一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统

摘要

本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，属于光学技术领域。该系统包括系统控制机构、激光器、激光发射机构、大口径接收望远镜、多信道光谱仪机构、准直透镜高J信号数据获取机构、低J信号数据获取机构和信号处理机构；激光束依次进入光束扩束器、第一发射导光镜和第二发射导光镜后形成探测激光束，其后向散射回波光信号被大口径接收望远镜接收并聚焦于小孔光阑，回波光信号被送到多信道光谱仪机构并分光并滤除干扰信号；然后进入光电探测器、放大器、模数转化器、信号处理机构；根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对光电探测信号进行反演，获取大气温度的垂直分布廓线资料。本发明能够对大气对流层大气温度进行垂直分布廓线探测，精度高。

说明书

技术领域

本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，属于光学技术领域。

技术背景

高精度获取大气温度的垂直分布廓线数据对多个行业有重要意义，对人们生活、相关科学研究、军事活动、经济活动等有直接的影响。气象部门测量大气温度高度分布廓线的主要手段有声雷达、无线电探空仪、火箭探空仪和卫星载红外或微波辐射计等。声雷达主要用于探测边界层大气温度廓线，探测范围有限；卫星遥感能够进行全球范围内大气温度廓线的测量，但他的垂直空间分辨率较低，且在对流层的探测精度较低。目前我国对大气温度垂直分布廓线的探测一般仍用传统的无线电探空仪，即通过气球携带探测仪器进行探空测量。其探测速度慢、高度分辨率底、且为单线非同时探测，因而这些探测数据很难满足人们的需求。

温度等大气参数，它们的空间分布(特别是垂直方向)及其随时间变化的快速测量，是气象学界和环境科学界急需解决的问题。

针对目前气象部门在大气温度垂直分布廓线探测上存在的问题，我们提出了用于大气温度探测的转动拉曼激光雷达方法。该技术能获取近地面至对流层顶的大气温度垂直分布信息，具有探测速度快、范围大、数据精度高等优点。能为气象等部门及相关研究领域提供目前难于获得的、可靠的对流层温度垂直分布廓线数据。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有大气温度垂直分布廓线探测方面存在的局限性问题，提出一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，该系统包括系统控制机构、激光器、激光发射机构、大口径接收望远镜、多信道光谱仪机构、准直透镜高J信号数据获取机构、低J信号数据获取机构和信号处理机构；其中激光发射机构包括光束扩束器、第一发射导光镜和第二发射导光镜；大口径接收望远镜包含一个小孔光阑；多信道光谱仪机构包括第一焦平面、第一通道透镜、第一通道衍射闪耀光栅、第二焦平面、第二通道透镜和第二通道衍射闪耀光栅；高J信号数据获取机构包括光电探测器、放大器和模数转化器；低J信号数据获取机构包括光电探测器、放大器和模数转化器；

系统控制机构与激光器、模数转化器和信号处理机构相连，激光器依次与光束扩束器、第一发射导光镜、第二发射导光镜、大口径接收望远镜和多信道光谱仪机构相连，多信道光谱仪机构分别与准直透镜、光电探测器、放大器、模数转化器和信号处理机构相连；

系统控制机构控制激光器和模数转化器的时序信号并将系统的工作参数送给信号处理机构；激光器发射激光束，激光束依次进入光束扩束器、第一发射导光镜和第二发射导光镜后发出射向大气的探测激光束；光束扩束器对激光束进行扩束减小激光束的发散角，并通过调准第一发射导光镜和第二发射导光镜使激光束按要求的方向射向被测大气，被测大气对探测激光束进行散射，其后向散射回波光信号被大口径接收望远镜接收并将回波光信号聚焦于小孔光阑，回波光信号传送到多信道光谱仪机构；多信道光谱仪机构对回波光信号进行高光谱分辨率分光，形成高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号，并滤除通带外的干扰光信号；高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号通过透镜准直，依次进入相应的光电探测器、放大器和模数转化器，最后进入信号处理机构；信号处理机构对回波信号进行存储、平滑、去背景等处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的光电探测信号进行反演，获取大气温度的垂直分布廓线资料；

其中，回波信号通过第一焦平面的回波信号输入光孔进入第一通道透镜，并被准直成平行光，然后传递到第一通道衍射闪耀光栅上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回波信号再次通过第一通道透镜，并返回到第一焦平面上，不同波长的回波信号在第一焦平面上处于不同的位置；不同波长的回波信号通过第一焦平面上的回波信号输出光孔进入第二焦平面上，并通过回波信号输入光孔进入第二通道透镜，并被准直成平行光，然后传递到第二通道衍射闪耀光栅上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回波信号再次通过第二通道透镜返回到第二焦平面上，不同波长的回波信号在第二焦平面上处于不同的输出位置；不同波长的回波信号通过第二焦平面上不同位置的两个回波信号输出光孔并借助光纤输出；

其中探测激光束与大口径望远镜的光轴平行或同轴；小孔光阑在大口径接收望远镜的焦距上；通过改变小孔光阑孔径的大小，改变大口径接收望远镜的接收视场；小孔光阑的孔径为0.08mm、0.16mm、0.24mm、0.32mm、0.40mm、0.48mm或0.60mm。

有益效果

本发明能够对大气对流层大气温度进行垂直分布廓线探测，精度高。

附图说明

图1为转动拉曼激光雷达探测系统图；

图2为多信道光谱仪机构系统图；

图3为多信道光谱仪机构的第一焦平面示意图；

图4为多信道光谱仪机构的第二焦平面示意图；

其中：1-系统控制机构、2-激光器、3-光束扩束器、4-第一发射导光镜、5-第二发射导光镜、6-探测激光束、7-回波光信号、8-大口径接收望远镜、9-小孔光阑、10-信号传送光纤、11-多信道光谱仪机构、12-第一焦平面、13-第一通道透镜、14-第一通道衍射闪耀光栅、15-第二焦平面、16-第二通道透镜、17-第二通道衍射闪耀光栅、18-第一通道透镜13的光轴、19-第二通道透镜16的光轴、20-回波信号输入光孔、21-λ₁波段输出光孔(λ₁表示528.8～529.3nm)、22-λ₂波段输出光孔(λ₂表示530.1～530.7nm)、23-λ₃波段输出光孔(λ₃表示533.5～534.0nm)、24-λ₄波段输出光孔(λ₄表示534.9～535.4nm)、25-第一焦平面中心点、26-λ₁光纤、27-λ₂光纤、28-λ₃光纤、29-λ₄光纤、30-λ₁波段输入光孔、31-λ₂波段输入光孔、32-λ₃波段输入光孔、33-λ₄波段输入光孔、34-第二焦平面中心点、35-λ₁λ₄输出光孔、36-λ₂λ₃输出光孔、37-λ₁λ₄光纤、38-λ₂λ₃光纤、39-λ₁λ₄准直透镜、40-λ₂λ₃准直透镜、41-高J信号数据获取机构、42-低J信号数据获取机构、43-λ₁λ₄光电探测器、44-λ₁λ₄放大器、45-λ₁λ₄模数转化器、46-λ₂λ₃光电探测器、47-λ₂λ₃放大器、48-λ₂λ₃模数转化器、49-信号处理机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，该系统包括系统控制机构1、激光器2、光束扩束器3、第一发射导光镜4、第二发射导光镜5、探测激光束6、回波光信号7、大口径接收望远镜8、小孔光阑9、信号传送光纤10、多信道光谱仪机构11、第一焦平面12、第一通道透镜13、第一通道衍射闪耀光栅14、第二焦平面15、第二通道透镜16、第二通道衍射闪耀光栅17、第一通道透镜13的光轴18、第二通道透镜16的光轴19、回波信号输入光孔20、λ₁波段输出光孔(λ₁表示528.8～529.3nm)21、λ₂波段输出光孔(λ₂表示530.1～530.7nm)22、λ₃波段输出光孔(λ₃表示533.5～534.0nm)23、λ₄波段输出光孔(λ₄表示534.9～535.4nm)24、第一焦平面中心点25、λ₁光纤26、λ₂光纤27、λ₃光纤28、λ₄光纤29、λ₁波段输入光孔30、λ₂波段输入光孔31、λ₃波段输入光孔32、λ₄波段输入光孔33、第二焦平面中心点34、λ₁λ₄输出光孔35、λ₂λ₃输出光孔36、λ₁λ₄光纤37、λ₂λ₃光纤38、λ₁λ₄准直透镜39、λ₂λ₃准直透镜40、高J信号数据获取机构41、低J信号数据获取机构42、λ₁λ₄光电探测器43、λ₁λ₄放大器44、λ₁λ₄模数转化器45、λ₂λ₃光电探测器46、λ₂λ₃放大器47、λ₂λ₃模数转化器48、信号处理机构49。

系统控制机构1用于各部分的工作时序控制和系统各部分的软硬件控制；通过该部分，系统将根据指令有序、协调地工作；激光器2为输出波长为532nm、脉冲能量为300mJ、脉宽为5ns、光束直径为9mm、光束发散角为0.5mrad的Nd:YAG激光器；在激光器2的输出光路上设置有激光发射机构；激光发射机构由光束扩束器3、第一发射导光镜4和第二发射导光镜5组成，其中光束扩束器3的扩束倍率为5倍，第一发射导光镜4和第二发射导光镜5为532nm波段高反镜；激光束通过激光发射机构后发出射向大气的探测激光束6；探测激光束6路径上的大气将对探测激光进行散射，其后向散射回波光信号7将被大口径接收望远镜8接收；大口径接收望远镜8为牛顿型望远镜，并包含一个小孔光阑9，以限制大口径接收望远镜8的接收视场；小孔光阑9的通光孔中心与大口径接收望远镜8的主镜焦点重合，并且其通光孔平面与大口径接收望远镜8的光轴垂直；小孔光阑9的孔径为0.32mm；大口径接收望远镜8的光轴与探测激光束6的光轴同轴，其口径为400mm，焦距为800mm，视场取值为0.4mrad；信号传送光纤10为单芯石英光纤，其芯径为0.6mm，数值孔径为0.22；信号传送光纤10的一端安装在小孔光阑9的上方，离小孔光阑0.5mm，该端面的中心在大口径接收望远镜8的光轴上，并且端面与大口径接收望远镜的光轴垂直；信号传送光纤10的另一端连接到多信道光谱仪机构11上；多信道光谱仪机构11的示意图如图2所示，该机构包含第一焦平面12、第一通道透镜13、第一通道衍射闪耀光栅14及第二焦平面15、第二通道透镜16、第二通道衍射闪耀光栅17；第一通道透镜13和第二通道透镜16的焦距为200mm，直径为95mm，第一通道透镜13与第一焦平面12和第二通道透镜16与第二焦平面15的距离都为200mm；第一通道衍射闪耀光栅14和第二通道衍射闪耀光栅17的外形光栅尺寸为135mm(高)×165mm(长)×30mm(厚)，刻划面积为128mm×154mm，光栅闪耀角(532nm，第5级)为52.94°，光栅常数为600l/mm；第一通道衍射闪耀光栅14中心点与第一焦平面12和第二通道衍射闪耀光栅17中心点与第二焦平面15的垂直距离都为310mm；第一通道透镜13的光轴18与第一通道衍射闪耀光栅14刻划面的夹角为37.06°，并且与刻划面的短边对称轴垂直，和通过其刻划表面的中心；第二通道透镜16的光轴19与第二通道衍射闪耀光栅17刻划面的夹角为37.06°，并且与刻划面的短边对称轴垂直，和通过其刻划表面的中心；信号传送光纤10被固定在多信道光谱仪机构11的第一焦平面12的回波信号输入光孔20上，其中回波信号输入光孔的直径为0.6mm；该光孔输出的光信号通过第一通道透镜13被准直成近平行光，然后传递到第一通道衍射闪耀光栅14；第一通道衍射闪耀光栅14对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通过第一通道透镜13，并且返回到第一焦面12；此时不同波长的光信号在第一焦平面12上将处于不同的位置；在第一焦平面12的528.8～529.3nm、530.1～530.7nm、533.5～534.0nm、534.9～535.4nm波段的光信号返回位置分别开有直径为0.6mm的λ₁波段输出光孔21、λ₂波段输出光孔22、λ₃波段输出光孔23和λ₄波段输出光孔24，如图3所示；其中，第一通道透镜13的光轴18与第一焦平面垂直，其相交点是第一焦平面中心点25；回波信号输入光孔20的中心在第一焦平面中心点25的下方，与第一焦平面中心点25的距离为2mm；光孔21、22、23、24的中心在一直线上，该直线与第一焦平面中心点25和回波输入光孔20中心的连线垂直，并与第一通道衍射闪耀光栅14的刻划面短边的对称轴垂直；光孔21、22、23、24的中心连线在第一焦平面中心点25的上方，与第一焦平面中心点25的距离为2mm；光孔21和光孔22在第一焦平面中心点和输入光孔20中心连线的左边，光孔23和24在第一焦平面中心点和输入光孔20中心连线的右边；光孔21和22的中心到第一焦平面中心点与回波信号输入光孔20中心连线的距离分别为2.91mm和1.59mm，光孔23和光孔24到第一焦平面中心点和回波信号输入光孔20中心连线的距离分别为1.77mm和3.15mm；芯径为0.6mm、数值孔径为0.22的单芯石英λ₁光纤26、λ₂光纤27、λ₃光纤28、λ₄光纤29的一端分别被固定在光孔21、22、23、24上，其另一端分别被固定在第二焦平面的λ₁波段输入光孔30、λ₂波段输入光孔31、λ₃波段输入光孔32、λ₄波段输入光孔33上；输入光孔30、31、32、33的直径都为0.6mm，如图4所示；图4中第二通道透镜16的光轴19与第二焦平面垂直，其相交点是第二焦平面中心点34；在第二焦平面上还开有λ₁λ₄输出光孔35和λ₂λ₃输出光孔36，其直径也为0.6mm，两光孔中心的连线通过第二焦平面中心点34；输入光孔31和32的中心连线与输入光孔30和33的中心连线平行，其中输入光孔31、32和输出光孔35在第二焦平面中心点34的上方，输入光孔30、33和输出光孔36在第二焦平面中心点34的下方；输入光孔31和32的中心连线到第二焦平面中心点34的距离为2mm，输入光孔30和33的中心连线到第二焦平面中心点34的距离为4mm，而输出光孔35和36的中心到第二焦平面中心点34的距离分别4mm和2mm；输出光孔35和36中心点的连线与输入光孔31和32的中心连线及输入光孔30和33的中心连线垂直，并且输入光孔30和31在输出光孔35和光孔36中心点连线的左侧，输入光孔32和33在输出光孔35和36中心点连线的右侧；输入光孔30、31、32、33到输出光孔35和36中心点连线的距离分别为2.91、1.59、1.77、3.15；由输入光孔30、31、32、33输入的光信号通过第二通道透镜16被准直成近平行光，然后传递到第二通道衍射闪耀光栅17，其中第二通道衍射闪耀光栅17的刻划面短边的对称轴与输出光孔35和36的中心连线平行；第二通道衍射闪耀光栅17对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通过第二通道透镜16，并且返回到第二焦面15，其中530.1～530.7nm和533.5～534.0nm波段的光信号被聚焦到输出光孔36，而528.8～529.3nm和534.9～535.4nm波段的光信号被聚焦到输出光孔35；芯径为0.6mm、数值孔径为0.22的单芯石英λ₁λ₄光纤37和λ₂λ₃光纤38的一端分别被固定在输出光孔35和36上，其另一端分别被固定在λ₁λ₄准直透镜39和λ₂λ₃准直透镜40的焦点处；其中λ₁λ₄准直透镜39和λ₂λ₃准直透镜40的通光口径、焦距分别都为25mm和54mm；单芯石英光纤37和38输出的光信号通过准直透镜39和40后被准直成近平行光，然后分别进入高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取机构42；其中，高J信号数据获取机构包括λ₁λ₄光电探测器43、λ₁λ₄放大器44、λ₁λ₄模数转化器45，低J信号数据获取机构包括λ₂λ₃光电探测器46、λ₂λ₃放大器47、λ₂λ₃模数转化器48；高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取机构42分别对通过准直透镜39和40的光信号进行高灵敏度和低噪声光电转换探测、放大和模数转换处理，并将获取的高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号传送到信号处理机构49；信号处理机构49对输入的高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号进行存储、平滑、去背景等处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的数字化探测信号进行反演，输出可靠的大气温度垂直分布廓线数据。

本发明的工作原理为：

系统控制机构1根据预先设置的系统各部分的工作时序数据，对系统各部分进行工作时序控制，及系统的软硬件控制；激光器2根据系统控制机构发出的激光发射指令发射脉冲激光束，激光脉冲的波长为532nm、能量为300mJ、脉宽为5ns、重复频率为20Hz；该脉冲激光束通过光束扩束器3，及第一发射导光镜4和第二发射导光镜5后向被测大气发射探测激光束6；探测激光束的横截面直径和发散角分别约为45mm和0.1mrad；探测激光束6在大气中传输时将被路径上的大气散射，其部分后向散射光，即回波光信号7将被直径为400mm、焦距为800mm的大口径接收望远镜8接收；大口径接收望远镜的接收视场可通过调节其中的小孔光阑9改变，其变化值分别为0.1mrad、0.2mrad、0.3mrad、0.4mrad、0.5mrad、0.6mrad、0.75mrad；测量时要求探测激光束6的光轴与大口径接收望远镜8的光轴同轴或平行，该同轴或平行可通过调节第一发射导光镜4和第二发射导光镜5来实现；大口径接收望远镜8接收到的光信号通过芯径为0.6mm、数值孔径为0.22的单芯石英信号光传送光纤10，被传送到多信道光谱仪机构11的第一焦平面12上的回波信号输入光孔20；从输入光孔20出射的信号光通过焦距和直径分别为200mm和95mm的第一通道透镜13被准直为平行光后到达刻划面积为128mm×154mm、光栅闪耀角(532nm，第5级)为52.94°、光栅常数为600l/mm的第一通道衍射闪耀光栅14；第一通道衍射闪耀光栅14对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通过第一通道透镜13，并且返回到第一焦面12，其中对应于氮(或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线的528.8～529.3nm和534.9～535.4nm波段光信号将分别被聚焦到第一焦面12上的λ₁波段输出光孔21和λ₄波段输出光孔24，对应于氮(或氧)分子低J纯转动拉曼散射谱线的530.1～530.7nm和533.5～534.0nm波段光信号将分别被聚焦到第一焦面12上的λ₂波段输出光孔22和λ₃波段输出光孔23；芯径为0.6mm和数值孔径为0.22的单芯石英λ₁光纤26、λ₂光纤27、λ₃光纤28、λ₄光纤29分别把第一焦面12上λ₁波段输出光孔21、λ₂波段输出光孔22、λ₃波段输出光孔23和λ₄波段输出光孔24输出的光信号传递到第二焦平面15，而其它波段的干扰光则被抑制；λ₁光纤26、λ₂光纤27、λ₃光纤28、λ₄光纤29在第二焦平面上的对应输入光孔分别为λ₁波段输入光孔30、λ₂波段输入光孔31、λ₃波段输入光孔32、λ₄波段输入光孔33；从λ₁波段输入光孔30、λ₂波段输入光孔31、λ₃波段输入光孔32、λ₄波段输入光孔33出射的信号光通过焦距和直径分别为200mm和95mm的第二通道透镜16被准直为平行光后到达刻划面积为128mm×154mm、光栅闪耀角(532nm，第5级)为52.94°、光栅常数为600l/mm的第二通道衍射闪耀光栅17；第二通道衍射闪耀光栅17对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通过第一通道透镜16，并且返回到第二焦面15；其中，对应于氮(或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线的528.8～529.3nm和534.9～535.4nm波段光信号将被聚焦到第二焦面15上的λ₁λ₄输出光孔35，对应于氮(或氧)分子低J纯转动拉曼散射谱线的530.1～530.7nm和533.5～534.0nm波段光信号将分别被聚焦到第二焦面15上的λ₂λ₃输出光孔36，而其它波段的干扰光则再次被抑制；芯径为0.6mm和数值孔径为0.22的单芯石英λ₁λ₄光纤37和λ₂λ₃光纤38分别把第二焦面15上λ₁λ₄输出光孔35和λ₂λ₃输出光孔36输出的光信号传递到通光口径和焦距分别为25mm和54mm的λ₁λ₄准直透镜39和λ₂λ₃准直透镜40的焦点处；氮(或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J纯转动拉曼散射谱线光信号分别通过λ₁λ₄准直透镜39和λ₂λ₃准直透镜40后，被准直成近平行光，然后分别进入高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取机构42；高J信号数据获取机构41中的λ₁λ₄光电探测器43、λ₁λ₄放大器44、λ₁λ₄模数转化器45以及低J信号数据获取机构42中的λ₂λ₃光电探测器46、λ₂λ₃放大器47、λ₂λ₃模数转化器48根据系统控制机构发出的时序控制信号，分别对输入的氮(或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J纯转动拉曼散射谱线光信号进行高灵敏度和低噪声光电转换探测、放大和模数转换处理，并将获取的氮(或氧)分子高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号传送到信号处理机构49；信号处理机构49对输入的高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号进行存储、累加、平滑、去背景等处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的数字化探测信号进行反演，输出可靠的大气温度垂直分布廓线数据。