專利名稱：振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設計了一種振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)及其處理方法，通過設計光路對拉曼激光雷達系統(tǒng)接收的后向散射光進行分別處理，其中高空直接對通過窄帶濾光片的信號進行探測，而低空通道使大氣后向散射信號兩次經(jīng)過窄帶濾光片，進一步壓縮拉曼激光雷達系統(tǒng)的中的噪聲，能夠提高系統(tǒng)信噪比。在探測大氣溫度廓線信息過程中，本發(fā)明解決了激光雷達信號動態(tài)范圍大和低空拉曼散射信號受彈性散射信號影響兩個問題。
背景技術(shù)：
大氣溫度廓線在多個研究領(lǐng)域均有重要應用。在氣候?qū)W研究方面，全球氣候變暖越來越被人們重視，全球氣候變暖使海平面上升，將使很多島國面臨災難；同時使極端溫度天氣頻頻出現(xiàn)，極端天氣的出現(xiàn)對人類生活、生產(chǎn)帶來不利影響。溫度廓線的長期觀測則表明，雖然對流層底部溫度在降低，對流層頂部和平流層溫度卻在升高，因此，對大氣溫度廓線的長期監(jiān)測是研究氣候變化的一個重要方面。
在氣象學研究方面，大氣溫度是大氣物理、天氣分析與預報中的一個重要氣象參數(shù)。在大氣動力學研究中，準確的大氣溫度信息對大氣穩(wěn)定性研究和動力學研究十分重要，同時準確的大氣溫度信息能夠有助解釋自然中的天氣現(xiàn)象，能夠提高數(shù)值天氣預報的準確性。在平流層大氣研究中，溫度則與臭氧吸收太陽輻射加熱有很大關(guān)系，該區(qū)溫度變化間接反映了臭氧的變化，同時，高空大氣溫度與高空重力波和大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)相關(guān)。除地球物理學方面的研究之外，大氣溫度廓線還是其他一些遙感手段的輸入?yún)?shù)，例如使用拉曼激光雷達進行散射和消光測量等?？傊?，多項研究迫切需要從邊界層到中間層底部的大氣溫度廓線信息。
由于大氣溫度的重要性，對大氣溫度的測量由來已久，除傳統(tǒng)的大氣溫度測量方式外，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，大氣溫度測量激光雷達逐漸發(fā)展為一種新興的大氣溫度測量儀器。大氣溫度測量激光雷達具有時空分辨率高的特點， 一般分為下面幾類轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達、振動拉曼激光雷達、瑞利激光雷達、金屬離子熒光激光雷達。多種技術(shù)的激光雷達互相補充，共同構(gòu)成從地面到高空110Km處溫度廓線的測量體系。其中，振動拉曼散射激光雷達使用積分技術(shù)反演大氣溫度，探測的波長不同于發(fā)射波長，所以接收系統(tǒng)中不需要高分辨光譜部分，簡化了激光雷達系統(tǒng)，因此，在測量精度許可的情況下可以利用振動拉曼散射代替純轉(zhuǎn)動拉曼散射。對于瑞利激光雷達， 一般的探測區(qū)域是30Km以上氣溶膠影響可以忽略的區(qū)域，對 于5-30Km的區(qū)域內(nèi)，高于轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達探測的極限，低于瑞利激光雷達的探測極限， 只能使用轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達進行探測。法國國家研究中心Philippe Keckhut1990報道了綜合使 用振動拉曼和瑞利技術(shù)的激光雷達系統(tǒng)，其振動拉曼通道最低的測量高度為12Km。美國宇 航局的KdthD. Evans 1997年報道的振動拉曼激光雷達測量高度最低為5Km，可以與轉(zhuǎn)動拉 曼激光雷達重合，但其測量的最大高度僅為10Km，不能達到瑞利測溫的最低高度。國內(nèi)， 中科院安徽光機所報道的振動拉曼激光雷達測量結(jié)果顯示該系統(tǒng)在9-15Km范圍內(nèi)溫度測量 的準確度較高。綜合分析多家研究單位的振動拉曼激光雷達的探測結(jié)果可以看出，限制振動 拉曼激光雷達測量范圍增大的主要原因有兩個其一，轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達信號本身比較弱(比 米-瑞利信號小3-4個數(shù)量級)，其二，激光雷達方程距離平方因子的存在使激光雷達信號的 動態(tài)范圍變化很大，高空信號很弱。上述兩個原因存在一定的矛盾性，高空拉曼散射信號弱， 要求增強發(fā)射激光以獲得更多的拉曼散射，但激光能量的增強，會使米-瑞利信號同時增強， 甚至使光電倍增管飽和，無益于提高系統(tǒng)的信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題通過分高空和低空兩個通道進行探測，解決激光雷達信號的動 態(tài)范圍大的問題，并對低空通道設計光路，使光信號兩次通過濾波，進一步壓縮背景噪聲和 彈性散射噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，從而提高了拉曼激光雷達溫度測量的準確性和擴大溫度 測量范圍。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
(1) 一臺脈沖激光器；
(2) 反射脈沖激光的第一反光鏡和第二反光鏡；
(3) 收集大氣的后向散射光信號的望遠鏡；
(4) 限制接收系統(tǒng)視場角的小孔光闌和信號光準直透鏡；
(5) 第三反光鏡；
(6) 濾除光信號噪聲的窄帶濾光片；
(7) 檢測光信號的光電倍增管；
(8) 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，主要包括主控計算機和光子計數(shù)卡，該系統(tǒng)與激光器和光電倍 增管相連；其特征是
(9) 所述光電倍增管包括第一光電倍增管和第二光電倍增管，兩光電倍增管分別設置在窄帶濾波片的兩側(cè)檢測光信號；
(10)系統(tǒng)還包括一個三棱鏡，它設置在第一光電倍增管與窄帶濾光片之間，將透射部 分光送入第一光電倍增管，反射部分光再窄帶濾光片后送入第二光電倍增管。
振動拉曼激光雷達散射光處理方法，其特征在于它包括以下步驟
(1) 主控計算機控制激光器發(fā)射脈沖激光，通過兩個反光鏡全反射進入大氣；
(2) 大氣的后向散射通過望遠鏡收集，經(jīng)準直鏡將信號光準直；
(3) 準直后的散射光信號經(jīng)過窄帶濾光片的上半部，濾除背景噪聲和激光的彈性散射；
(4) 經(jīng)過一次窄帶濾光片的光信號進入三棱鏡，在第一個反射面上，信號光的透過和反 射比值為l: 1，
(5) 透射光部分進入第一光電倍增管進行高空探測；
(6) 反射部分的光信號經(jīng)過三棱鏡的第二反射面發(fā)生全射反，由窄帶濾光片的下半部第 二次進入窄帶濾光片(進一步濾除背景噪聲和彈性散射)，并由第二光電倍增管探測(將光信 號轉(zhuǎn)化為電信號)；
(7) 第一、第二光電倍增管探測到的信號由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行采集處理。 本發(fā)明中所說激光器為Nd:YAG激光器，單脈沖能量可調(diào)，最大為260mJ，激光器工作
在外觸發(fā)狀態(tài)，可以通過調(diào)節(jié)激光器泵浦電流的方式調(diào)節(jié)激光脈沖能量。所說接收望遠鏡為 卡塞格林望遠鏡，焦距為2m，配以小孔限制整個激光雷達的接收角。所說的窄帶濾光片，其 作用是保留需要的拉曼光信號而濾除作為噪聲存在的光信號，是激光雷達系統(tǒng)的核心部件， 其工作直徑為l英寸，透過中心波長為607nm，峰值透過率大于40%, 200-1200nm之間壓制 率為107， 532nm理論壓制率可以達到1012,窄帶濾光片的透過光譜如圖2所示。所說的反射 三棱鏡，入射面鍍有607nm增透膜，第一個反射面的鍍有607nm波長半反半透膜，第二個反 射面鍍有607nm的全反膜。三棱鏡的第一反射面與第一光電倍增管對應窄帶濾波片的上半部 位置；三棱鏡的第二反射面與第二光電倍增管對應窄帶濾波片的下半部位置。
所說的光電倍增管具有較高的增益能夠?qū)崿F(xiàn)單光子的探測。所說的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包 括，光子計數(shù)卡和主控計算機，光子計數(shù)卡探測光電倍增管輸出的電信號，主控計算機主要 功能是提供激光器的外觸發(fā)脈沖信號、兩個光電倍增管的門控信號、光子計數(shù)卡的觸發(fā)信號。 光子計數(shù)卡的采樣速率為200MHz，計數(shù)閾值電壓可調(diào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點在于
(l)本發(fā)明解決了激光雷達信號強度動態(tài)范圍大的問題。將探測的激光雷達的信號分成高
6空段、低空段分別進行探測，高空一般為5-15km的區(qū)域內(nèi)，低空一般指15-30km的區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明使用兩個倍增管和光子計數(shù)技術(shù)分別探測，解決了激光雷達信號動態(tài)范圍大而難以探測的問題。
(2) 本發(fā)明進一步壓縮噪聲。設計光路使低空散射光兩次經(jīng)過窄帶濾光片，進一步壓縮背景噪聲和彈性散射噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，使探測范圍向低空擴展。
(3) 本發(fā)明可以提高單脈沖能量的方式，增加系統(tǒng)測量準確度。通過激光雷達分段探測和兩次壓縮噪聲，系統(tǒng)接收到的信號雖然比較弱，但是很純的拉曼散射信號，因此，可以通過增加激光雷達單脈沖能量的方式進一步提高系統(tǒng)的信噪比。
(4) 本發(fā)明解決了多個濾光片的波長匹配問題。顯然，若讓低空信號連續(xù)通過兩個窄帶濾光片，也能進一歩壓縮低空的信號，但這種方式勢必存在波長匹配的問題(兩個窄帶濾光片的中心波長不一定相同)。而事實上，又有工藝上的問題，兩個窄帶濾光片很難做到波長完全匹配，波長不匹配使探測效率下降。即使兩個濾光片能夠做到波長匹配，其透過率中心波長隨溫度的變化也不盡相同，也就是說，溫度稍微發(fā)生變化，波長就不再匹配。而本發(fā)明提出的信號光兩次經(jīng)過同一個濾光片，由于是同一個濾光片，不存在波長匹配和外界溫度的影響，所以解決了濾光片的波長匹配問題。


圖1為振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為窄帶濾光片透過光譜示意圖。圖3為三棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)一激光器；2 —第一反光鏡；3 —第二反光鏡；4-望遠鏡；5-小孔光闌；6-準直鏡；7-第三全反鏡；8-窄帶濾光片；81-信號光單次通過濾光片的透過率光譜；82-信號光兩次通過濾光片的透過率光譜；
9- 三棱鏡；91-信號光入射面(鍍有607nm增透膜)；92-第一反射面(鍍有607nm半反膜)；93-第二反射面(鍍有607nm的全反膜)；
10- 第一光電倍增管；ll-第二光電倍增管；12-數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
具體實施例方式
如圖l所示，本發(fā)明基于新穎光路的振動拉曼溫度測量激光雷達，它使用三棱鏡將拉曼散射光信號分為高空和低空兩個通道，高空光信號直接探測，低空光信號兩次通過窄帶濾光片，可以提高拉曼激光雷達溫度測量的準確性和溫度測量范圍。
7如圖2所示，窄帶濾光片的透過光譜，81為單次通過濾光片的歸一化后透過率光譜，82 為兩次通過濾光片的歸一化透過率光譜。兩次通過濾光片后通過率為單次通過的平方，具有 更高的噪聲信號壓縮能力和更窄的通帶帶寬。
如圖3所示，三棱鏡入射面91鍍有607nm增透膜，第一個反射面92的鍍有607nm波 長半反半透膜，第二個反射面93鍍有607nm的全反膜。光信號走向如圖所示，其中箭頭表 示光的走向，虛線框?qū)挾缺硎竟庑盘枏姸?，粗細如圖所示。
該系統(tǒng)由激光器l、第一反光鏡2、第二反光鏡3、望遠鏡4、小孔光闌5、準直鏡6、 第三全反鏡7、窄帶濾光片8、三棱鏡9、第一光電倍增管10、第二光電倍增管11、數(shù)據(jù)采 集處理系統(tǒng)12組成。其中第一、第二反光鏡的作用將激光器的激光導向大氣、并且能夠方便 的調(diào)節(jié)激光的光軸與望遠鏡的光軸平行。望遠鏡4用于收集大氣的后向散射信號光信號，其 口徑大小體現(xiàn)了對散射光的接收能力大小。小孔光闌5的作用在于限制望遠鏡視場角， 一般 望遠鏡的視場角遠遠大于激光雷達的視場角，因此需要在望遠鏡的焦平面附件放置一個小孔 光闌，小孔光闌擋掉一部散射光，因此能夠限制系統(tǒng)的視場角。準直鏡6的作用在于將望遠 鏡接收到的后向散射光變?yōu)槠叫泄?。窄帶濾光片8的作用在于濾除噪聲光信號，壓縮背景噪 聲和彈性散射噪聲引起的噪聲，是拉曼激光雷達的核心部件。三棱鏡9的作用在于將一部分 光送入探測器直接探測，而將另一部分光再次送入窄帶濾光片進一步壓縮噪聲。第一、第二 光電倍增管的作用在于探測不同高度返回的拉曼散射信號，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。數(shù)據(jù) 采集處理系統(tǒng)12的主控計算機的作用在于對整個系統(tǒng)的工作時序進行控制，并采集兩個光電 倍增管的輸出信號。高空信號噪聲信號相對比較弱，其信號經(jīng)過一次窄帶濾光片8后送入光 電探測系統(tǒng)進行探測。而低空噪聲信號很強，使用特殊光學設計，使大氣的后向散射光兩次 經(jīng)過同一個窄帶濾光片8，總的透過率光譜相當于單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制 了光噪聲。發(fā)射波長的彈性散射和背景光被壓縮后，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增 加發(fā)射激光的單脈沖能量，提高拉曼散射信號的回波強度，進而達到提高溫度測量準確度和 擴大溫度測量范圍。
下面結(jié)合

拉曼激光雷達系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程。
系統(tǒng)開機工作，首先是對主控計算機進行設置，即通過設置延時門控的方法設定第一、 第二倍增管對應的探測范圍。激光雷達工作時，主控計算機給出激光器1出光信號，激光器 l發(fā)出532nm的激光通過第一、第二反光鏡全反進入大氣。激光與大氣相互作用產(chǎn)生瑞利散 射、米散射、和振動拉曼散射，其中前兩種散射不改變激光的波長一般稱為彈性散射，振動 拉曼散射改變波長，使激光變?yōu)?07nm的光信號，彈性散射的光能量遠遠大于拉曼散射的光
8信號的能量。三種散射光均被望遠鏡4收集，進入激光雷達接收系統(tǒng)，位于望遠鏡4焦平面 上的小孔光闌5限制了接收系統(tǒng)的視場角，使視場角在包含激光發(fā)射光束的情況下，盡量減 小發(fā)射角，有利于減少背景光的影響。
為便于后續(xù)光學處理，由望遠鏡4收集的光信號首先經(jīng)小孔光闌5，經(jīng)過準直鏡6準直， 再經(jīng)第三全反鏡7后送入窄帶濾光片8。窄帶濾光片8濾除大部分噪聲光信號后，信號光在 三棱鏡9第一反射面92發(fā)生1: 1的透射和反射，透射光由第一光電倍增管IO進行探測(即 高空探測通道)，通過設置光電倍增管門控的方式，即在激光器1出發(fā)脈沖發(fā)出一定時間后使 光電倍增管工作，使第一光電倍增管IO僅探測高空的拉曼散射光。在第一反射面92的反射 的光，經(jīng)三棱鏡9的第二反射面93發(fā)生全反射后，從窄帶濾光片8的下半部再次送入窄帶濾 光片8,進一步壓縮彈性散射引入的噪聲。不可否認，兩次通過窄帶濾光片8，對系統(tǒng)有益的 607nm的光信號也受到衰減，但其衰減程度遠遠小于對彈性散射的衰減。因此，兩次經(jīng)過窄 帶濾光片8后的信號有益于提高系統(tǒng)總的信噪比。兩次經(jīng)過窄帶濾光片8后的光信號由第二 光電倍增管ll進行探測，同樣，通過設置光電倍增管門控的方式，使第二光電倍增管ll僅 僅探測低空的拉曼光信號。光電倍增管的門控和光電倍增管后信號的探測均由數(shù)據(jù)采集處理 12的主控計算機監(jiān)控，其中光電信號的探測，使用單光子計數(shù)卡。這樣，激光器l每發(fā)射一 個激光脈沖，主控計算機均得到不同高度返回的光子數(shù)廓線，由于只發(fā)一個激光脈沖，系統(tǒng) 收集的光子個數(shù)很少，系統(tǒng)必須經(jīng)過多個激光脈沖的積分后(例如10000個激光脈沖)，獲取 的光子個數(shù)才可以用來反演大氣溫度廓線，因此，激光雷達系統(tǒng)每經(jīng)過一段時間的積分后將 不同高度對應的光子個數(shù)數(shù)據(jù)保護，并更新所得到的大氣溫度廓線。
權(quán)利要求
1、振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)一臺脈沖激光器(1)；(2)反射脈沖激光的第一反光鏡(2)和第二反光鏡(3)；(3)收集大氣的后向散射光信號的望遠鏡(4)；(4)限制接收系統(tǒng)視場角的小孔光闌(5)和信號光準直透鏡(6)；(5)第三反光鏡(7)；(6)濾除光信號噪聲的窄帶濾光片(8)；(7)檢測光信號的光電倍增管；(8)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(12)，主要(包)括主控計算機和光子計數(shù)卡，該系統(tǒng)與激光器1和光電倍增管相連；其特征是(9)所述光電倍增管包括第一光電倍增管(10)和第二光電倍增管(11)，兩光電倍增管分別設置在窄帶濾波片(8)的兩側(cè)檢測光信號；(10)系統(tǒng)還包括一個三棱鏡(9)，它設置在第一光電倍增管(10)與窄帶濾光片(8)之間，將透射部分光送入第一光電倍增管(10)，反射部分光再經(jīng)窄帶濾光片(8)后送入第二光電倍增管(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，激光器(1)采用 Nd:YAG激光器，輸出波長532nm,單脈沖能量可調(diào)，最大250mJ。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，望遠鏡(4)為卡塞 格林望遠鏡，焦距2m;準直鏡的口徑為lcm，信號光經(jīng)準直后光斑大小lcm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，窄帶濾光片(8)中 心波長為607nm，直徑為2.54cm， 200-1200nm波段壓制率為107。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，三棱鏡(9)為等腰 直角棱鏡，第一反射面(92)鍍有半反膜，第二反射面(93)鍍有全反膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，所述三棱鏡(9)的 第一反射面(92)與第一光電倍增管(10)對應窄帶濾波片(8)的上半部位置；三棱鏡(9)的第二反 射面(93)與第二光電倍增管(11)對應窄帶濾波片(8)的下半部位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)，其中，光子計數(shù)卡采樣速 率為200MHz，計數(shù)閾值電壓可調(diào)。
8、 振動拉曼激光雷達散射光處理方法，其特征在于它包括以下步驟(1) 主控計算機控制激光器(l)發(fā)射脈沖激光，通過兩個反光鏡全反射進入大氣；(2) 大氣的后向散射通過望遠鏡(4)收集，通過小孔光闌(5)限制接收系統(tǒng)視場角，經(jīng) 準直鏡(6)將信號光準直；(3) 準直后的散射光信號經(jīng)過窄帶濾光片(8)的上半部，濾除背景噪聲和激光的彈性散射；(4) 經(jīng)過一次窄帶濾光片(8)的光信號進入三棱鏡(9)，在第一反射面(92)上信號光的透過和反射比值為l: 1，(5) 透射光部分進入第一光電倍增管(10)進行高空探測；(6) 反射部分的光信號經(jīng)過三棱鏡(9)的第二反射面(92)全反射，由窄帶濾光片(8)的下半 部第二次進入所述窄帶濾光片(8)，并由第二光電倍增管(ll)探測；(7) 第一、第二光電倍增管探測到的信號由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(12)進行采集和處理。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動拉曼激光雷達散射光處理方法，其中，三棱鏡(9)為等腰直 角棱鏡，第一反射面(92)鍍有半反膜，第二反射面(93)鍍有全反膜。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動拉曼激光雷達散射光處理方法，其中，窄帶濾光片(8)中 心波長為607nm，直徑為2.54cm， 200-1200nm波段壓制率為107。
全文摘要
一種基于窄帶濾光片和反射三棱鏡的振動拉曼激光雷達散射光處理系統(tǒng)及其處理方法，本發(fā)明針對激光雷達信號強度動態(tài)范圍大、噪聲信號相對拉曼散射信號強兩個問題，通過將后向散射光分成高、低空兩個通道進行探測，并充分利用窄帶濾光片，提高了溫度測量準確度，擴大了溫度測量范圍。高空信號噪聲信號相對比較弱，其信號經(jīng)過一次窄帶濾光片后送入光電探測系統(tǒng)進行探測，而低空噪聲信號很強，使用特殊光學設計，使大氣的后向散射光兩次經(jīng)過同一個濾光片，總的透過率光譜相當于單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制了光噪聲。發(fā)射波長的彈性散射和背景光被壓縮后，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增加發(fā)射激光的單脈沖能量，提高拉曼散射信號的回波強度，進而達到提高溫度測量準確度和擴大溫度測量范圍的目的。
文檔編號G01S7/48GK101477196SQ20091002814
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者卜令兵, 曹念文 申請人:南京信息工程大學