本發(fā)明屬于激光大氣遙感技術領域，具體涉及一種基于紫外準單支純轉動拉曼譜提取的全天時測溫激光雷達。
背景技術：
大氣溫度作為基本的氣象參數(shù)之一在研究大氣物理現(xiàn)象、物理機制以及演變規(guī)律過程中扮演著重要的角色。同時，全天時的大氣溫度結合氣溶膠的空間分布和時間演化參數(shù)，有助于研究云霧降水、大氣輻射和大氣化學等過程。相對于無線電探空儀等傳統(tǒng)測溫設備，激光雷達具有時空分辨率高、探測范圍大、探測精度高等優(yōu)點，同時還可以實現(xiàn)定點連續(xù)自動測量大氣溫度，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性。
由于純轉動拉曼散射譜強度包含溫度和氣溶膠消光等重要信息，同時純轉動拉曼測溫激光雷達在探測大氣溫度過程中不需要假設大氣靜力學平衡，即使在湍流最多的對流層也可以正常觀測，易于提取目標信號且對工作環(huán)境要求較低，因此該類型的測溫激光雷達在大氣遙感領域得到廣泛應用。純轉動拉曼測溫激光雷達通過接收脈沖激光束與大氣分子相互作用產(chǎn)生的純轉動拉曼散射譜信號，再利用算法反演得到大氣溫度的空間分布和時間演化參數(shù)。由于受到強烈的白天背景光影響，較低的系統(tǒng)信噪比在很大程度上限制了純轉動拉曼測溫激光雷達的探測范圍和探測精度，導致無法在白天正常工作，只能選擇在夜間工作。因此，為了使純轉動拉曼測溫激光雷達具備全天時的觀測能力，必須通過窄帶寬壓縮白天天空背景噪聲、增強信號強度等方式來提高激光雷達的系統(tǒng)信噪比。
目前國內(nèi)外進行全天時常規(guī)觀測的純轉動拉曼測溫激光雷達主要包括以下幾種：
1)德國亥姆霍茲中心大學物理與氣象研究所在1996年研制的純轉動拉曼測溫激光雷達采用日盲技術和帶寬極窄的鉈原子氣體濾波器來提高系統(tǒng)信噪比并進行全天時測溫。其中，該激光雷達采用波長為276.787nm的窄帶拉曼頻移krf準分子激光器作為探測光源，由于激光束的波長位于太陽光譜的日盲波段范圍，大大減弱了白天天空背景噪聲，提高了系統(tǒng)信噪比。光學接收系統(tǒng)通過工作溫度為950℃的鉈原子氣體濾波器濾除大氣粒子產(chǎn)生的彈性散射信號，經(jīng)過離軸拋物面鏡準直入射至階梯光柵，通過階梯光柵提取n2分子和o2分子的斯托克斯和反斯托克斯純轉動拉曼譜線，最后根據(jù)譜線信號強度反演全天時大氣溫度數(shù)據(jù)。在該雷達系統(tǒng)中，鉈原子氣體濾波器需在950℃工作環(huán)境下才可以良好地實現(xiàn)對彈性散射信號的抑制，增加了系統(tǒng)的運行成本并存在安全隱患；通過兩個離軸拋物面鏡實現(xiàn)光束的準直和聚焦，增加了系統(tǒng)的復雜度，光路調(diào)節(jié)困難，且對操作環(huán)境提出較高的要求。
2)德國霍恩海姆大學物理與氣象研究所在2013年研制的rrl測溫激光雷達主要通過增加紫外脈沖激光器的功率方式來提高系統(tǒng)信噪比并進行全天時測溫。其中，光學接收系統(tǒng)通過帶寬為0.7nm的干涉濾光片分別提取n2分子和o2分子的多支反斯托克斯純轉動拉曼低、高階譜線從而得到大氣溫度信息。在該雷達系統(tǒng)中，干涉濾光片的帶寬為0.7nm，較大的系統(tǒng)帶寬導致提取多支反斯托克斯純轉動拉曼譜線的同時也增加了白天天空背景噪聲，對高空弱信號的探測帶來了困難，大大限制了該激光雷達的探測范圍。
太陽光譜中紫外光(190～400nm)范圍內(nèi)的輻照度小于可見光(400～750nm)范圍，同時，紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子單根純轉動拉曼譜線的微分后向散射截面遠大于可見光激光輻射，例如，波長在354.82nm附近的太陽光譜輻照度是532nm的0.6倍，354.82nm紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子單根純轉動拉曼譜線的微分后向散射截面是532nm可見光激光輻射的5倍，因此純轉動拉曼測溫激光雷達采用紫外激光作為探測光源會大幅度提高探測信噪比，非常適用于全天時大氣遙感探測。但是，在頻譜上，紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子純轉動拉曼譜線間隔遠小于可見光激光輻射產(chǎn)生的大氣分子純轉動拉曼譜線間隔，且在轉動量子數(shù)j相同的情況下，對應紫外激光輻射的純轉動拉曼譜線距離彈性散射信號更近，尤其在提取純轉動拉曼低階譜線的過程中更容易受到彈性散射信號的干擾。例如，在354.82nm紫外激光輻射下，n2分子純轉動拉曼譜線間隔為0.1nm，而在532nm可見光激光輻射下，n2分子純轉動拉曼譜線間隔為0.22nm。由于傳統(tǒng)的全天時純轉動拉曼測溫激光雷達的系統(tǒng)帶寬均在0.5～0.8nm波長范圍內(nèi)，同時目前紫外波段濾光元件的工藝水平無法對距離中心波長1nm附近的波長產(chǎn)生很高的信號強度抑制，因此在譜線間隔為0.1nm的情況下，很難實現(xiàn)窄帶寬提取純轉動拉曼譜線并對附近的彈性散射信號強度產(chǎn)生大于6個數(shù)量級的抑制。
同時，傳統(tǒng)的激光雷達均是采用會聚透鏡與光電探測器直接耦合的方式進行光信號探測，會聚透鏡產(chǎn)生的單個光點直接入射至陰極光敏面，由于陰極光敏面響應度不均勻會引起探測通道不重合效應，最終導致無法有效降低探測高度下邊界，不利于對低空大氣數(shù)據(jù)的獲取。
為了解決上述問題，研發(fā)一種基于紫外激光輻射的純轉動拉曼測溫激光雷達，實現(xiàn)全天時大氣遙感探測，獲取可靠的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時間演化參數(shù)，對于氣象、航空、環(huán)保等相關領域開展全天時環(huán)境監(jiān)測、氣象預報工作具有非常重要的意義。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有純轉動拉曼測溫激光雷達在全天時大氣遙感探測方面存在的局限性問題，提供了一種基于紫外準單支純轉動拉曼譜提取的全天時測溫激光雷達。
本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于紫外準單支純轉動拉曼譜提取的全天時測溫激光雷達，由激光發(fā)射單元、光學接收單元和信號采集與控制單元組成。
激光發(fā)射單元包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器、激光擴束器、第一發(fā)射導光鏡、第二發(fā)射導光鏡，nd:yag激光器的光軸與激光擴束器的光軸重合，且激光擴束器的小口徑光入射端靠近nd:yag激光器出光口一側，第一發(fā)射導光鏡的鏡面與激光擴束器的光軸成45°角并相交于第一發(fā)射導光鏡的鏡面中心，第二發(fā)射導光鏡的鏡面與第一發(fā)射導光鏡的鏡面相互平行，且第二發(fā)射導光鏡可通過電動雙軸傾斜臺精密控制鏡面角度；
光學接收單元包括望遠鏡、視場光闌、第一反射鏡、長焦準直透鏡、第一能量分光鏡、第二能量分光鏡、第一超窄帶濾光片、第一會聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測器、第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標準具、第二會聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測器、第二反射鏡、第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標準具、第三會聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測器；望遠鏡的光軸與天頂方向保持平行，視場光闌端面設置在望遠鏡的像方焦平面，且視場光闌的中心軸線與望遠鏡的光軸重合，視場光闌的出射光路方向上依次設置有第一反射鏡、長焦準直透鏡、第一能量分光鏡，第一反射鏡的鏡面與望遠鏡的光軸成45°角并相交于第一反射鏡的鏡面中心，長焦準直透鏡設置在第一反射鏡的反射光路方向上且物方焦平面與望遠鏡的像方焦平面重合，第一能量分光鏡與第二能量分光鏡的工作角度均為45°且鏡面相互垂直，第二能量分光鏡的反射光路方向上依次設置有第一超窄帶濾光片、第一會聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測器，第一會聚透鏡的像方會聚點與第一雙透鏡組的物方焦點重合；第二能量分光鏡的透射光路方向上依次設置有三片相同的第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標準具、第二會聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測器，第一fabry-perot標準具工作角度為，且第一fabry-perot標準具放置在第一恒溫箱內(nèi)，第二會聚透鏡的像方會聚點與第二雙透鏡組的物方焦點重合；第一能量分光鏡的反射光路方向上依次設置有第二反射鏡、兩片相同的第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標準具、第三會聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測器，第二反射鏡的工作角度為45°且鏡面與第一能量分光鏡的鏡面相互平行，第二fabry-perot標準具的工作角度為，且第二fabry-perot標準具放置在第二恒溫箱內(nèi)，第三會聚透鏡的像方會聚點與第三雙透鏡組的物方焦點重合；
信號采集與控制單元包括數(shù)據(jù)采集器和計算機，第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器的信號輸出端通過bnc信號傳輸線一一對應接入數(shù)據(jù)采集器三個采集通道的數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出端通過一根網(wǎng)線連接至計算機，計算機通過串口線和時序控制電路與nd:yag激光器連接。
沿光軸依次排列的第一超窄帶濾光片、第一會聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測器組成彈性通道，提取并探測波長為354.82nm的彈性散射信號；沿光軸依次排列的第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標準具、第二會聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測器組成低階拉曼通道，提取并探測354.82nm紫外激光輻射時的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8特征譜線和o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11特征譜線，且對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-6；第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標準具、第三會聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測器組成高階拉曼通道，提取并探測354.82nm紫外激光輻射時的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝14特征譜線和o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝19特征譜線，且對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-6。
進一步的，所述第一反射鏡、第二反射鏡在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的反射率大于99％；第一能量分光鏡、第二能量分光鏡在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的能量透反比分別為50:50和95:5；第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的陰極輻射靈敏度大于100ma/w，且陰極光敏面直徑為8mm。
進一步的，為了保證fabry-perot標準具實現(xiàn)良好的濾波、壓縮白天天空背景噪聲以及對彈性散射信號的透過率低于10-1，所述長焦準直透鏡的像方焦距與視場光闌孔徑的比值小于等于1.8mrad。
進一步的，所述第一會聚透鏡、第二會聚透鏡和第三會聚透鏡光學參數(shù)相同，焦距為90.15mm；第一雙透鏡組、第二雙透鏡組和第三雙透鏡組的光學參數(shù)相同，均由兩個相同的平凸透鏡組成，組合焦距為10.13mm，平凸透鏡的凸面曲率半徑為8.87mm，中心厚度為3.2mm，全口徑為10mm，兩個平凸透鏡以平面朝外、凸面朝內(nèi)的方式對稱放置且兩個平凸透鏡的凸面中心距離為3mm。第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器前設置有雙透鏡組，實現(xiàn)信號以近似平行光束的方式入射至光電探測器陰極光敏面，有效減小由于光電探測器陰極光敏面響應度不均勻造成的通道不重合效應，從而有效降低探測高度的下邊界。
進一步的，由于大氣分子和氣溶膠產(chǎn)生的彈性散射信號強度比純轉動拉曼信號大3～5個數(shù)量級，為了避免彈性散射信號對提取的純轉動拉曼譜線產(chǎn)生干擾并引起測溫誤差，超窄帶濾光片需要提供很好的帶外抑制。所述第一超窄帶濾光片的中心波長為354.82nm，帶寬為0.3nm，峰值透過率大于等于40％，帶外透過率低于10-7；第二超窄帶濾光片的中心波長為354.07nm，帶寬為0.15nm，峰值透過率大于等于40％，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-2，帶外透過率低于10-7，三片相同的第二超窄帶濾光片疊加使用，且疊加使用后對彈性散射信號強度的透過率低于10-6；第三超窄帶濾光片的中心波長為353.47nm，帶寬為0.15nm，峰值透過率大于等于40％，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-3，帶外透過率低于10-7，兩片相同的第三超窄帶濾光片疊加使用，且疊加使用后對彈性散射信號強度的透過率低于10-6。
進一步的，第一fabry-perot標準具和第二fabry-perot標準具的標準具參數(shù)均相同，均為空氣隙fabry-perot標準具，腔長為0.208mm，腔體內(nèi)表面在353nm至355nm波長范圍內(nèi)的反射率為75％，自由光譜范圍為0.301nm，帶寬為0.03nm，峰值透過率為85％；第一fabry-perot標準具通過調(diào)節(jié)工作角度，使波長為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8特征譜線位于第一fabry-perot標準具透過率曲線的峰值處，同時透過波長為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11特征譜線，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-1；第二fabry-perot標準具通過調(diào)節(jié)工作角度，使波長為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝14特征譜線位于第二fabry-perot標準具透過率曲線的峰值處，同時透過波長為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝19特征譜線，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-1；所述第一fabry-perot標準具的工作角度和第二fabry-perot標準具的工作角度需要根據(jù)計算機中的實際信號強度剖面進行調(diào)節(jié)并最終確定各自的最佳工作角度。
進一步的，由于一天之內(nèi)的晝夜溫差會改變fabry-perot標準具腔體內(nèi)的空氣折射率，導致fabry-perot標準具透過率曲線的中心波長發(fā)生漂移，降低純轉動拉曼信號的透過率和對彈性散射信號的抑制。因此，為了消除環(huán)境溫度對fabry-perot標準具的影響，所述第一fabry-perot標準具和第二fabry-perot標準具需分別放置在第一恒溫箱和第二恒溫箱中，且控溫精度為0.05k。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：
(1)本發(fā)明提供了一種基于紫外準單支純轉動拉曼譜提取的全天時測溫激光雷達。傳統(tǒng)的激光雷達往往采用532nm可見光激光作為探測光源，本發(fā)明采用線寬小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作為探測光源，354.82nm紫外激光輻射所產(chǎn)生的大氣分子單根純轉動拉曼譜線的微分后向散射截面是傳統(tǒng)的532nm可見光激光輻射的5倍，因此在相同激光光子數(shù)輻射時對應354.82nm的信號強度得到大幅度提高，同時太陽光譜中的紫外波段在經(jīng)過大氣層時，被分布在大氣層中氧原子、氧分子以及臭氧分子部分吸收，導致紫外波段的白天背景噪聲減少，大幅度提高了該激光雷達的系統(tǒng)信噪比；紫外波長的激光處于人眼安全最佳波段，擴大了該激光雷達的工作環(huán)境。
(2)該純轉動拉曼測溫激光雷達的低階拉曼通道以準單支的方式精準提取波長為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8特征譜線和波長為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11特征譜線，兩根譜線間隔為0.01nm，高階拉曼通道以準單支的方式精準提取波長為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝14特征譜線和波長為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝19特征譜線，兩根譜線間隔為0.02nm，通過這種巧妙的純轉動拉曼譜線選擇方案，不僅增加了窄帶寬提取譜線的信號強度，提高系統(tǒng)信噪比，同時增加了與彈性散射信號之間的間隔，有利于拉曼通道對彈性散射信號產(chǎn)生大于6個數(shù)量級的抑制，有效解決了由于現(xiàn)有工藝水平導致紫外濾波器件難以通過窄帶寬的方式提取紫外波段的純轉動拉曼信號并有效抑制彈性散射信號強度的問題。
(3)該純轉動拉曼測溫激光雷達的拉曼通道采用了帶寬為0.15nm的超窄帶濾光片和帶寬為0.03nm的fabry-perot標準具組合的方式進行分辨譜成分并提取n2分子、o2分子準單支反斯托克斯純轉動拉曼譜線，相對于帶寬在0.5～0.8nm范圍內(nèi)的傳統(tǒng)的全天時純轉動拉曼測溫激光雷達，該激光雷達的系統(tǒng)帶寬減小了一個數(shù)量級，大幅度壓縮了白天天空背景噪聲，提高了探測信噪比，尤其增加了對流層的白天探測高度。
(4)傳統(tǒng)的激光雷達采用會聚透鏡與光電探測器直接耦合的方式，光電探測器的陰極光敏面的響應度不均勻會引起探測通道不重合，導致無法降低對流層探測高度的下邊界。本發(fā)明在會聚透鏡與光電探測器之間引入了雙透鏡組，該雙透鏡組經(jīng)過巧妙的光學設計，有效減小了光學像差，可以將經(jīng)過會聚透鏡的會聚光束變?yōu)榻破叫泄?，再入射至光電探測器的陰極光敏面，避免信號以單個光點的方式直接入射至陰極光敏面，大大減小了由于陰極光敏面響應度不均勻造成的通道不重合效應，從而有效降低探測高度下邊界，提高測溫精度，有利于相關領域對對流層低空物理現(xiàn)象的研究。
(5)該純轉動拉曼測溫激光雷達可以實現(xiàn)全天時探測對流層的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時間演化參數(shù)，光路簡單緊湊且調(diào)節(jié)難度低，系統(tǒng)集成度高，使用維護方便，對環(huán)境壓力、溫度和濕度要求較低，可實現(xiàn)長期穩(wěn)定的全天時觀測。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的原理圖；
其中：1-激光發(fā)射單元、101-nd:yag激光器、102-激光擴束器、103-第一發(fā)射導光鏡、104-第二發(fā)射導光鏡；
2-光學接收單元、201-望遠鏡、202-視場光闌、203-第一反射鏡、204-長焦準直透鏡、205-第一能量分光鏡、206-第二能量分光鏡、207-第一超窄帶濾光片、208-第一會聚透鏡、209-第一雙透鏡組、210-第一光電探測器、211-第二超窄帶濾光片、212-第一恒溫箱、213-第一fabry-perot標準具、214-第二會聚透鏡、215-第二雙透鏡組、216-第二光電探測器、217-第二反射鏡、218-第三超窄帶濾光片、219-第二恒溫箱、220-第二fabry-perot標準具、221-第三會聚透鏡、222-第三雙透鏡組、223-第三光電探測器；
3-信號采集與控制單元、301-數(shù)據(jù)采集器、302-計算機。
圖2為本發(fā)明實施例的354.82nm紫外激光輻射時所產(chǎn)生的大氣n2分子和o2分子反斯托克斯純轉動拉曼譜。
圖3為本發(fā)明實施例提供的雙透鏡組結構示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例提供的雙透鏡組波像差示意圖。
具體實施方式
為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
如圖1所示，一種基于紫外準單支純轉動拉曼譜提取的全天時測溫激光雷達，由激光發(fā)射單元1、光學接收單元2和信號采集與控制單元3組成；
激光發(fā)射單元1包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器101(spectra-physics，型號pro-270-355)、激光擴束器102、第一發(fā)射導光鏡103、第二發(fā)射導光鏡104，nd:yag激光器101的光軸與激光擴束器102的光軸重合，激光擴束器102的擴束倍率為5倍，且激光擴束器102的小口徑光入射端靠近nd:yag激光器101出光口一側；第一發(fā)射導光鏡103和第二發(fā)射導光鏡104鍍有354.82nm高反膜，第一發(fā)射導光鏡103的鏡面與激光擴束器102的光軸成45°角并相交于第一發(fā)射導光鏡103的鏡面中心，第二發(fā)射導光鏡104的鏡面與第一發(fā)射導光鏡103的鏡面相互平行，且第二發(fā)射導光鏡104可通過電動雙軸傾斜臺(kohzu，型號sa07a)精密控制鏡面角度；
光學接收單元2包括望遠鏡201(meade，型號lx200-8”)、視場光闌202(thorlabs，型號sm05d5d)、第一反射鏡203、長焦準直透鏡204、第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206、第一超窄帶濾光片207(materion，定制)、第一會聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測器210(hamamatsu，型號h10721-210)、第二超窄帶濾光片211(materion，定制)、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標準具213(tecoptics，定制)、第二會聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測器216(hamamatsu，型號h10721-210)、第二反射鏡217、第三超窄帶濾光片218(materion，定制)、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標準具220(tecoptics，定制)、第三會聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測器223(hamamatsu，型號h10721-210)，望遠鏡201上鍍有超高透射介質(zhì)膜層，焦比為10，焦距為2000mm，口徑為200mm，望遠鏡201的光軸與天頂方向保持平行；視場光闌202端面設置在望遠鏡201的像方焦平面，且視場光闌202的中心軸線與望遠鏡201的光軸重合，視場光闌202的孔徑調(diào)節(jié)至0.8mm，此時望遠鏡201的視場角為0.4mrad；視場光闌202的出射光路方向上依次設置有第一反射鏡203、長焦準直透鏡204、第一能量分光鏡205，第一反射鏡203的鏡面與望遠鏡201的光軸成45°角并相交于第一反射鏡203的鏡面中心，焦距為475mm的長焦準直透鏡204設置在第一反射鏡203的反射光路方向上且物方焦平面與望遠鏡的像方焦平面重合，第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206的工作角度均為45°且鏡面相互垂直；第二能量分光鏡206的反射光路方向上依次設置有第一超窄帶濾光片207、第一會聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測器210，第一會聚透鏡208的像方會聚點與第一雙透鏡組209的物方焦點重合；第二能量分光鏡206的透射光路方向上依次設置有三片相同的第二超窄帶濾光片211、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標準具213、第二會聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測器216；第一fabry-perot標準具213的工作角度為，且第一fabry-perot標準具213放置在控溫精度為0.05k的第一恒溫箱212內(nèi)；第二會聚透鏡214的像方會聚點與第二雙透鏡組215的物方焦點重合；第一能量分光鏡205的反射光路方向上依次設置有第二反射鏡217、兩片相同的第三超窄帶濾光片218、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標準具220、第三會聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測器223，第二反射鏡217的工作角度為45°且鏡面與第一能量分光鏡205的鏡面相互平行，第二fabry-perot標準具220的工作角度為，且第二fabry-perot標準具220放置在控溫精度為0.05k的第二恒溫箱219內(nèi)，第三會聚透鏡221的像方會聚點與第三雙透鏡組222的物方焦點重合；
信號采集與控制單元3包括數(shù)據(jù)采集器301和計算機302，數(shù)據(jù)采集器301(licel，型號tr40-16bit)具有三個數(shù)據(jù)采集通道，模數(shù)轉換采樣頻率為40mhz，光子計數(shù)采樣頻率為250mhz，數(shù)據(jù)采樣精度為16bit，采集時間為25ns；第一光電探測器210、第二光電探測器216和第三光電探測器223的信號輸出端通過bnc信號傳輸線一一對應接入數(shù)據(jù)采集器301三個采集通道的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)據(jù)采集器301的數(shù)據(jù)輸出端通過一根網(wǎng)線連接至計算機302，計算機302通過串口線和時序控制電路與nd:yag激光器101連接。
本實施例的工作流程為：
計算機302將啟動指令通過串口線發(fā)送至nd:yag激光器101，nd:yag激光器101在種子注入狀態(tài)下輸出光束直徑為9mm、線寬小于等于0.1pm、重復頻率為30hz、單脈沖能量等于350mj、發(fā)散角等于0.5mrad、波長為354.82nm的紫外脈沖激光束；脈沖激光束經(jīng)過擴束倍率為5倍的激光擴束器102，光束直徑擴大至45mm、發(fā)散角壓縮至0.1mrad；隨后依次經(jīng)過一組相互平行的第一發(fā)射導光鏡103、第二發(fā)射導光鏡104沿天頂方向發(fā)射至大氣中，當光束偏離天頂方向時，可通過電動雙軸傾斜臺精密調(diào)節(jié)第二發(fā)射導光鏡104，使光束指向重新恢復至天頂方向；
如圖2所示，發(fā)射至大氣中的354.82nm紫外脈沖激光束與大氣中的主要組分n2分子、o2分子和氣溶膠粒子之間相互作用并產(chǎn)生一系列分立的譜線散射信號，其中，n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8和j＝14特征譜線的波長分別為354.07nm、353.47nm，且分別與波長為354.82nm的彈性散射信號相距0.75nm、1.35nm，o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11和j＝19特征譜線的波長分別為354.06nm、353.49nm；
一系列分立的譜線散射信號經(jīng)過望遠鏡201會聚在視場光闌202端面上，隨后經(jīng)過第一反射鏡203折轉90°角傳輸至長焦準直透鏡204，經(jīng)過長焦準直透鏡204變?yōu)榘l(fā)散角為1.68mrad的近似平行光，隨后被第一能量分光鏡205以50:50的能量透反比分成光譜成分相同的透射光和反射光；對于第一能量分光鏡205的透射光經(jīng)過第二能量分光鏡206以95:5的能量透反比分成光譜成分相同的透射光和反射光，其反射光經(jīng)過第一超窄帶濾光片207照射第一會聚透鏡208，隨后經(jīng)過第一會聚透鏡208會聚在像面上，且像面位置靠近第一會聚透鏡208的像方焦平面，會聚之后的光信號經(jīng)過第一雙透鏡組209變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第一光電探測器210的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號；
第二能量分光鏡206的透射光經(jīng)過三片結構參數(shù)相同的第二超窄帶濾光片211照射第一fabry-perot標準具213，出射光隨后經(jīng)過第二會聚透鏡214會聚在像面上，且像面位置靠近第二會聚透鏡214的像方焦平面，會聚之后的光信號經(jīng)過第二雙透鏡組215變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第二光電探測器216的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號；
第一能量分光鏡205的反射光經(jīng)過第二反射鏡217折轉90°角傳輸至第三超窄帶濾光片218，經(jīng)過兩片結構參數(shù)相同的第三超窄帶濾光片218照射第二fabry-perot標準具220，出射光隨后經(jīng)過第三會聚透鏡221會聚在像面上，且像面位置靠近第三會聚透鏡221的像方焦平面，會聚之后的光信號經(jīng)過第三雙透鏡組222變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第三光電探測器223的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號；
其中，沿光軸依次排列的第一超窄帶濾光片207、第一會聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測器210組成彈性通道，提取并探測波長為354.82nm的彈性散射信號；沿光軸依次排列的第二超窄帶濾光片211、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標準具213、第二會聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測器216組成低階拉曼通道，提取并探測波長為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8特征譜線和波長為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11特征譜線，且對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-6，從而實現(xiàn)對紫外準單支反斯托克斯純轉動拉曼低階譜線的提?。坏谌瓗V光片218、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標準具220、第三會聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測器223組成高階拉曼通道，提取并探測波長為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝14特征譜線和波長為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝19特征譜線，且對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-6，從而實現(xiàn)對紫外準單支反斯托克斯純轉動拉曼高階譜線的提取。
nd:yag激光器101在輸出一個脈沖激光束的同時，nd:yag激光器101通過計算機302將電平觸發(fā)信號輸入至數(shù)據(jù)采集器301，控制數(shù)據(jù)采集器開始采集；第一光電探測器210、第二光電探測器216和第三光電探測器223產(chǎn)生的電信號通過bnc信號傳輸線一一對應輸入給數(shù)據(jù)采集器301的三個數(shù)據(jù)采集通道，數(shù)據(jù)采集器301通過模數(shù)轉換方式將強信號轉換為數(shù)字信號，通過光子計數(shù)方式將弱信號轉換為數(shù)字信號，隨后通過一根網(wǎng)線將數(shù)字信號輸入至計算機302，計算機302通過數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行平滑、去背景和存儲，并得到三個采集通道的信號強度隨探測高度變化的測量剖面圖，三個數(shù)據(jù)采集通道的測量剖面圖可以通過算法反演得到全天時的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時間演化參數(shù)。
本實施例的第一反射鏡203、第二反射鏡217在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的反射率大于99％；第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的能量透反比分別為50:50和95:5；第一會聚透鏡208、第二會聚透鏡214和第三會聚透鏡221光學參數(shù)相同，焦距為90.15mm；第一光電探測器210、第二光電探測器216、第三光電探測器223在350nm至355nm波長范圍內(nèi)的陰極輻射靈敏度大于100ma/w，且陰極光敏面直徑為8mm。
為了便于說明該激光雷達中雙透鏡組的光學參數(shù)以及對像差的校正效果，下面結合圖3和圖4對雙透鏡組做詳細介紹。
如圖3所示，第一雙透鏡組209、第二雙透鏡組215和第三雙透鏡組222的光學參數(shù)相同，均由兩個相同的平凸透鏡組成，采用熔石英材料，組合焦距為10.13mm，平凸透鏡的凸面曲率半徑為8.87mm，中心厚度為3.2mm，全口徑為10mm，兩個平凸透鏡以平面朝外、凸面朝內(nèi)的方式對稱放置且兩個平凸透鏡的凸面中心距離為3mm。如圖4所示，波像差為0.4577個波長，起到較好的像差校正效果。第一光電探測器210、第二光電探測器216和第三光電探測器223前設置有雙透鏡組，實現(xiàn)信號以近似平行光束的方式入射至光電探測器陰極光敏面，有效減小由于光電探測器陰極光敏面響應度不均勻造成的通道不重合效應，從而有效降低探測高度的下邊界。
本實施例的第一超窄帶濾光片207的中心波長為354.82nm，帶寬為0.3nm，峰值透過率大于等于40％，帶外透過率低于10-7；第二超窄帶濾光片211的中心波長為354.07nm，帶寬為0.15nm，峰值透過率大于等于40％，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-2，帶外透過率低于10-7，三片相同的第二超窄帶濾光片211疊加使用，且疊加使用后對彈性散射信號強度的透過率低于10-6；第三超窄帶濾光片218的中心波長為353.47nm，帶寬為0.15nm，峰值透過率大于等于40％，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-3，帶外透過率低于10-7，兩片相同的第三超窄帶濾光片218疊加使用，且疊加使用后對彈性散射信號強度的透過率低于10-6。
本實施例的第一fabry-perot標準具213和第二fabry-perot標準具220的標準具參數(shù)均相同，均為空氣隙fabry-perot標準具，腔長為0.208mm，腔體內(nèi)表面在353nm至355nm波長范圍內(nèi)的反射率為75％，自由光譜范圍為0.301nm，帶寬為0.03nm，峰值透過率為85％；第一fabry-perot標準具213通過調(diào)節(jié)工作角度，使波長為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝8特征譜線位于第一fabry-perot標準具213透過率曲線的峰值處，同時透過波長為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝11特征譜線，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-1；；第二fabry-perot標準具220通過調(diào)節(jié)工作角度，使波長為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝14特征譜線位于第二fabry-perot標準具220透過率曲線的峰值處，同時透過波長為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉動拉曼j＝19特征譜線，對波長為354.82nm的彈性散射信號強度的透過率低于10-1。
為了便于說明，fabry-perot標準具的具體調(diào)節(jié)步驟如下：
通過電動位移臺(thorlabs，型號ddr100)調(diào)節(jié)第一fabry-perot標準具213的工作角度，觀察計算機中對應第一fabry-perot標準具213數(shù)據(jù)采集通道的實際信號強度剖面，當信號強度剖面調(diào)節(jié)至最大時，表示第一fabry-perot標準具213的工作角度已經(jīng)調(diào)節(jié)至最佳角度；第二fabry-perot標準具220對工作角度的調(diào)節(jié)步驟參照第一fabry-perot標準具213的調(diào)節(jié)步驟。
為了便于理解，下面針對該激光雷達探測大氣溫度和氣溶膠參數(shù)的原理做詳細的說明。
第一光電探測器210探測到的彈性散射信號強度p1(z)可表示為：
式中，p0為單個脈沖的平均功率，k為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)，o(z)為探測高度z處的幾何重疊因子，h1為光學接收單元2對彈性散射信號的接收效率，β1(z)、β2(z)分別為氣溶膠和大氣分子在高度z處的大氣后向散射系數(shù)，α1(z)、α2(z)分別為氣溶膠和大氣分子在高度z處的大氣消光系數(shù)。采用本領域常用的fernald算法來計算氣溶膠的大氣后向散射系數(shù)和消光系數(shù)。該算法可以表示為：
式中，s1、s2分別為氣溶膠和大氣分子的激光雷達比，且s2為8π/3，zc為大氣參考高度，p1(zc)為參考高度zc處的彈性散射信號強度，β1(zc)、β2(zc)分別為氣溶膠和大氣分子在參考高度zc處的大氣后向散射系數(shù)。其中，s1需要根據(jù)當?shù)氐拇髿鈿馊苣z環(huán)境進行假設，β2(z)、β1(zc)、β2(zc)等變量根據(jù)假設的后向散射比和ussa-1976標準大氣模式獲得，p1(z)、p1(zc)由信號強度剖面獲得。由該式可知，可以根據(jù)已知的p1(z)、p1(zc)、s1、s2、β2(z)、β1(zc)、β2(zc)求得氣溶膠的全天時大氣后向散射系數(shù)β1(z)的空間分布和時間演化剖面。
第二光電探測器216探測到的反斯托克斯純轉動拉曼低階特征譜線信號強度p2(z)可表示為：
式中，τ(λ0)表示脈沖激光束波長λ0的大氣透過率，n(z)表示高度z處的大氣分子的數(shù)密度，h2(ji)表示光學接收單元2對反斯托克斯純轉動拉曼低階特征譜線信號的接收效率，ηi表示n2分子或o2分子的體積豐度比，σ(ji,t)表示溫度為t時候的n2分子或o2分子反斯托克斯純轉動拉曼低階特征譜線的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯純轉動拉曼低階特征譜線信號的大氣透過率。
第三光電探測器223探測到的反斯托克斯純轉動拉曼高階特征譜線信號強度p3(z)可表示為：
式中，h3(ji)表示光學接收單元2對反斯托克斯純轉動拉曼高階特征譜線信號的接收效率，σ(ji,t)表示溫度為t時候的n2分子或o2分子反斯托克斯純轉動拉曼高階特征譜線的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯純轉動拉曼高階特征譜線信號的大氣透過率。
隨著大氣溫度的升高，反斯托克斯純轉動拉曼低階特征譜線信號強度p2(z)減小，高階特征譜線信號強度p3(z)增加，根據(jù)轉動拉曼特征譜線信號的溫度特性，對第二光電探測器216和第三光電探測器223采集的信號強度作比值：
式中，q(t,z)表示兩個拉曼通道的信號強度比值，其數(shù)值大小跟大氣溫度有關，系數(shù)α、β、γ表示雷達反演系數(shù)，可以根據(jù)計算機302擬合得到。最終，該測溫激光雷達根據(jù)式(5)反演得到全天時大氣溫度的空間分布和時間演化剖面。
本發(fā)明的激光雷達采用線寬小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作為探測光源，其中兩個拉曼通道采用超窄帶濾光片與fabry-perot標準具相互結合的方式精準提取n2分子和o2分子的準單支反斯托克斯純轉動拉曼低、高階譜線，同時，大幅度壓縮白天天空背景噪聲來提高系統(tǒng)信噪比。在較小的紫外純轉動拉曼譜線間隔(～0.1nm)情況下，有效解決了測溫激光雷達難以通過窄帶寬的方式提取純轉動拉曼譜線并有效抑制彈性散射信號強度的問題，實現(xiàn)對大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時間演化參數(shù)的全天時測量，為氣象、航空、環(huán)保等相關領域提供可靠的全天時數(shù)據(jù)。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。