发送工作信号指令，两部 件进入预工作状态，同时向计算机9返回信号；激光器电源8完成对自身和大气细粒子探测 光源1自检和预热后，发射激光脉冲开始工作，并向瞬态记录仪10发送同步信号，瞬态记 录仪10开始进行数据采集，并向计算机9发送其工作状态的信号，计算机9开始采集计数 和计时，瞬态记录仪10同步从387nm探测器27、355nm探测器31、532nm-P探测器35和 532nm-S探测器39进行数据采集，并将实际采集脉冲数实时传送给计算机9，计算机9根据 瞬态记录仪10反馈的实际采集脉冲数进行计时，计时脉冲数结束后，计算机9向激光器电 源8和瞬态记录仪10发送工作信号指令发送停止工作命令，计算机9对采集数据存储和数 据反演工作。

所述的多波长共轴发射望远镜2由K9负透镜12、氟化钡正透镜13、K9正透镜14、氟 化钡负透镜15和K9负透镜16组成，所述K9负透镜12前面和后面的曲率半径分别为-9.12mm 和-13.2mm，氟化钡正透镜13前面和后面曲率半径分别为45mm和25mm，K9负透镜12与氟 化钡正透镜13组成第一胶合镜，置于入瞳法兰19中，由压圈20固定后，与入瞳法兰19可 以沿多波长共轴发射望远镜2光轴进行前后移动，便于进行调节；K9正透镜14、氟化钡负 透镜15和K9负透镜16组成第二胶合镜，放置在多波长共轴发射望远镜2的输出端由压圈 17固定；所述K9正透镜14的前面和后面曲率半径分别为145mm和95mm，K9正透镜14前面 和后面的曲率半径分别为145mm和95mm，氟化钡负透镜15的前面和后面的曲率半径为 -78.6mm和-98mm，K9负透镜16前面和后面曲率半径分别为51mm和95.8mm；多波长共轴发 射望远镜2长150mm，氟化钡正透镜13后面与K9正透镜14前面距离在120-130mm之间；

所述的多通道后继光学系统6使用模块化免调谐设计，结构紧凑，信号间隔离度高，易 扩展，光学稳定性高，应用范围广，通过更换光学元件便可应用于其他领域的激光雷达装置 上。首先不同波长的回波信号，经可调谐小孔光阑21，进入通道后继光学系统6，小孔光阑 21通光孔径调谐范围为1mm-5mm，经过准直透镜22后，不同波长的回波信号变为准平行光 束，准直透镜22为焦距120mm石英透镜，前后面均镀有对紫外和可见光增透的介质膜；准 直后的平行光束经第一分光镜23后，波长387nm的信号光被反射，而波长355nm和532nm 信号光被透射，波长387nm的信号光经第一45°反射镜24发射，依次通过387nm滤光片25 与387nm聚集镜26，进入387nm探测器27转换为387nm探测通道电信号；而波长355nm和 532nm信号光进入第二分光镜28，波长532nm信号光被发射，而波长355nm的信号光被透射， 波长355nm的信号光依次通过355nm滤光片29和355nm聚集镜30，进入355nm探测器31 转换为355nm探测通道电信号；波长532nm信号光经检偏振棱镜32被分为532nm-P信号光 和532nm-S信号光，532nm-P信号光被检偏振棱镜3245°发射，依次通过第一532nm滤光 片33和532nm-P聚焦镜34，进入532nm-P探测器35转换532nm-P探测通道电信号，532nm-S 信号光透过检偏振棱镜32，被第二45°发射镜36发射，依次通过第二532nm滤光片37和 532nm-S聚焦镜38，进入532nm-S探测器39转换532nm-S探测通道电信号。

中心波长为532nm和355nm探测光的光轴与激光雷达接收光学系统5光轴同轴，激光雷 达装置探测盲区小于100m，能够实现近地面层污染物探测；装置实现对大气颗粒物中细粒子 和超细粒子探测，其能够响应的最小粒径约为10nm。

所述大气细粒子探测光源1和瞬态记录仪10同步进行采集工作，同步时间误差小于 10ns，激光雷达装置距离分辨误差优于3m；利用拉曼信号来校正米散射信号，提高消光系数 反演准确性，对消光系数的计算误差优于10%；实现大气细粒子物理特性、光学特性、质量 浓度、输送通量及污染来源多参数化反演，所述装置能够实现无人值守全天候运行，自动完 成数据采集分析，能够实现网络化和自动化运行。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明中多波长共轴发射望远镜是一种多波长消色差准直扩束望远镜，由3片K9 材质的透镜和2片氟化钡材质的透镜组成，可应用于紫外和可见光的扩束准直，在355nm波 长和532nm波长透过率大于85%，同时对多波长光束进行10倍准直扩束，具有很好消除色差 能量，且保证扩束后两束光偏离角度小于0.1mrad。未在已公开的技术文献中看到具备此技 术参数的多波长消色差准直多波长共轴发射望远镜的报道，已公开的技术文献中，准直多波 长共轴发射望远镜一般工作在单一波长、或仅在可见光谱，或仅在紫光光谱范围内，而本发 明中的多波长消色差准直扩束望远镜能够同事工作在可见光和紫外光光谱范围，且有效地消 除不同波长间色差，保证了光束具有很小偏离角度。此外在材质选择方面，使用低成本廉价 的K9玻璃和氟化钡玻璃，极大降低了生产成本。

（2）本发明中激光雷达发射光学单元使用了一个多波长共轴发射望远镜替代了多个单 波长发射望远镜，这种设计方法，实现了在激光雷达发射光学单元中，不使用分光镜和折返 镜，减少了反射镜的个数，进而减少在分光和反射过程中，对探测光带来的能量损伤和光束 偏振态等参数的变化，同时减少元器件为系统引入的不稳定因素；此外，本发明使得不同探 测光束光轴与激光雷达接收光学系统光轴之间夹角具有相同误差，而因此参数导致的不同探 测光束的激光雷达探测盲区和过渡区相同，在后期反演过程这些变量可以约分计算，减少了 激光雷达装置在波长比或Angstrom指数等参数反演的盲区和过渡区，增加了激光雷达装置 的探测能力。

（3）本发明中装置可以实现对大气颗粒物中细粒子和超细粒子探测，能够探测最小粒 径约为10nm的超细粒子，装置具有更高探测精度，更小的探测误差，能够实现大气细粒子， 对消光系数计算误差优于10%；实现大气细粒子质量浓度、输送通量、污染来源等物理和光 学特性的多参数化反演。

（4）本发明中使用了小口径望远镜实现了氮气拉曼散射信号探测，减少了发射光学单 元和接收光学单元中的元件数量，结构上更加稳定和紧凑，有利于产业化和业务化长时间自 动运行。

（5）本发明能够实现无人值守全天候运行，自动完成数据采集分析，能够实现网络化 和自动化运行；实现大气细粒子物理特性、光学特性、质量浓度、输送通量及污染来源多参 数化反演。

附图说明

图1为本发明探测装置的组成框图；

图2为多波长共轴发射望远镜组成框图；

图3为多通道后继光学系统组成框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种大气细粒子时空分布拉曼米散射激光雷达测量装置设置有大 气细粒子探测光源1、多波长共轴发射望远镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、激光雷达接 收光学系统5、多通道后继光学系统6、激光雷达底座7、计算机9、瞬态记录仪10；大气细 粒子探测光源1和多波长共轴发射望远镜2搭载在激光雷达接收光学系统5上，随激光雷达 接收光学系统5一起转到，大气细粒子探测光源1为小型化全固化Nd:YAG激光器，发射中 心波长为532nm和355nm的探测光，两个波长探测光的光轴同轴，均被多波长共轴发射望远 镜2进行准直扩束，两探测光束的发射角均被压缩至0.4mrad，被准直扩束后的532nm波长 探测光和355nm波长探测光的具有较好的同轴性，两探测光的偏离角小于0.1mrad；多波长 共轴发射望远镜2为多波长消色差准直扩束望远镜，在紫外光355nm波长和可见光532nm波 长具有大于85%的透过率；多波长共轴发射望远镜入瞳直径5mm，出瞳直径30mm，扩束倍数 为10倍；所述第二反射镜4位于激光雷达接收光学系统5光轴上，中心波长为532nm和355nm 探测光经第二反射镜4后沿激光雷达接收光学系统5光轴发射到大气中；所述激光雷达接收 光学系统5安装在激光雷达底座7上，能够实现任意俯仰角度调整，激光雷达接收光学系统 5探测口径200mm，系统焦距为2000mm，F数为F/10，遮挡区域比为18%，激光雷达接收光 学系统5镀高反射介质膜，对532nm波长的可见光反射率大于98%，对355nm波长和387nm 波长的紫外光反射率大于95%，激光雷达接收光学系统5对探测光的总透过率优于70%；多 通道后继光学系统6安装在激光雷达接收光学系统5后端，二者光轴重合，通道后继光学系 统6具有密闭壳金属外壳，具有IP5的防护等级和A级抗电磁干扰能力，避免外界杂散光 和电磁信号对系统的干扰，能够在复杂环境实现对9个数量级动态范围的信号光探测，能够 同时完成4个通道光信号的分光与探测，探测通道数可扩展至5个，不同通道间光信号隔离 能力优于46dB，能够实现弱信号光的高灵敏探测；计算机9自动控制系统各部件工作，计算 机9分别与激光器电源8和瞬态记录仪10链接，实时监控大气细粒子探测光源1、激光器电 源8和瞬态记录仪10的工作状态，如果监测系统各部件工作状态正常，计算机9首先给信 号激光器电源8和瞬态记录仪10发送工作信号指令，两部件进入预工作状态，同时向计算 机9返回信号；激光器电源8完成对自身和大气细粒子探测光源1自检和预热后，发射激光 脉冲开始工作，并向瞬态记录仪10发送同步信号，瞬态记录仪10开始进行数据采集，并向 计算机9发送其工作状态的信号，计算机9开始采集计数和计时，瞬态记录仪10同步从387nm 探测器27、355nm探测器31、532nm-P探测器35和532nm-S探测器39进行数据采集，并将 实际采集脉冲数实时传送给计算机9，计算机9根据瞬态记录仪10反馈的实际采集脉冲数进 行计时，计时脉冲数结束后，计算机9向激光器电源8和瞬态记录仪10发送工作信号指令 发送停止工作命令，计算机（9）对采集数据存储和数据反演工作。

本发明工作过程：所述多波长共轴发射望远镜2结构组成如图2所示，由K9负透镜12、 氟化钡正透镜13、K9正透镜14、氟化钡负透镜15和K9负透镜16组成，所述K9负透镜12 前面和后面的曲率半径分别为-9.12mm和-13.2mm，氟化钡正透镜13前面和后面曲率半径分 别为45mm和25mm，K9负透镜12与氟化钡正透镜13组成第一胶合镜，置于入瞳法兰19中， 由压圈20固定后，与入瞳法兰19可以沿多波长共轴发射望远镜光轴进行前后移动，便于进 行调节；K9正透镜14、氟化钡负透镜15和K9负透镜16组成第二胶合镜，放置在多波长共 轴发射望远镜的输出端由压圈17固定；所述K9正透镜14的前面和后面曲率半径分别为 145mm和95mm，K9正透镜14前面和后面的曲率半径分别为145mm和95mm，氟化钡负透镜15 的前面和后面的曲率半径为-78.6mm和-98mm，K9负透镜16前面和后面曲率半径分别为51mm 和95.8mm；多波长共轴发射望远镜长150mm，氟化钡正透镜13后面与K9正透镜14前面距 离在120-130mm之间；

本发明工作过程：所述多通道后继光学系统6使用模块化免调谐设计，结构紧凑，信号 间隔离度高，易扩展，光学稳定性高，应用范围广，通过更换光学元件便可应用于其他领域 的激光雷达装置上，多通道后继光学系统6结构组成如图3所示。不同波长的回波信号，经 可调谐小孔光阑21，进入通道后继光学系统6，小孔光阑21通光孔径调谐范围为1mm-5mm， 经过准直透镜22后，不同波长的回波信号变为准平行光束，准直透镜22为焦距120mm石英 透镜，前后面均镀有对紫外和可见光增透的介质膜；准直后的平行光束经第一分光镜23后， 波长387nm的信号光被反射，而波长355nm和532nm信号光被透射，波长387nm的信号光经 第一45°反射镜24发射，依次通过387nm滤光片25与387nm聚集镜26，进入387nm探测 器27转换为387nm探测通道电信号；而波长355nm和532nm信号光进入第二分光镜28，波 长532nm信号光被发射，而波长355nm的信号光被透射，波长355nm的信号光依次通过355nm 滤光片29和355nm聚集镜30，进入355nm探测器31转换为355nm探测通道电信号；波长 532nm信号光经检偏振棱镜32被分为532nm-P信号光和532nm-S信号光，532nm-P信号光被 检偏振棱镜3245°发射，依次通过第一532nm滤光片33和532nm-P聚焦镜34，进入532nm-P 探测器35转换532nm-P探测通道电信号，532nm-S信号光透过检偏振棱镜32，被第二45° 发射镜36发射，依次通过第二532nm滤光片37和532nm-S聚焦镜38，进入532nm-S探测器 39转换532nm-S探测通道电信号；本发明装置中心波长为532nm和355nm探测光，发射光学 光轴与激光雷达接收光学系统5光轴同轴，激光雷达装置探测盲区小于100m，能够实现近地 面层污染物探测；装置实现对大气颗粒物中细粒子和超细粒子探测，其能够响应的最小粒径 约为10nm；大气细粒子探测光源1和瞬态记录仪10同步进行采集工作，同步时间误差小于 10ns，激光雷达装置距离分辨误差优于3m；利用拉曼信号来校正米散射信号，提高消光系数 反演准确性，对消光系数的计算误差优于10%；实现大气细粒子质量浓度、输送通量、污染 来源等物理和光学特性的多参数化反演，所述装置能够实现无人值守全天候运行，自动完成 数据采集分析，能够实现网络化和自动化运行。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。