專利名稱：基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣象與環(huán)境觀測技術領域，涉及一種對大氣參數(shù)進行遙感的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，主要涉及結合衍射光柵和光纖光柵分光技術的具有低調整復雜性的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，可遙感大氣溫度以及氣溶膠光學特性等大氣參數(shù)。
背景技術：
激光雷達作為一種主動遙感技術已廣泛應用于激光大氣傳輸、全球氣候預測、氣溶膠輻射效應及大氣環(huán)境等研究領域。激光遙感技術的物理基礎是激光輻射與大氣中的原子、分子以及氣溶膠粒子之間相互作用所產生的米散射、瑞利散射、拉曼散射等物理過程。 激光雷達系統(tǒng)的工作原理是由激光器發(fā)出的激光束脈沖射入大氣，由望遠鏡接收激光束與大氣中物質作用后產生的散射信號，并經光學分光處理和光電檢測系統(tǒng)轉換后，輸入信息處理設備(多為計算機)進行數(shù)據(jù)反演處理。利用轉動拉曼散射探測大氣溫度分布的基本原理是轉動拉曼散射截面與大氣溫度之間存在的依賴性，即低量子數(shù)的轉動拉曼散射截面隨溫度的增加而單調減少，而高量子數(shù)的轉動拉曼散射截面隨溫度的增加而單調增加。但由于拉曼散射是一種由大氣分子或原子引起的非彈性散射，其散射截面與米散射和瑞利散射相比小約為3、個數(shù)量級，需要轉動拉曼激光雷達的分光系統(tǒng)能夠對米散射和瑞利散射等彈性散射信號提供至少7個數(shù)量級的抑制，以實現(xiàn)從強烈的彈性散射信號中提取微弱的轉動拉曼信號，另外，白天探測時還需考慮太陽背景光的濾除效果。故作為轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)關鍵技術之一的分光技術成為國內外研究的熱點和重點，目前已有雙窄帶干涉濾光片、雙衍射光柵單色儀、F-P標準具、單衍射光柵與金屬蒸汽濾波器結合等，但是已有分光系統(tǒng)都存在調整復雜、體積較大等缺點，從而限制了轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)在車載、機載及星載等領域的應用，而光纖布喇格光柵技術具有優(yōu)良的波長選擇性，光譜分辨率高，調整簡單，插入損耗低，易于光纖兼容等優(yōu)點，其在通信及傳感領域的應用日趨廣泛和成熟。另外已有轉動拉曼測溫激光雷達一般需要其它測量裝置進行參數(shù)校正，不能進行大氣絕對溫的遙感探測。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中存在的調整復雜、體積大、重量重不利于轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)在車載、機載及星載等領域應用的問題。本發(fā)明的技術方案為，基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)以及信息處理系統(tǒng)；
激光發(fā)射系統(tǒng)，包括發(fā)射脈沖激光束的Nd =YAG脈沖激光器、對脈沖激光進行準直擴束的擴束器，還包括多個反射鏡，多個反射鏡的設置使準直擴束后的激光垂直射向大氣；
接收系統(tǒng)，用于接收激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光，并將接收到的后向散射光耦合到多模光纖，通過多模光纖導入分光系統(tǒng)；分光系統(tǒng)，用于將后向散射光中的轉動拉曼散射信號、米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲進行分離，并濾除米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲，將轉動拉曼散射信號導入光電檢測系統(tǒng)；所述分光系統(tǒng)包括正透鏡、閃耀光柵、光纖陣列、光纖耦合器和光纖布喇格光柵， 光纖陣列和閃耀光柵分別位于正透鏡的前后兩側，光纖陣列上連接有多根光纖，每根光纖上設置有一光纖耦合器，光纖耦合器有三個端口分別為PA、PB和？(，端口 PB與光纖布喇格光柵連接；正透鏡用于將后向散射光準直后照射在閃耀光柵上，閃耀光柵用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光經正透鏡會聚在焦平面上，實現(xiàn)不同波長的光在空間上的第一級分光，濾除了部分米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲；光纖陣列用于將焦平面上會聚的混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號耦合進光纖中；光纖耦合器的PA端用于接收混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號，光纖耦合器的PB端用于將混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號輸送至光纖布喇格光柵，光纖布喇格光柵用于將米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲進一步過濾， 進行第二級分光，光纖耦合器的PC端用于將濾光后的轉動拉曼散射信號輸送至光電檢測系統(tǒng)；
光電檢測系統(tǒng)，用于將分離后的轉動拉曼散射信號轉換為電信號，并輸送至信息處理系統(tǒng)；
信息處理系統(tǒng)，預裝入氣象和大氣環(huán)境參數(shù)反演算法程序，用于對接收的不同轉動量子數(shù)的轉動拉曼散射信號和米-瑞利散射信號進行分析處理，得到大氣溫度氣象參數(shù)、大氣氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、氣溶膠光學厚度和大氣能見度大氣環(huán)境參數(shù)值。
本發(fā)明的有益效果是，減少了轉動拉曼激光雷達分光系統(tǒng)調整自由度，具有結構緊湊、體積小、重量輕的優(yōu)點，且具有一定的白天遙感探測能力，使轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)適用于車載、機載及星載的應用。另外，本發(fā)明結合衍射光柵耦合效率高及光纖光柵調整復雜度低的優(yōu)點，采用閃耀光柵與光纖光柵相結合的分光結構，構建具有適當耦合效率和調整復雜度的拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)。分光系統(tǒng)中只有1個衍射光柵和1個光纖陣列需要進行機械調整，且衍射光柵需要2個轉動調整自由度，光纖陣列具有6個調整自由度，而雙衍射光柵擁有2個衍射光柵和2組光纖陣列，因此該分光系統(tǒng)減少了調整自由度；另外，光纖布喇格光柵由于具有較窄的光譜帶寬，因此將會減弱太陽背景噪聲的影響。本發(fā)明分光系統(tǒng)對米_瑞利信號的濾除率達到6 7個數(shù)量級，可保證溫度探測所需的信噪比，因而可實現(xiàn)低空大氣溫度探測。數(shù)值計算結果表明，該激光雷達系統(tǒng)在太陽背景噪聲的輻射能量密度為3X IO8 ffm^sr^nm-1條件下，利用反斯托克斯分支的拉曼譜型反演大氣絕對溫度值，白天探測高度約為2 km，晚上探測高度約為5 km。


圖1是本發(fā)明轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)的結構原理圖2是本發(fā)明轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)中分光系統(tǒng)結構原理圖； 圖3是本發(fā)明轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)中閃耀光柵衍射效率圖； 圖4是本發(fā)明拉曼譜型與光纖陣列結構圖5是本發(fā)明轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)中光纖布喇格光柵的反射光譜圖； 圖6是本發(fā)明分光系統(tǒng)輸出的部分拉曼通道信號圖；圖7是本發(fā)明大氣絕對溫度及相關參數(shù)的反演仿真廓線。圖中，1.激光發(fā)射系統(tǒng)，2.接收系統(tǒng)，3.分光系統(tǒng)，4.光電檢測系統(tǒng)，5.信息處理系統(tǒng)，6. Nd:YAG脈沖激光器，7.擴束器，8.多模光纖，9.正透鏡，10.閃耀光柵，11.光纖陣列，12.光纖耦合器，13.光纖布喇格光柵，M1、M2、M3.反射鏡。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明借鑒現(xiàn)有雙衍射光柵分光技術，并結合光纖布喇格光柵13分光帶寬窄且纖芯直徑小的優(yōu)點，構建用于轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)的調整較簡單的新型分光系統(tǒng)，進行轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)后向散射光的光譜空間分離、米-瑞利散射強光信號的抑制及白天太陽背景噪聲的濾除，且具有轉動拉曼譜型的探測能力，可進而反演大氣的絕對溫度值，對大氣的各種參數(shù)進行遙感探測。如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)， 包括激光發(fā)射系統(tǒng)1、接收系統(tǒng)2、分光系統(tǒng)3、光電檢測系統(tǒng)4以及信息處理系統(tǒng)5。激光發(fā)射系統(tǒng)1包括Nd =YAG脈沖激光器6、擴束器7以及多個反射鏡M1、M2、M3 ； Nd =YAG脈沖激光器6發(fā)出波長為532. 25nm的脈沖激光束，經擴束器7對脈沖激光準直擴束后，再通過多個反射鏡Ml、M2、M3垂直射向大氣。接收系統(tǒng)2，用于接收激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光， 并將接收到的后向散射光耦合到多模光纖8，通過多模光纖8導入分光系統(tǒng)3。分光系統(tǒng)3，用于將后向散射光中的轉動拉曼散射信號、米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲進行分離，并濾除米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲，將轉動拉曼散射信號送入光電探測部件4。如圖2所示，分光系統(tǒng)3包括正透鏡9、閃耀光柵10、光纖陣列11、光纖耦合器12和光纖布喇格光柵13，光纖陣列11和閃耀光柵10分別位于正透鏡9的前后兩側， 光纖陣列11上連接有多根光纖，每根光纖上設置有一光纖耦合器12，光纖耦合器12有三個端口分別為PA、PB和PC，端口 PB與光纖布喇格光柵13連接。其工作原理是后向散射光通過多模光纖8導入分光系統(tǒng)3，后向散射光經正透鏡9準直后照射在閃耀光柵10上， 閃耀光柵10再反射具有不同衍射角的衍射光經正透鏡9會聚在焦平面上，此時不同波長的光將在空間上分離，進行第一次分光，但是由于閃耀光柵10存在由周期性刻劃誤差而導致的雜散光，故焦平面的轉動拉曼散射信號仍混有較強的米-瑞利散射信號和太陽背景噪聲；焦平面上會聚的混有米-瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號經空間結構匹配的光纖陣列11耦合進光纖中，然后經過光纖耦合器12的端口 PA從端口 PB輸出，經光纖布喇格光柵13的濾光，進行第二次分光，再次濾除米-瑞利散射信號和太陽背景噪聲， 濾光后的轉動拉曼散射信號經端口 PC輸出，這樣就完成了轉動拉曼散射信號的分光。而較強烈的米-瑞利散射信號經窄帶光纖布喇格光柵13濾光后，將減弱其對轉動拉曼散射信號的影響，具有較好的溫度遙感探測能力，另外，白天的太陽背景光經窄帶光纖布喇格光柵13 濾光后，其對轉動拉曼散射信號的干擾也將減弱，故具有較好的白天遙感探測能力。光電檢測系統(tǒng)4，用于將分離后的轉動拉曼散射信號轉換為電信號，并輸送至信息處理系統(tǒng)5。信息處理系統(tǒng)5，預裝入氣象和大氣環(huán)境參數(shù)反演算法程序，用于對接收的不同
權利要求
1.基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其特征在于包括激光發(fā)射系統(tǒng) (1)、接收系統(tǒng)(2)、分光系統(tǒng)(3)、光電檢測系統(tǒng)(4)以及信息處理系統(tǒng)(5)；激光發(fā)射系統(tǒng)(1 )，包括發(fā)射脈沖激光束的Nd =YAG脈沖激光器(6)、對脈沖激光進行準直擴束的擴束器(7)，還包括多個反射鏡(Ml、M2、M3)，多個反射鏡(Ml、M2、M3)的設置使準直擴束后的激光垂直射向大氣；接收系統(tǒng)(2)，用于接收激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光，并將接收到的后向散射光耦合到多模光纖(8)，通過多模光纖(8)導入分光系統(tǒng)(3)；分光系統(tǒng)(3)，用于將后向散射光中的轉動拉曼散射信號、米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲進行分離，并濾除米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲，將轉動拉曼散射信號導入光電檢測系統(tǒng)(4)；所述分光系統(tǒng)(3)包括正透鏡(9)、閃耀光柵(10)、光纖陣列(11)、光纖耦合器(12)和光纖布喇格光柵(13)，光纖陣列(11)和閃耀光柵(10)分別位于正透鏡(9)的前后兩側，光纖陣列(11)上連接有多根光纖，每根光纖上設置有一光纖耦合器(12)，光纖耦合器(12)有三個端口分別為PA、PB和？(，端口 PB與光纖布喇格光柵(13)連接；所述正透鏡(9)用于將后向散射光準直后照射在閃耀光柵(10)上，閃耀光柵(10)用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光經正透鏡(9)會聚在焦平面上，實現(xiàn)不同波長的光在空間上的第一級分光，濾除了部分米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲；光纖陣列(11)用于將焦平面上會聚的混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號耦合進光纖中； 光纖耦合器(12)的PA端用于接收混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號，光纖耦合器(12)的PB端用于將混有米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲的轉動拉曼散射信號輸送至光纖布喇格光柵(13)，光纖布喇格光柵(13)用于將米一瑞利散射信號和太陽背景噪聲進一步過濾，進行第二級分光，光纖耦合器(12)的PC端用于將濾光后的轉動拉曼散射信號輸送至光電檢測系統(tǒng)(4)；光電檢測系統(tǒng)(4)，用于將分離后的轉動拉曼散射信號轉換為電信號，并輸送至信息處理系統(tǒng)(5)；信息處理系統(tǒng)(5)，預裝入氣象和大氣環(huán)境參數(shù)反演算法程序，用于對接收的不同轉動量子數(shù)的轉動拉曼散射信號和米_瑞利散射信號進行分析處理，得到大氣溫度氣象參數(shù)、 大氣氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、氣溶膠光學厚度和大氣能見度大氣環(huán)境參數(shù)值。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其特征在于所述大氣溫度氣象參數(shù)通過拉曼譜型的絕對溫度反演算法得到的。
3.根據(jù)權利要求1所述的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其特征在于所述閃耀光柵(10)采用1階次閃耀光柵。
4.根據(jù)權利要求1所述的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其特征在于所述接收系統(tǒng)(2)為望遠鏡接收系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求1所述的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其特征在于所述Nd:YAG脈沖激光器(6)發(fā)出的波長為532. 25nm的脈沖激光束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光柵技術分光結構的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)以及信息處理系統(tǒng)；分光系統(tǒng)包括正透鏡、閃耀光柵、光纖陣列、光纖耦合器和光纖布喇格光柵，光纖陣列和閃耀光柵分別位于正透鏡的前后兩側，光纖陣列上連接有多根光纖，每根光纖上設置有一光纖耦合器，光纖耦合器有三個端口分別為PA、PB和PC，端口PB與光纖布喇格光柵連接；本發(fā)明減少了轉動拉曼激光雷達分光系統(tǒng)調整自由度，具有結構緊湊、體積小、重量輕的優(yōu)點，且具有一定的白天遙感探測能力，使轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)適用于車載、機載及星載的應用。
文檔編號G02B6/34GK102323596SQ201110152348
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權日2011年6月8日
發(fā)明者華燈鑫, 宋躍輝, 李仕春 申請人:西安理工大學