閆子瑜，楊延寧

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

水汽是大氣中變化最為活躍的氣體成分，約占大氣總體積的0.1%～3.0%，水汽的本質(zhì)是呈現(xiàn)為氣態(tài)的水，在相同溫度和氣壓下，水汽的密度大約為干空氣的0.622倍，因此大部分水汽集中在大氣的低層[1]。相較于其他氣體，水汽能夠最先吸收來自地面的輻射，也能放射輻射，從而吸收或放出一定熱量，對(duì)地面和空氣的溫度影響較大，所以了解大氣水汽的變化情況和規(guī)律，對(duì)于人類的生產(chǎn)和生活具有重要意義。

目前監(jiān)測(cè)大氣水汽的主要方法有：GPS遙感監(jiān)測(cè)、氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)以及激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)等。GPS遙感監(jiān)測(cè)和氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)同時(shí)具有實(shí)時(shí)性較好的特點(diǎn)，但GPS的空間分辨率較差，氣象衛(wèi)星所能應(yīng)用的地區(qū)有限制且成本較高，不能用于高精度且普遍的大氣水汽監(jiān)測(cè)[2-3]。相比較，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)成熟，精度高且使用范圍廣泛，具有較好的實(shí)時(shí)性，更能滿足大氣水汽的監(jiān)測(cè)需求。

因此，本文以拉曼激光雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，深入研究重要物理硬件和軟件的工作流程、算法，對(duì)于提升大氣監(jiān)測(cè)的工作效率和準(zhǔn)確性，促進(jìn)拉曼激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為深入探究大氣水汽的變化規(guī)律，本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由激光發(fā)射器、光電接收器以及信號(hào)處理器組成。軟件部分設(shè)計(jì)了采集大氣水汽信號(hào)、探測(cè)大氣水汽散射光子數(shù)和回波光干數(shù)、計(jì)算大氣水汽信噪比和占比5個(gè)程序?；诶す饫走_(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1可知，激光發(fā)射器能夠通過大氣氣溶膠層，保證基波發(fā)射穩(wěn)定的同時(shí)，達(dá)到實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)效果，光電接收器能夠接收發(fā)射并折返激光波，并實(shí)時(shí)觀測(cè)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，信號(hào)處理器能夠獲取CCD接收并處理數(shù)據(jù)，通過拉曼激光雷達(dá)技術(shù)采集大氣水汽信號(hào)，探測(cè)大氣中的散射光子數(shù)和回波光干數(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算大氣水汽的信噪比，推導(dǎo)大氣中水汽占比公式，從而實(shí)現(xiàn)大氣水汽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由激光發(fā)射器、光電接收器和信號(hào)處理器三部分組成。采用激光發(fā)射器，通過大氣的氣溶膠層，確保雷達(dá)激光發(fā)射頻率穩(wěn)定性，利用光電接收器，接收發(fā)射并折返激光波，獲取最精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，通過信號(hào)處理器，獲取CCD接收數(shù)據(jù)并處理，增強(qiáng)系統(tǒng)處理速度與運(yùn)行速度，由此搭建系統(tǒng)硬件部分，評(píng)估與歸納獲得最接近實(shí)際的大氣水汽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 激光發(fā)射器

為穩(wěn)定雷達(dá)激光的發(fā)射頻率，基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的激光發(fā)射器結(jié)合振蕩器和放大器的優(yōu)勢(shì)，發(fā)射棒多采用摻雜氮化鎵材質(zhì)的納米棒，將納米棒放置在發(fā)射器內(nèi)部的絕緣硅層上，連接原子級(jí)光滑銀，產(chǎn)生共振磁場(chǎng)從而發(fā)射激光[4-5]。

傳統(tǒng)激光發(fā)射器的基波多為355 nm或532 nm，難以通過大氣中的氣溶膠，且激光發(fā)射頻率不穩(wěn)，使監(jiān)測(cè)結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，本文采用的激光發(fā)射器基波為1 064 nm[6]，不僅可以完全地通過大氣的氣溶膠層，而且能夠保證發(fā)射頻率的穩(wěn)定性，使接下來的監(jiān)測(cè)結(jié)果更加地貼近于大氣水汽的真實(shí)情況。

2.2 光電接收器

光電接收器在功能上可分為光學(xué)接收部分、激光發(fā)射部分和信號(hào)處理部分。光學(xué)接收器的工作原理如圖2所示。

圖2 光學(xué)接收器的工作原理

根據(jù)圖2可知，光電接收器共有兩大核心構(gòu)建，分別為CCD接收頭、望遠(yuǎn)鏡。

CCD接收頭利用圖2的光學(xué)接收器工作原理進(jìn)行工作，它的主要作用為接收發(fā)射并折返的激光波，而望遠(yuǎn)鏡則是相關(guān)工作者的主要觀察工具，在相關(guān)工作者通過望遠(yuǎn)鏡對(duì)大氣水汽進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)的同時(shí)會(huì)記錄相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，CCD接收頭也會(huì)將同時(shí)接受的激光波進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收，通過光纖將所得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到信號(hào)處理器部分，本文的設(shè)計(jì)可以達(dá)到人力與智能的雙保險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取最精準(zhǔn)最保險(xiǎn)的數(shù)據(jù)。

接收望遠(yuǎn)鏡是直徑為625 mm，相對(duì)孔徑為7.37的卡塞格林型望遠(yuǎn)鏡，主、副鏡都涂有鋁膜，更適合接收寬波段的紫外光至可見光。安裝有一個(gè)變徑小孔徑光闌，可將接收望遠(yuǎn)鏡的主、副鏡的焦點(diǎn)相結(jié)合，使接收鏡頭視場(chǎng)角在0.5～3 mrad范圍內(nèi)可變，后繼光學(xué)單元是由目鏡、分色片和干涉濾光片組成[7-8]。由JGS1石英玻璃制成的目鏡，可以將接收到的大氣反射光轉(zhuǎn)化成平行光。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，信號(hào)探測(cè)是由光電倍增管、放大器、高壓電源以及致冷器組成。兩個(gè)用于Raman波長探測(cè)的光電倍增管是9214QB，一個(gè)用于Rayleigh-Mic波長探測(cè)的光電倍增管是9817B。以上所述的波長監(jiān)測(cè)器由英國 EMI公司制造，線性聚焦光電倍增管的響應(yīng)速度快，線性好，增益高，噪聲低[9]。為降低暗電流，提高信噪比，采用了FACT50制冷機(jī)(-30 C)，并配備了3個(gè)光電倍增管，3套放大器均采用了美國EG&G公司的VT120型前置脈沖放大器。

2.3 信號(hào)處理器

信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)主要由分光器件、光電倍增管、計(jì)算區(qū)三個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4可知，分光器件通過光纖與CCD接收頭相連接，它的主要作用是獲取CCD接收并處理得到數(shù)據(jù)，但是由于獲取的數(shù)據(jù)極為龐大且復(fù)雜，所以為了保障該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)安裝了兩個(gè)光電倍增管來緩存分光器件獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)[10]。

光電倍增管可以增強(qiáng)本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體處理速度與運(yùn)行速度，極大地削弱了卡頓、延遲、崩潰等現(xiàn)象發(fā)生的概率，并且具有強(qiáng)大的IO云吞能力，可以大大增強(qiáng)本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)外部事物的處理反應(yīng)能力。

計(jì)算機(jī)部分則為信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)中最為重要的部分，由分光器件獲取并由光電倍增管緩存的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，最終都會(huì)交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算與處理[11-12]，計(jì)算機(jī)不僅會(huì)對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，而且還可以與相關(guān)工作者獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)配對(duì)與差別對(duì)比，最終通過評(píng)估與歸納獲得最接近實(shí)際的大氣水汽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

拉曼激光雷達(dá)技術(shù)分為震動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)和轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)兩種類型[13]。與大氣中被照射的氣體或者液體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)為震動(dòng)就采用震動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方法，如果分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，則利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方法采集大氣中的水汽信號(hào)。

大氣水汽中的散射光子數(shù)和回波光干數(shù)是人肉眼看不見的，散射光子和回波光存在空氣5 km以外的對(duì)流層內(nèi)，只有借助其他可測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理估算完成探測(cè)，這是因?yàn)榇髿馑械慕M成分子與空氣中氧氣相互稀釋，在一定程度上破壞大氣的空氣質(zhì)量，只有空氣5 km以外才能保留散射光子和回波光的分子，并消除空氣大氣衰減的分子[14-15]。水汽分子在高度5 km的探測(cè)出的震動(dòng)拉曼散射光雷達(dá)光子數(shù)的表達(dá)式如下所示：

(1)

其中:CA(γ)為測(cè)試儀器常數(shù)，當(dāng)氣體為水汽時(shí)，CA(γ)N2為測(cè)試激光雷達(dá)系數(shù)對(duì)于水汽分子的拉曼散射波長儀器常數(shù)，單位為m3；N2是脈沖激光發(fā)射的光子數(shù)；S(t)是接收望遠(yuǎn)鏡的有效截面積，單位為m2；c是空氣中的光速；Δt是拉曼激光雷達(dá)的時(shí)間分辨率，單位是s；(Z)是氣體的幾何因子系數(shù)；Tn2是氣體通道的光學(xué)透過率；Sn2是氣體分子的濃度，單位為g/m2。

同理水汽分子在高度Z(km)的探測(cè)出的震動(dòng)拉曼散射光雷達(dá)光子數(shù)的表達(dá)式如下所示：

(2)

其中物理參數(shù)與公式(1)相同。

探測(cè)完成大汽中散射光子數(shù)和回波光干數(shù)和激光雷達(dá)的回波信號(hào)后，不計(jì)空氣層的微干擾信號(hào)，計(jì)算激光雷達(dá)的大氣的信噪比公式如下所示：

(3)

其中:N2是大氣水汽的脈沖回波信號(hào)，M為手機(jī)激光雷達(dá)的光脈沖數(shù)。

通過公式(2)和(3)的推導(dǎo)，計(jì)算出大氣水汽的占比?；诶す饫走_(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的工作流程如圖5所示。

圖5 大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的工作流程

通過圖5可知，基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為5個(gè)程序，分別通過拉曼激光雷達(dá)技術(shù)去采集大氣水汽的信號(hào)，然后通過探測(cè)大氣中的散射光子數(shù)和回波光干數(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算大氣水汽的信噪比，最后根據(jù)信噪比公式推導(dǎo)出大氣中水汽的占比公式，從而實(shí)現(xiàn)大氣水汽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在此對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提升整體的對(duì)比效果，保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的完整性，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)1

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

為精準(zhǔn)評(píng)估本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，根據(jù)不同的性能，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于GPS遙感的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及基于氣象衛(wèi)星的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比3種大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

由于大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集與計(jì)算難度大，因此需要設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。根據(jù)大氣空氣分子的分布標(biāo)準(zhǔn)可以得知，在相同高度下，水汽分布密度比大氣分布密度約小三個(gè)數(shù)量級(jí)。通過對(duì)氣體的研究發(fā)現(xiàn)，在相同高度、氣壓、溫度環(huán)境下，大氣中氮?dú)獾姆植济芏扰c水汽的分布密度相近，且由于水汽的回波信號(hào)較難采集，因此本文選用氮?dú)庾鳛閰⒖?，從而降低?duì)比實(shí)驗(yàn)的難度，減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性以及可靠性，實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟如下：

1)設(shè)置相應(yīng)的密閉空間，首先抽取密閉空間內(nèi)的所有氣體，使其成為真空狀態(tài)，然后按照一定空氣比例，向密閉空間內(nèi)注入空氣成分，模擬大氣環(huán)境，記錄各種氣體的注入量，尤其是氮?dú)獾淖⑷氡壤?/p>

2)根據(jù)系統(tǒng)需求，安放各種硬件設(shè)備，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，使其回到初始化狀態(tài)。將計(jì)算機(jī)與各種硬件設(shè)備連接在一起，確保數(shù)據(jù)采集、接收和分析過程處于本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，將激光發(fā)射器和光電接收器放置在不同位置，向密閉空間發(fā)射激光射線，調(diào)取光電接收器接收到的數(shù)據(jù)和信號(hào)處理器的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，設(shè)定存儲(chǔ)位置，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。

3)啟動(dòng)大氣水汽軟件程序，對(duì)采集數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，計(jì)算氮?dú)庠诿荛]空間內(nèi)的占比，生成計(jì)算結(jié)果，并與氮?dú)獾淖⑷氡壤M(jìn)行對(duì)比，生成對(duì)比圖表。

4)更換實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)氮?dú)獗壤M(jìn)行再次監(jiān)測(cè)。

5)回到步驟1)將密閉空間內(nèi)的氣體全部抽取，改變氮?dú)獾淖⑷肓?，采用單重大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行再次監(jiān)測(cè)。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法及步驟，在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于GPS遙感的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及基于氣象衛(wèi)星的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比圖

從圖6可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)處理時(shí)間僅為21.6 s，相比基于GPS遙感和基于氣象衛(wèi)星的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間短，其原因在于采用多種軟件算法配合硬件設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算的一體系統(tǒng)，縮短數(shù)據(jù)傳輸途徑，縮短了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。而基于GPS遙感的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間較差，原因在于其采集的數(shù)據(jù)被傳輸至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星傳輸至處理器，傳輸途徑較遠(yuǎn)，延長了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。基于氣象衛(wèi)星的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)不夠成熟，設(shè)備不夠先進(jìn)，對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理過程較慢，降低了其整體的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比后，針對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比圖

從圖7中可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)十分相近，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率可高達(dá)91%，具有較高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，其優(yōu)勢(shì)在于：激光發(fā)射器的發(fā)射頻率穩(wěn)定，采用的軟件程序計(jì)算采集數(shù)據(jù)攜帶的水汽信息精準(zhǔn)，而基于GPS遙感的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)不成熟，所以其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較低?；跉庀笮l(wèi)星的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備易出故障，應(yīng)用技術(shù)較少，造成其誤差較大，準(zhǔn)確率較低。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間較短，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，更適用于大氣水汽的監(jiān)測(cè)和研究。

5 結(jié)束語

為提高當(dāng)前大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，設(shè)計(jì)了基于拉曼激光雷達(dá)的大氣水汽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其激光發(fā)射器、光電接收器和信號(hào)處理器等三種物理硬件進(jìn)行的詳細(xì)介紹，闡述了其系統(tǒng)軟件的工作流程和算法，通過激光發(fā)射器發(fā)射波長為1 036 nm的激光射線，計(jì)算經(jīng)過水汽分子散射后的回波信號(hào)攜帶的大氣水汽分子信息，可以判斷當(dāng)前環(huán)境下，水汽在大氣中的含量，推測(cè)其對(duì)生產(chǎn)作物和人類活動(dòng)的影響，使人們能夠預(yù)測(cè)大氣水汽的變化規(guī)律，將其應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中，從而借助自然資源獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。