基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統設計

閆子瑜，楊延寧

(延安大學 物理與電子信息學院，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%，水汽的本質是呈現為氣態的水，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律，對于人類的生產和生活具有重要意義。

目前監測大氣水汽的主要方法有：GPS遙感監測、氣象衛星監測以及激光雷達監測等。GPS遙感監測和氣象衛星監測同時具有實時性較好的特點，但GPS的空間分辨率較差，氣象衛星所能應用的地區有限制且成本較高，不能用于高精度且普遍的大氣水汽監測[2-3]。相比較，激光雷達監測技術成熟，精度高且使用范圍廣泛，具有較好的實時性，更能滿足大氣水汽的監測需求。

因此，本文以拉曼激光雷達技術為基礎，設計了基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統，對系統的硬件和軟件進行詳細設計，深入研究重要物理硬件和軟件的工作流程、算法，對于提升大氣監測的工作效率和準確性，促進拉曼激光雷達技術的發展具有重要作用。

1 系統結構及原理

為深入探究大氣水汽的變化規律，本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統的硬件部分主要由激光發射器、光電接收器以及信號處理器組成。軟件部分設計了采集大氣水汽信號、探測大氣水汽散射光子數和回波光干數、計算大氣水汽信噪比和占比5個程序。基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統結構如圖1所示。

圖1 基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統結構圖

根據圖1可知，激光發射器能夠通過大氣氣溶膠層，保證基波發射穩定的同時，達到實時性的監測效果，光電接收器能夠接收發射并折返激光波，并實時觀測相關監測數據，信號處理器能夠獲取CCD接收并處理數據，通過拉曼激光雷達技術采集大氣水汽信號，探測大氣中的散射光子數和回波光干數，根據監測數據計算大氣水汽的信噪比，推導大氣中水汽占比公式，從而實現大氣水汽實時監測。

2 基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統硬件設計

基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統硬件主要由激光發射器、光電接收器和信號處理器三部分組成。采用激光發射器，通過大氣的氣溶膠層，確保雷達激光發射頻率穩定性，利用光電接收器，接收發射并折返激光波，獲取最精準的數據，通過信號處理器，獲取CCD接收數據并處理，增強系統處理速度與運行速度，由此搭建系統硬件部分，評估與歸納獲得最接近實際的大氣水汽監測數據。

2.1 激光發射器

為穩定雷達激光的發射頻率，基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統采用的激光發射器結合振蕩器和放大器的優勢，發射棒多采用摻雜氮化鎵材質的納米棒，將納米棒放置在發射器內部的絕緣硅層上，連接原子級光滑銀，產生共振磁場從而發射激光[4-5]。

傳統激光發射器的基波多為355 nm或532 nm，難以通過大氣中的氣溶膠，且激光發射頻率不穩，使監測結果與真實數據存在一定的誤差，本文采用的激光發射器基波為1 064 nm[6]，不僅可以完全地通過大氣的氣溶膠層，而且能夠保證發射頻率的穩定性，使接下來的監測結果更加地貼近于大氣水汽的真實情況。

2.2 光電接收器

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

圖2 光學接收器的工作原理

根據圖2可知，光電接收器共有兩大核心構建，分別為CCD接收頭、望遠鏡。

CCD接收頭利用圖2的光學接收器工作原理進行工作，它的主要作用為接收發射并折返的激光波，而望遠鏡則是相關工作者的主要觀察工具，在相關工作者通過望遠鏡對大氣水汽進行實時觀測的同時會記錄相關的監測數據，CCD接收頭也會將同時接受的激光波進行實時數據接收，通過光纖將所得到的實時數據傳遞到信號處理器部分，本文的設計可以達到人力與智能的雙保險監測，進而獲取最精準最保險的數據。

接收望遠鏡是直徑為625 mm，相對孔徑為7.37的卡塞格林型望遠鏡，主、副鏡都涂有鋁膜，更適合接收寬波段的紫外光至可見光。安裝有一個變徑小孔徑光闌，可將接收望遠鏡的主、副鏡的焦點相結合，使接收鏡頭視場角在0.5～3 mrad范圍內可變，后繼光學單元是由目鏡、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化成平行光。其結構如圖3所示。

圖3 望遠鏡結構圖

由圖3可知，信號探測是由光電倍增管、放大器、高壓電源以及致冷器組成。兩個用于Raman波長探測的光電倍增管是9214QB，一個用于Rayleigh-Mic波長探測的光電倍增管是9817B。以上所述的波長監測器由英國 EMI公司制造，線性聚焦光電倍增管的響應速度快，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(-30 C)，并配備了3個光電倍增管，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 信號處理器

信號處理器結構主要由分光器件、光電倍增管、計算區三個部分組成，其結構如圖4所示。

圖4 信號處理器結構圖

根據圖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接收并處理得到數據，但是由于獲取的數據極為龐大且復雜，所以為了保障該系統的穩定運行，信號處理器結構安裝了兩個光電倍增管來緩存分光器件獲取的相關數據[10]。

光電倍增管可以增強本文所設計系統的整體處理速度與運行速度，極大地削弱了卡頓、延遲、崩潰等現象發生的概率，并且具有強大的IO云吞能力，可以大大增強本文所設計系統對外部事物的處理反應能力。

計算機部分則為信號處理器結構中最為重要的部分，由分光器件獲取并由光電倍增管緩存的相關實時數據，最終都會交由計算機進行計算與處理[11-12]，計算機不僅會對所獲得的數據進行實時計算，而且還可以與相關工作者獲得的數據進行實時配對與差別對比，最終通過評估與歸納獲得最接近實際的大氣水汽監測數據。

3 基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統軟件設計

拉曼激光雷達技術分為震動拉曼散射激光雷達和轉動拉曼散射激光雷達兩種類型[13]。與大氣中被照射的氣體或者液體的內部運動形式有關，內部運動為震動就采用震動拉曼散射激光雷達方法，如果分子內部運動為轉動，則利用轉動拉曼散射激光雷達方法采集大氣中的水汽信號。

大氣水汽中的散射光子數和回波光干數是人肉眼看不見的，散射光子和回波光存在空氣5 km以外的對流層內，只有借助其他可測量的數據進行推理估算完成探測，這是因為大氣水汽中的組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的探測出的震動拉曼散射光雷達光子數的表達式如下所示：

(1)

其中:CA(γ)為測試儀器常數，當氣體為水汽時，CA(γ)N2為測試激光雷達系數對于水汽分子的拉曼散射波長儀器常數，單位為m3；N2是脈沖激光發射的光子數；S(t)是接收望遠鏡的有效截面積，單位為m2；c是空氣中的光速；Δt是拉曼激光雷達的時間分辨率，單位是s；(Z)是氣體的幾何因子系數；Tn2是氣體通道的光學透過率；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)的探測出的震動拉曼散射光雷達光子數的表達式如下所示：

(2)

其中物理參數與公式(1)相同。

探測完成大汽中散射光子數和回波光干數和激光雷達的回波信號后，不計空氣層的微干擾信號，計算激光雷達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，M為手機激光雷達的光脈沖數。

通過公式(2)和(3)的推導，計算出大氣水汽的占比。基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統軟件的工作流程如圖5所示。

圖5 大氣水汽監測系統軟件的工作流程

通過圖5可知，基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統分為5個程序，分別通過拉曼激光雷達技術去采集大氣水汽的信號，然后通過探測大氣中的散射光子數和回波光干數，根據監測到的數據計算大氣水汽的信噪比，最后根據信噪比公式推導出大氣中水汽的占比公式，從而實現大氣水汽實時監測。

4 實驗分析

4.1 實驗參數

在此對比實驗中，根據兩個不同的實驗參數進行對比實驗，提升整體的對比效果，保證對比實驗的完整性，設置的實驗參數如表1和表2所示。

表1 實驗參數1

表2 實驗參數

4.2 實驗方法及步驟

為精準評估本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統的監測能力，根據不同的性能，設置相應的實驗環境進行對比實驗，選擇本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統和基于GPS遙感的大氣水汽監測系統及基于氣象衛星的大氣水汽監測系統為實驗對象，在相同的實驗環境下進行對比實驗，對比3種大氣水汽監測系統的數據處理時間和監測準確性。

由于大氣水汽監測系統工作環境復雜，數據采集與計算難度大，因此需要設置相應的實驗環境。根據大氣空氣分子的分布標準可以得知，在相同高度下，水汽分布密度比大氣分布密度約小三個數量級。通過對氣體的研究發現，在相同高度、氣壓、溫度環境下，大氣中氮氣的分布密度與水汽的分布密度相近，且由于水汽的回波信號較難采集，因此本文選用氮氣作為參考，從而降低對比實驗的難度，減少實驗誤差，提高實驗結果準確性以及可靠性，實驗的具體操作步驟如下：

1)設置相應的密閉空間，首先抽取密閉空間內的所有氣體，使其成為真空狀態，然后按照一定空氣比例，向密閉空間內注入空氣成分，模擬大氣環境，記錄各種氣體的注入量，尤其是氮氣的注入比例。

2)根據系統需求，安放各種硬件設備，調整設備參數，使其回到初始化狀態。將計算機與各種硬件設備連接在一起，確保數據采集、接收和分析過程處于本文系統的監測范圍內，將激光發射器和光電接收器放置在不同位置，向密閉空間發射激光射線，調取光電接收器接收到的數據和信號處理器的處理數據進行保存，設定存儲位置，保證實驗數據的完整性。

3)啟動大氣水汽軟件程序，對采集數據和信號進行相應的計算，計算氮氣在密閉空間內的占比，生成計算結果，并與氮氣的注入比例進行對比，生成對比圖表。

4)更換實驗對象，對氮氣比例進行再次監測。

5)回到步驟1)將密閉空間內的氣體全部抽取，改變氮氣的注入量，采用單重大氣水汽監測系統進行再次監測。

4.3 結果分析

根據上述實驗方法及步驟，在相應的實驗環境下進行對比實驗，對比基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統和基于GPS遙感的大氣水汽監測系統及基于氣象衛星的大氣水汽監測系統的數據處理時間和監測準確性。

數據處理時間對比如圖6所示。

圖6 數據處理時間對比圖

從圖6可以看出，本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統的平均數據處理時間僅為21.6 s，相比基于GPS遙感和基于氣象衛星的大氣水汽監測系統的數據處理時間短，其原因在于采用多種軟件算法配合硬件設備的使用，實現數據采集、數據接收、數據處理、數據計算的一體系統，縮短數據傳輸途徑，縮短了數據傳輸時間。而基于GPS遙感的大氣水汽監測系統的數據處理時間較差，原因在于其采集的數據被傳輸至衛星，再由衛星傳輸至處理器，傳輸途徑較遠，延長了數據處理時間。基于氣象衛星的大氣水汽監測系統技術不夠成熟，設備不夠先進，對于復雜數據的處理過程較慢，降低了其整體的數據處理時間。

進行數據處理時間對比后，針對系統的監測準確進行對比，對比結果如圖7所示。

圖7 監測準確率對比圖

從圖7中可以看出，本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統的監測數據與實際數據十分相近，監測準確率可高達91%，具有較高的監測準確率，其優勢在于：激光發射器的發射頻率穩定，采用的軟件程序計算采集數據攜帶的水汽信息精準，而基于GPS遙感的大氣水汽監測系統應用的技術不成熟，所以其監測準確率較低。基于氣象衛星的大氣水汽監測系統的設備易出故障，應用技術較少，造成其誤差較大，準確率較低。

綜上所述，本文設計的基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統的數據處理時間較短，監測準確率較高，更適用于大氣水汽的監測和研究。

5 結束語

為提高當前大氣水汽監測系統監測準確率，縮短數據處理時間，設計了基于拉曼激光雷達的大氣水汽監測系統，對其激光發射器、光電接收器和信號處理器等三種物理硬件進行的詳細介紹，闡述了其系統軟件的工作流程和算法，通過激光發射器發射波長為1 036 nm的激光射線，計算經過水汽分子散射后的回波信號攜帶的大氣水汽分子信息，可以判斷當前環境下，水汽在大氣中的含量，推測其對生產作物和人類活動的影響，使人們能夠預測大氣水汽的變化規律，將其應用到實踐生產中，從而借助自然資源獲得更多的經濟效益。