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專利名稱：一種用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，屬激光雷達、激光大氣探測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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云是懸浮在大氣中的大量小水滴和(或)冰晶微粒組成的可見聚合體，對地氣系統(tǒng)的輻射平衡、熱量平衡和溫濕平衡發(fā)揮著重要的作用，參與多種正負反饋過程，在大氣輻射傳輸以及降水的形成都有著極其重要的作用，當(dāng)然這里面少不了云高、云量的影響，因此了解云量的分布規(guī)律和特征，具有十分重要的現(xiàn)實意義和理論價值。目前，云已經(jīng)成為全球氣候模型中最重要的也是最難確定的氣象要素之一，云量云高變化都是是描述云的重要參數(shù)。云在地氣系統(tǒng)的輻射平衡、云產(chǎn)生的降水對人類活動有重要影響，因此對云的不斷深入研究有著重要的意義。就云的地面觀測而言，目前在氣象觀測中，云高、云量主要是通過人工目測確定。人工觀測結(jié)果受到各種主、客觀因素的影響，觀測精度和數(shù)據(jù)的的連續(xù)性上得不到保證，因此，云高、云量的儀器觀測代替人工觀測是云觀測的發(fā)展趨勢。目前，前獲取云高的方法是固定天頂角式激光云高儀，云量的測量主要使用全天空成像設(shè)備，但一個氣象觀測臺站既使用兩套設(shè)備去觀測云增加了建設(shè)成本，因此，中國氣象局要求激光云高儀同時輸出云量。由于固定天頂角式激光云高儀對云的取樣較少基本不太可能得到較好的測量效果。另外激光云高儀積分云量對天空狀況要求較高，要在均一無起伏穩(wěn)定的情況下進行云量積分，主要通過判斷云高有無來確定云量，其算法過程和應(yīng)用還要進一步研究。對于未通過發(fā)射器頂部的云無法給出正確結(jié)果，存在較大局限性?；谟^測員本身的主觀判斷以及云的不規(guī)則原因，有人也提出了一種激光云高儀云量自動反演算法，算法以激光 云高儀單點測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)造一個關(guān)于時間和云層高度的二維圖像，按照云層所占用的時間比率進行反演計算云量。對比實驗驗證表明，算法能較為準(zhǔn)確地反演出云量信息，對激光云高儀具有實用價值。氣象局還會考核紅外測云儀，用于云量的考核。但是可見光方式探測云量多多少少會受到大氣能見度影響較大見。我們知道云量測量的基本原理是:將激光云高儀垂直放置，按照一定的距離分辨率Λ ζ和時間分辨率△ t采集激光云高儀回波信號，然后對采集到的原始信號進行處理，通過對云連續(xù)地探測，按照云層所占用的時間比率進行反演計算云量，并假設(shè)這些時間的平均結(jié)果代表測量點周圍的空間狀況。而旋裝式激光云高儀恰好可以對云連續(xù)的探測，從而增加對天空中云的取樣，在原有對云高測量的基礎(chǔ)上增加對云量測量的功能。另外可編程式的就可以控制旋轉(zhuǎn)方式和數(shù)據(jù)采集方式，對測量數(shù)據(jù)進行反演，就可以得出所測云量。另外如果為了同時測量云高、云量而在同一個站點同時配置激光云高儀和紅外測云儀，成本代價很高。申請人尚未查到同時測量云高和云量的氣象系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明設(shè)計了一種用于云量觀測旋轉(zhuǎn)式激光云高儀。將固定天頂角改為在一定立體空間角內(nèi)旋轉(zhuǎn)發(fā)射和接收系統(tǒng)，對不同位置的云進行取樣。旋轉(zhuǎn)式激光云高儀可以增加對天空中云的取樣，提高對云量的觀測精度，使用一臺激光云高儀，可以實現(xiàn)云高、云量兩個基本參數(shù)的觀測。本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的:
用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，包括激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和擴束鏡，激光接收系統(tǒng)包括望遠鏡、凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管，所述凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管安裝在望遠鏡的鏡筒內(nèi)，激光器和擴束鏡安裝在望遠鏡的鏡筒外壁上，其特征是:還包括底部支架、轉(zhuǎn)軸、第一電機和第二電機；所述望遠的鏡筒與所述轉(zhuǎn)軸固定相連，該轉(zhuǎn)軸兩端通過軸承座架設(shè)在底部支架上，該轉(zhuǎn)軸與第一電機傳動連接，第一電機安裝在底部支架上；底部支架與第二電機傳動連接。所激光接收系統(tǒng)還包括光子計數(shù)卡和計算機單元。所述第一、第二電機采用MD-2步進電動機，兩電機分別經(jīng)C-4驅(qū)動器與計算機單元相連。所述光子計數(shù)卡采用P7882雙通道光子計數(shù)卡。所述望遠鏡 采用Meade LX200望遠鏡。底部支架通過軸套或其它方式與第二電機傳動連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點在于:
1、實現(xiàn)對云高云量的同時有效的探測，填補國內(nèi)改技術(shù)探測的空白；
2、對云量的探測帶來方便和改進。3、可以改變原有技術(shù)同時測云量云高成本高的的缺點,節(jié)約物資。4、本發(fā)明可以實施全天候無人值守監(jiān)控，節(jié)約人力和物力。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
本發(fā)明就是基于原有激光云高儀的基礎(chǔ)之上，通過改進增加對云量的觀測的一種旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，旋轉(zhuǎn)式激光云高儀可以增加對不同云層云的探測取樣，并可根據(jù)云量的測量原理和反演方法，得出云量。使用半導(dǎo)體激光器作為激光發(fā)射源，產(chǎn)生532nm波長的激光輻射，通過主控系統(tǒng)設(shè)置步進電動機的工作方式、激光旋轉(zhuǎn)方式及系統(tǒng)初值設(shè)定，利用望遠鏡和窄帶濾波片接收云的后向散射信號，該激光雷達系統(tǒng)的P7882光子計數(shù)卡進行光子計數(shù)?？梢愿鶕?jù)云高云量反演方法對數(shù)據(jù)進行反演。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
本發(fā)明設(shè)計在原來固定天頂角式激光云高儀的基礎(chǔ)上，將固定天頂角改在一定立體空間角內(nèi)旋轉(zhuǎn)發(fā)射和接收系統(tǒng)，對不同位置的云進行取樣，增加對天空中云的取樣，提高對云量的觀測精度，使用一臺激光云高儀，可以實現(xiàn)云高、云量兩個基本參數(shù)的觀測。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明就是基于原有激光云高儀的基礎(chǔ)之上，通過改進增加對云量的觀測的一種旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，旋轉(zhuǎn)式激光云高儀可以增加對不同云層云的取樣，可以根據(jù)云量的測量原理和反演方法得出云量。使用半導(dǎo)體激光器作為激光發(fā)射源，產(chǎn)生532nm波長的激光輻射，通過控制第二步進電動機的工作方式、以第一步進電機的旋轉(zhuǎn)方式，利用望遠鏡和窄帶濾波片接收云的后向散射信號，該激光雷達系統(tǒng)的P7882光子計數(shù)卡進行光子計數(shù)。通過后續(xù)計算可得出云高云量。使用該系統(tǒng)進行探測的步驟是:
在激光發(fā)射系統(tǒng)控制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生532nm波長的激光輻射，利用MD-2步進電動機(第一、第二電機)控制激光器旋轉(zhuǎn)，改變天頂角和方位角。利用收發(fā)同軸的Meade LX200望遠鏡接收不同距離處的回波?；夭ㄐ盘柾ㄟ^光電探測系統(tǒng)，經(jīng)過光電倍增管的放大，探測系統(tǒng)的處理，光信號轉(zhuǎn)化為電信號。利用P7882雙通道光子技術(shù)卡對其進行計數(shù)。第一、第二電機由計算機單元控制，采集的數(shù)據(jù)由計算機單元分析處理，可通過云高云量的反演過程進行數(shù)據(jù)反演，同時原 始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果由計算機單元進行整理保存。
權(quán)利要求
1.用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，包括激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和擴束鏡，激光接收系統(tǒng)包括望遠鏡、凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管，所述凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管安裝在望遠鏡的鏡筒內(nèi)，激光器和擴束鏡安裝在望遠鏡的鏡筒外壁上，其特征是:還包括底部支架、轉(zhuǎn)軸、第一電機和第二電機；所述望遠的鏡筒與所述轉(zhuǎn)軸固定相連，該轉(zhuǎn)軸兩端通過軸承座架設(shè)在底部支架上，該轉(zhuǎn)軸與第一電機傳動連接，第一電機安裝在底部支架上；底部支架與第二電機傳動連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，其特征是:所激光接收系統(tǒng)還包括光子計數(shù)卡和計算機單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，其特征是:所述第一、第二電機采用MD-2步進電動機，兩電機分別經(jīng)C-4驅(qū)動器與計算機單元相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，其特征是:所述光子計數(shù)卡采用P7882雙通道光子計數(shù)卡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于云量觀測的旋轉(zhuǎn)式激光云高儀，其特征是:所述望遠鏡采用Meade LX200望遠鏡。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計了一種用于云量觀測旋轉(zhuǎn)式激光云高儀。將固定天頂角改為在一定立體空間角內(nèi)旋轉(zhuǎn)發(fā)射和接收系統(tǒng)，對不同位置的云進行取樣。旋轉(zhuǎn)式激光云高儀可以增加對天空中云的取樣，提高對云量的觀測精度，使用一臺激光云高儀，可以實現(xiàn)云高、云量兩個基本參數(shù)的觀測。它包括激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和擴束鏡，激光接收系統(tǒng)包括望遠鏡、凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管，所述凸透鏡、窄帶濾波片和光電倍增管安裝在望遠鏡的鏡筒內(nèi)，激光器和擴束鏡安裝在望遠鏡的鏡筒外壁上，還包括底部支架、轉(zhuǎn)軸、第一電機和第二電機；所述望遠的鏡筒與所述轉(zhuǎn)軸固定相連，該轉(zhuǎn)軸兩端通過軸承座架設(shè)在底部支架上，該轉(zhuǎn)軸與第一電機傳動連接，第一電機安裝在底部支架上；底部支架與第二電機傳動連接。
文檔編號G01S7/481GK103235316SQ201310143359
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者卜令兵, 高愛臻, 郜海陽, 黃興友, 袁靜 申請人:南京信息工程大學(xué)