本發(fā)明涉及一種探測大氣溫度的紫外純轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)。

背景技術：

大氣溫度是非常重要的參數(shù)，它描述了大氣的熱平衡結構。溫度還是很多大氣模式的重要參量，被廣泛應用于大氣動力學，氣候變化和天氣過程的研究中。精準的測量大氣溫度意義重大，大氣溫度的結構變化可以幫助我們理解氣候變化等現(xiàn)象。

激光雷達以其高時空分辨能力、高探測靈敏度以及可連續(xù)探測等特點，被廣泛應用于大氣、海洋、陸地和其他目標的遙感探測中，尤其適合對大氣參量的探測。激光雷達測量低平流層以下高度溫度的方法豐富，包括：利用分子振動拉曼信號的積分技術，純轉動拉曼技術，高光譜技術等。積分技術必須假設大氣處于靜力學平衡態(tài)，先反演出大氣分子數(shù)密度，再得到溫度。在對流層內，特別是湍流旺盛時，大氣需要很長的時間才能達到新的靜力學平衡態(tài)，雷達信號需要經過長時間的累積(幾個小時)才能精確測得大氣溫度。高光譜技術利用Rayleigh-Brillion光譜半寬隨溫度的變化得到大氣溫度。由于Rayleigh-Brillion 光譜半寬極窄，部分頻率與極強的米氏散射光譜重疊。在極窄的頻率范圍內，完全不受強信號(米氏散射信號)的干擾得到溫度信息，對雷達系統(tǒng)的性能要求極高。純轉動拉曼技術利用純轉動拉曼光譜半寬隨溫度的變化獲得大氣溫度，屬于光譜測溫技術。它的測溫原理十分優(yōu)越，無需假設靜力學平衡態(tài)，僅需滿足熱平衡即可。在低層大氣空氣分子之間的碰撞非常頻繁，熱平衡非常容易滿足。純轉動拉曼技術對雷達的設備性能要求并不苛刻，更容易實現(xiàn)大氣溫度測量。綜合考慮測溫原理和技術復雜程度，純轉動拉曼技術是最適合推廣的測溫方式。

純轉動拉曼激光雷達有多種光譜提取方式：干涉濾光片組，雙光柵多色儀，F(xiàn)abry-Perot Interferometer加雙光柵多色儀和原子濾波器加光柵等。干涉濾光片組是讓多片干涉濾光片以不同的角度級聯(lián)工作，提取純轉動拉曼譜Stokes 或者anti-Stokes 單邊的譜線。干涉濾光片組的優(yōu)點：結構簡單穩(wěn)定，調試方便，非常適合在嚴峻環(huán)境提取純轉動拉曼譜。雙光柵多色儀是干涉濾光片組以外的另一種主要方式，它可以同時提取Stokes 和anti-Stokes 兩邊具有相同或者相近溫度相關性的譜線。雙光柵多色儀對環(huán)境溫度同樣不敏感，中心波長和接收帶寬非常穩(wěn)定。多數(shù)純轉動拉曼激光雷達工作在可見光波段(532nm )，這個波段正好位于太陽輻射功率譜的峰值附近，在白天測量大氣溫度效果不好。Fabry- Perot Interferometer（FPI）加雙光柵多色儀和原子濾波器加光柵也可以實現(xiàn)白天溫度測量。但是，這兩種純轉動拉曼激光雷達技術復雜，系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法長期可靠的測量大氣溫度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出了一種紫外純轉動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)，在保證測溫原理和技術復雜程度的基礎上，能對大氣溫度進行全天時的常規(guī)探測。該激光雷達由發(fā)射單元、光學接收和雙光柵多色儀單元以及光電轉換與控制單元等三部分組成，其中發(fā)射單元是用來產生354.7nm波長激光的部分，目的是產生紫外激光脈沖并將其發(fā)射到空中，使其與大氣中的物質相互作用，產生后向散射回波。光學接收和雙光柵多色儀單元用于收集回波信號，提取回波信號中的來自大氣分子的純轉動拉曼譜Stokes （J6和J12）和anti-Stokes （J8和J14）雙邊譜線，并濾除背景噪聲。光電轉換與控制單元主要實現(xiàn)光電轉換、光子計數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲等功能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是：

一種紫外純轉動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)，包括發(fā)射單元、光學接收和雙光柵多色儀單元以及光電轉換與控制單元，所述發(fā)射單元包括種子激光器、Nd:YAG固體激光器、擴束器、折反鏡；固體激光器產生的354.7nm的紫外激光，經過擴束器進行5倍擴束后由折反鏡反射到大氣中；

所述光學接收和雙光柵多色儀單元按照光線路徑依次包括望遠鏡、小孔光闌、準直透鏡、45度反射鏡、帶通濾光片、透鏡、光纖1、光纖模式混合器、光纖2、雙光柵多色儀；

激光與大氣相互作用的后向散射光由卡塞格林式望遠鏡接收后，被匯聚到放置在望遠鏡焦平面的小孔光闌上，經過小孔光闌的光通過準直透鏡轉化成準平行光，準平行光被45度反射鏡反射到一片中心波長354.7nm ，在350-360nm的平均透過率大于90%的帶通濾光片，由帶通干涉濾光片出射的光被透鏡耦合進芯徑為1000μm ，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖1，光纖1出射光通過光纖模式混合器（FMH）導入芯徑為600μm，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖2中，光纖2將回波信號導入雙光柵多色儀用于提取純轉動拉曼信號，測量大氣溫度；

所述光電轉換與控制單元包括光子計數(shù)器、計算機；雙光柵多色儀輸出的光信號通過光電倍增管與光子計數(shù)器連接，光子計數(shù)器與計算機連接。

所述雙光柵多色儀包括兩級單光柵多色儀，每級多色儀結構均相同，第一級多色儀包括光柵1、準直-匯聚透鏡1、光纖束陣列端面1；第二級多色儀包括光柵2、準直-匯聚透鏡2、光纖束陣列端面2；兩級單光柵多色儀通過光纖束陣列4相連；第一級單光柵多色儀的作用是光譜分離，其輸出的彈性信號由光纖3導出到光電倍增管1—PMT1中進行信號采集；純轉動拉曼信號由光纖4導入到雙光柵多色儀的第二級，第二級的輸出光分別由光纖5和光纖6導出，由光纖5和光纖6分別導入到光電倍增管2—PMT2和光電倍增管3—PMT3中進行信號采集；

光纖3、光纖5和光纖6分別與光電倍增管1、光電倍增管2 和光電倍增管3相連，光電倍增管PMT1、PMT2和PMT3與3通道光子計數(shù)器連接，由光電倍增管進行光電轉換，光子計數(shù)器對轉換的電信號進行采集，最后輸出到與光子計數(shù)器相連的計算機內進行存儲。

所述帶通濾光片的中心波長354.7nm ，在350-360nm的平均透過率大于90%。

所述光纖1和光纖2為兩根不同芯徑的光纖，可以擴大雷達的接收視場，可以讓匯聚進光纖（F2）的光強分布更均勻。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用紫外發(fā)射光源，利用雙光柵單色儀同時提取Stokes和anti-Stokes兩邊具有相同或者相近溫度相關性的譜線；同時抑制彈性散射和太陽背景光，能夠很好地得到純度很高的轉動拉曼譜，且具有長期的穩(wěn)定性和可靠的測量大氣溫度。白天測量高度范圍從近地面到2km左右，夜晚從近地面到10km，適合高時空分辨率的大氣溫度全天時測量的推廣。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明實施例的一種紫外純轉動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 是本發(fā)明實施例的雙光柵多色儀原理圖。

圖3 是本發(fā)明實施例的光纖束陣列端面1和光纖束陣列端面2的光纖布局圖，其中，F(xiàn)代表光纖，F(xiàn)1代表光纖1，F(xiàn)4₁代表光纖4中的第一根光纖；其他以此類推。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的關鍵在于采用種子注入的ND:YAG固體激光器的三倍頻激光（355nm）作為發(fā)射光，以及采用雙光柵多色儀同時采集Stokes 和anti-Stokes 雙邊的純轉動拉曼譜（頻率對稱）進行大氣溫度測量。由于雙光柵多色儀對環(huán)境溫度同樣不敏感，中心波長和接收帶寬非常穩(wěn)定，并且采用紫外355nm波段的激光作為發(fā)射光源，可有效降低太陽背景光對回波信號的影響，可實現(xiàn)大氣溫度的全天時觀測。

本發(fā)明的激光雷達系統(tǒng)由三部分組成，即發(fā)射單元、光學接收和雙光柵多色儀單元以及光電轉化與和控制單元。如附圖1。

發(fā)射單元由由種子激光器、Nd:YAG固體激光器、擴束器、折反鏡組成。固體激光器產生的355nm的紫外激光，經過擴束器進行5倍擴束后由折反鏡反射到大氣中。

激光與大氣相互作用的后向散射光由450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠鏡接收后，被匯聚到放置在望遠鏡焦平面的小孔光闌上。經過小孔光闌的光通過準直透鏡轉化成具有一定發(fā)散角的準平行光。準平行光被45度反射鏡反射到一片中心波長354.7nm ，在350-360nm的平均透過率大于90%的帶通濾光片。它的作用：將進入分光系統(tǒng)的光限定在比較窄的頻率范圍內，防止光譜越級重疊，并降低雷達信號背景光的帶寬。由帶通干涉濾光片出射的光被透鏡耦合進芯徑為1000μm ，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖1。光纖1出射光通過光纖模式混合器（FMH）導入芯徑為600μm，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖2中。光纖2將回波信號導入雙光柵多色儀用于提取純轉動拉曼信號，測量大氣溫度。利用光纖模式混合器(FMH)連接兩根不同芯徑的光纖，必然損失一部分光強。但是，采用這種連接方式可以帶來很多好處：可以擴大雷達的接收視場，可以讓匯聚進光纖2的光強分布更均勻。

雙光柵多色儀由兩級單光柵多色儀構成。每級多色儀結構都相同，第一級多色儀包括光柵1、準直-匯聚透鏡1、光纖束陣列端面1；第二級多色儀包括光柵2、準直-匯聚透鏡2、光纖束陣列端面2；兩級單光柵多色儀通過光纖束陣列4相連。如附圖2。第一級單光柵多色儀的作用是光譜分離，光纖3在第一焦平面提取彈性信號并將其導出到光電倍增管1（PMT1）中進行信號采集。純轉動拉曼信號分別為Stokes的J6和J12以及anti-Stokes的J8和J14則由四根光纖4提取并導入第二級單光柵多色儀。第二級單光柵多色儀將Stokes 和anti-Stokes 兩邊同為低（J6、J8） 和高（J12、J14）的兩部分譜線合并到光纖5和光纖6，并導入到光電倍增管2（PMT2） 和光電倍增管3（PMT3)中進行信號采集。同時，第二次光柵衍射將從在第一級單光柵多色儀中提取的純轉動拉曼信號所攜帶的彈性雜散光分開，進一步提高純轉動拉曼通道對彈性波長的帶外抑制，實現(xiàn)純轉動拉曼通道對彈性波長的帶外抑制優(yōu)于8個數(shù)量級。

光纖2的端面定位在透鏡1的焦平面上，由它發(fā)出的光通過直徑120mm、焦距為285mm的透鏡1準直后入射在反射式閃耀光柵1上，反射式閃耀光柵1的參數(shù)如表1所示。經光柵1色散的光再次通過透鏡1匯聚到焦平面上，被放置在焦平面處的光纖束陣列端面1上特定位置的光纖接收。其中，彈性信號被光纖3接收并導出第1級單色光柵多色儀；純轉動拉曼譜Stokes的J6、J12和anti-Stokes的J8和J14信號被光纖4（4根芯徑為600μm，數(shù)值孔徑為0.22的光纖組成）接收并傳輸?shù)降? 級光柵多色儀中。光纖 4的另一端固定在光纖束陣列另一個端面2上，也被精確定位在直徑120mm、焦距為285mm的透鏡2的焦平面上。由第1 級光柵多色儀提取的光出射后由透鏡2準直為平行光入射在反射式閃耀光柵2上，反射式閃耀光柵2具有和光柵1相同的參數(shù)和工作方式。由光柵2衍射的光再次經過透鏡2自匯聚在焦平面上。光纖束陣列端面1和光纖束陣列端面2的光纖布局。如附圖3。

第二級單光柵多色儀是第一級的逆光路，它將Stokes 和anti-Stokes 兩邊同為低（J6、J8） 和高（J12、J14）的兩部分譜線合并到光纖5和光纖6，并導入到光電倍增管2（PMT2） 和光電倍增管3（PMT3)中進行信號采集。同時，第二次光柵衍射將從在第一級單光柵多色儀中提取的純轉動拉曼信號所攜帶的彈性雜散光分開，進一步提高純轉動拉曼通道對彈性波長的帶外抑制。第一級單光柵多色儀的作用是光譜分離，光纖3在第一焦平面提取彈性信號并將其導出到光電倍增1（PMT1）中進行信號采集。

光電轉換與與控制單元包括光電倍增管、多通道光子計數(shù)器以及計算機組成。主要實現(xiàn)光電轉換、光子計數(shù)、數(shù)據(jù)存儲等功能。保證整個激光雷達系統(tǒng)有序工作。

光纖3、光纖5和光纖6分別與光電倍增管1（PMT1）、光電倍增管2（PMT2） 和光電倍增管3（PMT3)相連，光電倍增管PMT1、PMT2和PMT3與3通道光子計數(shù)器連接。由光電倍增管進行光電轉換，3通道光子計數(shù)器對轉換的電信號進行采集，最后輸出到與光子計數(shù)器相連的計算機內進行存儲。

雷達提取的彈性和純轉動拉曼信號由光纖導入光電倍增管(PMT)進行探測。PMT 是具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件，具有高增益和低暗噪聲的優(yōu)點，是工作在紫外-近紅外波段激光雷達首選探測器件。其中光電倍增管采用日本HAMAMATSU公司H10721-110，光譜響應范圍為230-700nm。光電倍增管的輸出脈沖由德國Licel 公司生產的信號采集器TR20-160對快速變化的回波信號進行多次的采樣和累加，最后可得到激光雷達的原始回波數(shù)據(jù)，上傳到計算機進行計算、存儲。

表1（如下表） 為本發(fā)明實施例的反射式閃耀光柵的參數(shù)表