测量大气气溶胶的激光雷达系统

本技术涉及激光雷达，更具体地，涉及一种测量大气气溶胶的激光雷达系统。

背景技术：

1、大气气溶胶是悬浮于大气中的液态和固态颗粒物总称，主要通过直接效应和间接效应影响全球气候和局地空气质量。气溶胶作为描述大气状况的主要参数，其影响短期空气质量、局地气象差异以及长期气候变化，因此对气溶胶分布的实时测量就显得尤为重要，气溶胶的主要来源是人类活动的扬尘和燃烧排放等，绝大部分含量集中于边界层内。

2、相关技术中，对于大气气溶胶的测量是通过激光雷达实现的，具体是以激光器为发射源，其中，激光雷达信号光束垂直向上发射，经气溶胶散射后被接收器接收，利用激光雷达信号光束与大气中存在的空气分子和气溶胶粒子间的互相作用来实现对大气光学与物理特性的测量，以及大气气象的主动遥感探测(除了激光雷达的遥感测量以外，主要是光学粒子计数器，纳米粒径谱仪等，其缺点是必需局地采样进行检测)，以及包括有飞行等军事和民用活动的测量应用场景。

3、然而气溶胶测量中的一个主要影响是它们受到大的时间和空间波动，这使得预测不可能并且点测量不充分。因此，在其影响可能至关重要的应用中，通常需要在感兴趣的完整空间域上连续监测气溶胶，例如，由于高度发生的重要变化，尽可能在一个激光发射的周期被测量更多高度范围的气溶胶光学散射特性。

4、激光雷达长期以来被提出用于远程测量大气参数，因为其光学结构的制约，激光雷达技术在气溶胶的测量性上本身具有一定的局限性，不能兼顾远、近距离的测量需要，尤其是不能满足从极短距离开始、全空域覆盖探测的需要。

5、现有的激光雷达气溶胶测量包括了多种测量方案，例如，专利申请号为201410253958.1的专利文献全光纤激光雷达气溶胶探测装置，公开了一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其包括有信号发射通道，用于发出激光信号，信号接收通道，用于接收发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生回波信号，信号处理通道，用于将回波信号转化为电信号并进行分析处理，信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道为全光纤结构，采用全光纤结构，能够实现高达20khz，皮瓦量级的信号探测，提高时空分辨率。

6、专利申请号为202010828354.0的文献公开了一种基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统，采用多块以不同高度并排放置的柱面镜同时接收不同高度段的大气气溶胶信息，由多块柱面镜代替传统的单个镜头，ccd可探测到代表多个高度段的多条并排光束，从而实现在保证探测高度范围的前提下提高探测的空间分辨率，同时避免底层和高层由于鱼眼镜头畸变造成的精度降低。

7、专利申请号为202010553916.5的文献公开了一种用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光系统及分光方法，其通过光纤、光纤法兰传导激光雷达中望远镜接收到的大气回波信号，经准直器后以准直光射出，滤除950nm以下的光束，之后通过光栅、长焦距透镜和带孔反射镜将光束中的信号分离，实现近红外1064nm波段气溶胶的独立精细探测。

8、专利号为us5239352的美国专利文献公开了提供一种改进的后向散射激光雷达，除了传统的激光雷达技术之外，还可以通过测量多次散射贡献来克服上述困难。然后可以使用该附加信息来解决先前描述的不确定性。在大于激光束发散的视场处的任何反向散射信号是由于多次散射造成的。因此，通过同时测量几个视场的反向散射而获得的附加信息可用于确定对接收信号的多个散射贡献。这通过使用多元件辐射检测器来实现，该多元件辐射检测器具有位于激光雷达的接收光学器件的焦平面的分离部分中的辐射接收元件(包括四个同心硅检测器(pin光电二极管))，以便在几个视场之间区分所接收的反向散射辐射。

9、然而，在上述的现有技术公开的方案中，仍然存在没有解决的问题：第一、采用ccd的成像方式来解决高度上的多量程测量，存在气溶胶的不同散射角度在ccd上的像素成像，本身就存在对气溶胶的反演的不确定性，需要复杂的计算和多次测量来解决问题；第二、多个光电源器件在空间上的分布安装也具有一定的空间约束性，并且主要是用来解决多次散射的反向散射信号的计算。(米氏散射的散射截面大小，是随散射角度变化的，沙氏雷达最大的缺陷是对于低空回波做了假设：‘散射截面随角度的变化可以忽略’。而对于成分复杂的气溶胶而言，这个假设并不合理)。

技术实现思路

1、现有技术中的测量方法虽然能够实现对大气气溶胶的测量，但是由于气溶胶在不同大气高度均有分布，因此经散射返回的激光雷达信号聚焦位置不同，无法同时被接收器完全接收，往往需要调节接收器的位置以通过多次测量来接收不同高度处散射的激光雷达信号光束。

2、本技术提出一种光散射接收元件，其用于测量大气气溶胶的激光雷达系统，所述光散射接收元件设置在所述激光雷达系统的望远镜接收端，所述光散射接收元件为光波导阵列，所述光波导阵列在光接收方向上具有多个收光面不同的光波导，所述收光面具有对应不同高度气溶胶散射光的成像接收焦平面和视场。

3、进一步地，所述光波导阵列在对应同一高度气溶胶散射光的方向阵列上，还具有多个对应不同激光波长收光面的光波导。

4、进一步地，所述光波导阵列为适应所述望远镜接收端形状的模块化封装。

5、进一步地，所述光波导阵列设置对应单波长激光。

6、进一步地，所述光波导阵列接收的光通过光纤组件传输。

7、本技术还公开了一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，所述激光雷达系统包括激光发射组件、接收组件和主控件；

8、所述激光发射组件包括激光器和反射镜，所述反射镜与所述激光器相对布置，以将所述激光器发射的激光雷达信号光束反射至大气中；

9、所述接收组件包括望远镜、光纤固定件、多根光纤和分光器，所述望远镜用于接收经大气散射后的所述激光雷达信号光束，且所述望远镜的输出端用于将接收的所述激光雷达信号光束入射至插装在所述光纤固定件上的多根所述光纤中，所述光纤固定件的顶端端面倾斜，多根所述光纤均匀间隔插装在所述光纤固定件中，各所述光纤均贯穿所述光纤固定件，且多根所述光纤的顶端端部在竖直方向上呈梯形布置，以使得多根所述光纤的顶端端部依次位于不同高度距离对应的所述望远镜的焦平面处，各所述光纤的底端均与所述分光器连接；

10、所述主控件与所述分光器电连接，以对所述激光雷达信号光束进行数据分析和处理。

11、进一步地，所述光纤固定件的顶端端面为多个在竖直方向上高度依次递减的台阶，多根所述光纤和多个所述台阶一一对应，各所述光纤插装在相对应的所述台阶中。

12、进一步地，所述台阶的数量不小于2个。

13、进一步地，各所述阶梯面中所述光纤集束的数量及光纤集束的截面面积在竖直方向上由高至低依次增加。

14、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

15、有益效果：

16、(1)本技术提供的激光雷达系统在测量大气气溶胶时，即使由于不同距离和非共轴的原因使得不同距离散射返回的激光雷达信号光束聚焦在接收望远镜出射端不同的焦平面和位置，仍旧能够被有效接收，从而得到从低空到高空不同高度的、完整的大气廓线测量数据；

17、(2)本技术提供的激光雷达系统不仅可以适用于单波长激光发射，也适用于多波长的激光雷达系统的应用和测量；

18、(3)本技术提供的激光雷达系统不仅可以适用于弹性散射(米散射、瑞利散射)，也适用于拉曼散射、高光谱分辨激光雷达系统的应用和测量；

19、(4)按照本技术所提供的光散射接收元件优选为光纤组件的生产工艺相对简单，并且与现有的激光雷达系统的光学系统具备较好的兼容性。