一种大气空间立体温度探测的拉曼激光雷达系统装置

摘要

本发明提供一种大气空间立体温度探测的拉曼激光雷达系统装置，包括激光发射光路系统：对激光光束进行扩束整形后入射大气，形成后向散射信号被光信号接收系统接收；光信号接收系统：接收来自激光发射光路系统的原始光信号并传递至分光系统；分光系统：将原始光信号进行滤除、筛选，分离出需要的特定波长的光信号，传递到光信号转化模块；光信号转化模块：接收经过分光系统筛选并分离出系统需要的波长的光信号，并转换成电信号；电信号处理系统：对电信号处理后传输至数据采集计算处理系统；数据采集计算处理系统：对调理后的电信号进行采集、处理和计算获取最终结果。本发明提高信号接收效果，探测距离远，精度高，能全天候保证雷达数据的正常。

说明书

技术领域

本发明主要涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种大气空间立体温度探测的拉曼激光雷达系统装置。

背景技术

大气温度是在大气环境研究中的基本气象参数之一，它描述了大气的热平衡结构。在研究大气物理现象、全球气候变暖、空间逆温层等问题上起到重要作用，同时也是很多大气模式的重要模型参数。全天时的大气温度结合气溶胶的空间分布和时间演化参数，有助于研究云雾降水、气候变化和天气过程等问题。精准的大气温度探测具有重大意义。

目前对于大气垂直温度探测的主要手段有卫星遥感、探空气球、微波辐射计等多种手段进行。卫星遥感探测是从上而下，基于热辐射信息结合大气模型进行的温度反演，尺度大，空间广,具有整体宏观特性，但是垂直分辨率低，细节和精度效果不好；探空气球的方式可以实现较为精准的测量，但是速度慢、尺度小，范围窄，适用于某个点位测量，并且还受限于天气条件，地理位置等因素影响。

同传统探测方式相比，激光雷达技术是最有前景的主动遥感探测技术，在大气环境探测应用领域具有独特的优势：具有高时空分辨率高、高空间分辨率特性、探测范围广、探测精度高、连续探测性强、维护量低等优点。

现有的设备采用普通天窗镜片，在实际环境的使用过程中，近场出现镜片灰尘积累、雨水积累问题，需要定期清理，一般每天一次，如果不清理，将会影响实际雷达信号质量，拉曼信号本来就弱，如果镜片表面不干净极易衰减雷达有效信号，导致探测距离降低。并且如果空气中的灰尘或者雨水非中性，例如酸性或者碱性，如果不及时清理还可能会慢慢的腐蚀天窗镜片表面的镀膜膜层，从而降低雷达信号的接收效率。

对于冬天和夏天，一些高湿度地区，由于雷达系统一般在恒温的环境中，内外环境的温差将会极易导致天窗镜片的凝露现象，如果出现凝露，那么将会导致雷达信号全部被阻挡消失，形成无效数据。这种问题的解决一般通过调整站房空调温度，配备除湿机来解决，但是需要人员进行及时监控，费时费力成本高。

拉曼测温激光雷达通过获取的转动拉曼信号进行垂直温廓线反演，由于拉曼信号极其微弱，并且容易受到干扰，一般探测距离短，尤其是白天，精度差。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，解决了拉曼信号信噪比低，探测距离短，高精度低的问题，能够获取高精度的大气温廓线垂直探测结果；解决了当前雷达容易受外部环境影响，需要大量人力维护监控的问题。本发明提供一种大气空间立体温度探测的拉曼激光雷达系统装置，包括激光发射光路系统、光信号接收系统10、分光系统、光信号转化模块、电信号处理系统和数据采集计算机处理系统，

所述激光发射光路系统：对激光光束进行整形，引导入射大气，使得激光和大气中的相关分子和粒子进行作用，形成被光信号接收系统接收的光信号；

所述光信号接收系统10：接收来自激光发射光路系统的原始光信号并传递至分光系统；

所述分光系统：将光信号接收系统传递过来的光信号进行筛选，分离出系统需要特定波长的光信号，并将其传递到光信号转化模块；

所述光信号转化模块：接收经过分光系统筛选并分离出系统需要的波长的光信号，并转换成电信号处理系统需要的电信号；

所述电信号处理系统：对电信号处理后传输至数据采集计算处理系统；

所述数据采集计算处理系统：用于对电信号处理系统处理过后的电信号进行采集、处理和计算；

其中所述分光系统包括光纤11和光谱仪12，所述光纤11接收来自光信号接收系统10的光信号并传输至分光系统内部进行分光，所述光谱仪12将接收到的光信号中的高阶和低阶拉曼信号分离。

优选的，分光系统中光纤11采用双光纤结构，所述光谱仪12采用光栅或聚焦透镜或切片反射镜或滤光片。

优选的，还包括智能光学天窗装置，所述智能光学天窗装置包括光学玻璃5、传感器监视装置6、天窗清理装置7、除雾装置8和控制装置9，其中传感器监视装置6、天窗清理装置7、除雾装置8电连接至控制装置9，所述光学玻璃5位于激光发射光路系统的发射端和光信号接收系统10的接收端上；

所述传感器监视装置6监控光学玻璃5周围环境工况并传输至控制装置9；

所述天窗清理装置7作用于光学玻璃5的外表面清理；

所述除雾装置8作用于消除光学玻璃5表面的冷凝水。

优选的，传感器监视装置6采用温度传感器或湿度传感器或雨滴传感器或视频监控装置。

优选的，天窗清理装置7采用雨刮器或喷水器。

优选的，除雾装置8采用加热器和风扇。

优选的，激光发射光路系统包括激光器1和扩束器2，通过所述激光器1发射的特定波长的激光光束通过扩束器2直射入大气。

优选的，扩束器2的出射端还设置有反射镜3，所述反射镜3设置有多个。

优选的，光信号接收系统10包括接收望远镜，所述接收望远镜接收整个视场范围内的激光和大气中粒子作用后的光信号并汇聚成一个焦点，且在焦点前增加透镜。

优选的，望远镜与光纤11之间还设置有光纤耦合器。

优选的，光信号转化模块包括探测器，所述探测器根据接收光的波长范围进行选择。

优选的，电信号处理系统包括去噪电路模块16和放大电路模块17，所述去噪电路模块16通过滤波进行滤除和压制电噪声，所述放大电路模块17过1阶或者多阶放大。

优选的，数据采集计算处理系统包括采集卡18和计算机19；所述采集卡18将电信号处理系统优化过后的模拟信号进行采样，转化为数字信号进行批处理计算并传输至计算机19。

本发明的有益效果：

1、采用大口径望远镜结构结合双光纤接收装置，效地减小像差，减小有效信号视场角，从而提高接收信号信噪比，获得更高精度；

2、采用双光纤结构，和传统的单光纤相比，可以在排列方向上增大接收视场角，提高信号接收效果，探测距离更远；

3、分光系统采用双光栅分光，和传统的单光栅分光相比，线分辨率更高，在紫外波段实现线色散率0.1nm/mm，满足温度探测相关的拉曼波长所需要的高线色散率要求；

4、设置智能天窗系统，能够进行外部环境自我感知和自动控制，不易受外部环境影响，能够实现自动运行不需要人监控，全天候保证雷达数据的正常。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图中，

1、激光器；2、扩束器；3、反射镜；4、反射镜；5、光学玻璃；6、传感器监视装置；7、天窗清理装置；8、除雾装置；9、控制装置；10、光信号接收系统；11、光纤；12、光谱仪；13、米信号探测器；14、一号拉曼信号探测器；15、二号拉曼信号探测器；16、去噪电路模块；17、放大电路模块；18、采集卡；19、计算机。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示可知，本发明包括有：激光发射光路系统、光信号接收系统10、分光系统、光信号转化模块、电信号处理系统和数据采集计算机处理系统，

所述光信号接收系统10：接收来自激光发射光路系统的原始光信号并传递至分光系统；

所述光信号转化模块：接收经过分光系统筛选并分离出系统需要的波长的光信号，滤除不需要的光信号，并转换成电信号处理系统需要的电信号；

所述电信号处理系统：用于对刚转化的电信号进行调理，使得降低噪声，提高信噪比，和后级数据采集计算处理系统信号匹配，并传输至数据采集计算处理系统进行采集、处理和计算；

其中所述分光系统包括光纤11和光谱仪12，所述光纤11接收来自光信号接收系统10的光信号并传输至分光系统内部进行分光，所述光谱仪12将接收到的光信号中的高阶和低阶拉曼信号分离。

在本实施中优选的，还包括智能光学天窗装置，所述智能光学天窗装置包括光学玻璃5、传感器监视装置6、天窗清理装置7、除雾装置8和控制装置9，其中传感器监视装置6、天窗清理装置7、除雾装置8电连接至控制装置9，所述光学玻璃5位于激光发射光路系统的发射端和光信号接收系统10的接收端上；

所述传感器监视装置6监控光学玻璃5周围环境工况并传输至控制装置9；

所述天窗清理装置7作用于光学玻璃5的外表面清理；

所述除雾装置8作用于消除光学玻璃5表面的冷凝水。

在本实施中优选的，传感器监视装置6采用温度传感器或湿度传感器或雨滴传感器或视频监控装置。

在本实施中优选的，天窗清理装置7采用雨刮器或喷水器。

设置上述结构，天窗清理装置7的作用是实现外部镜片表面的清理，解决镜片表面不干净或者有积水导致雷达信号异常的问题。

在本实施中优选的，除雾装置8采用加热器和风扇。除雾装置8作用是消除镜片表面的冷凝水，一般包含加热和导向功能，能够将热风引导到光学玻璃表面，实现对光学玻璃表面的吹扫和加热。

采用上述智能化天窗装置，解决拉曼信号弱极易受干扰的问题，能够自动进行外部环境感知和判定运行，现场不在需要人进行处理和监控，可大大降低人力维护难度。并且能保证雷达数据的有效性，避免因为外部环境因素带来的雷达数据异常问题

在本实施中优选的，激光发射光路系统包括激光器1和扩束器2，通过所述激光器1发射的特定波长的激光光束通过扩束器2直射入大气。

在使用中，采用的激光器本身的光束质量效果较好，也可以不配扩束器，激光直接入射大气或者通过反射镜反射后入射大气。一般采用355nm波长或者532nm波长的激光器。本实施例中采用高重频355mm波长紫外激光器，脉冲宽度小于15ns,频率＞2KHz。

在本实施中优选的，扩束器2的出射端还设置有反射镜3，所述反射镜3设置有多个。

设置上述结构，反射镜的作用是将扩束后的激光沿着特定的方向发射到大气中，以便于光信号接收系统10能够有效地接收信号。在某些系统中可以没有反射镜，激光直接发射到大气中，本设计采用两片反射镜，镜片表面镀反射膜，反射率＞99％。

在本实施中优选的，光信号接收系统10包括接收望远镜，所述接收望远镜接收整个视场范围内的激光和大气中粒子作用后的光信号并汇聚成一个焦点，且在焦点前增加透镜。

为便于良好的信号接收，望远镜口径较大，一般大于等于200mm，增加透镜用来消球差，减小成像位置光斑大小，从而减小有效视场角，同时可以较大限度的降低与之匹配的出射光发散角。

在本实施中优选的，望远镜与光纤11之间还设置有光纤耦合器。

为进一步提高接收效率，确保望远镜接收光能最大限度的耦合进光纤，有效地提升耦合效率。

在本实施中优选的，分光系统中光纤11采用双光纤结构，所述光谱仪12采用双光栅或聚焦透镜或切片反射镜或滤光片。

设置上述结构，光谱仪12对于355波长激光器对应高低阶拉曼波长为353.8nm和356.3nm,对于532nm波长对应的高低阶拉曼波长为529.0nm和531.1nm。

在使用中，结合大口径望远镜结构结合双光纤接收装置，可以有效地减小像差，减小有效信号视场角，从而提高接收信号信噪比，为拉曼信号的提取获得更高的精度，同时采用双光纤接收装置，增大了接收视场角，最大限度保证了有效信号的接收。

此外，结合采用高倍率扩束镜，减小出射光发散角，同时采用消像差望远镜和双光纤结合，有效压缩出射光发散角，减小了望远镜光斑，增大了接收视场角，极大的增加了信号信噪比。

在本实施中优选的，光信号转化模块包括探测器，所述探测器根据接收光的波长范围进行选择。

设置上述结构，探测器采用PMT或CPM或APD，在本实施例中，探测器采用米信号探测器13、一号拉曼信号探测器14、二号拉曼信号探测器15。

在本实施中优选的，电信号处理系统包括去噪电路模块16和放大电路模块17，所述去噪电路模块16通过滤波进行滤除和压制电噪声，所述放大电路模块17过1阶或者多阶放大。

用于提高信噪比，通过去噪电路模块16实现；为了达到最佳效果，通过去噪电路模块16将原始信号强度适当放大，并和后级数据采集计算处理系统匹配，。

在本实施中优选的，数据采集计算处理系统包括采集卡18和计算机19；

所述采集卡18将电信号处理系统优化过后的模拟信号进行采样，转化为数字信号进行批处理计算并传输至计算机19。

设置上述结构，其中采集卡18根据类型不同可以分为模拟采集卡和光子计数采集卡两种，和系统适配；计算机19是将采集卡计算后的数据进行统一计算加工，根据特定的软件功能，将采集的数据转化为可存储的电脑数据文本和图片进行动态的呈现展示。

具体实施流程如下所示：

根据图1所示，激光器发射355nm脉冲激光，并经过扩束器2扩束，然后依次通过反射镜3和反射镜4反射后经过天窗玻璃5入射到外部大气。

传感器监视装置6能够进行外部环境探测，获取温度、湿度、下雨状态信息，并传输到控制装置9，由控制装置9进行判定是否启动雨刮装置7和除雾装置8。

如果外面在下雨，则可启动镜片清理装置7，刮除光学玻璃5表面的积水；如果天窗需要清洁镜片表面的灰尘，也可启动镜片清理装置7进行清理。如果光学玻璃5内部环境达到凝露的条件，则控制除雾装置8启动工作，消除天窗镜片玻璃表面的冷凝水，保证雷达信号正常。

入射到外部大气的激光通过散射后的信号被光信号接收系统接收，望远镜10将视场范围内所有的光汇聚集中，并通过光纤11将接收到的整束光传递到后级的光谱仪12进行进一步分光，分离出高低阶转动拉曼信号和米散射信号一共三路信号，这每一路信号都各接一个探测器，分别是米信号探测器13、一号拉曼信号探测器14、二号拉曼信号探测器15，将光信号转化为电信号。

获取到的电信号经过去噪电路模块16的去噪处理、放大电路模块17的放大处理等信号优化处理后提高信号信噪比，并由数据采集系统的采集卡18进行采样采集，将模拟信号转化为数字信号，并统一上传到计算机19通过算法进行反演计算和结果呈现。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。