基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，由激光发射单元、光学接收单元和信号采集与控制单元组成。激光发射单元采用354.82nm紫外激光作为探测光源向大气发射脉冲激光束；脉冲激光束与大气粒子相互作用产生一系列分立的谱线散射信号；光学接收单元通过望远镜接收散射信号并采用三通道分别同时提取弹性散射信号和准单支反斯托克斯纯转动拉曼谱线信号；信号采集与控制单元实现对信号的实时采集、反演以及保障整个激光雷达系统正常有序的工作。本发明专利技术增强了系统信噪比，优化了接收光路，提高了系统稳定性，实现全天时探测大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数。

【技术实现步骤摘要】
基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达
本专利技术属于激光大气遥感
，具体涉及一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达。
技术介绍
大气温度作为基本的气象参数之一在研究大气物理现象、物理机制以及演变规律过程中扮演着重要的角色。同时，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、大气辐射和大气化学等过程。相对于无线电探空仪等传统测温设备，激光雷达具有时空分辨率高、探测范围大、探测精度高等优点，同时还可以实现定点连续自动测量大气温度，从而保证了数据的可靠性。由于纯转动拉曼散射谱强度包含温度和气溶胶消光等重要信息，同时纯转动拉曼测温激光雷达在探测大气温度过程中不需要假设大气静力学平衡，即使在湍流最多的对流层也可以正常观测，易于提取目标信号且对工作环境要求较低，因此该类型的测温激光雷达在大气遥感领域得到广泛应用。纯转动拉曼测温激光雷达通过接收脉冲激光束与大气分子相互作用产生的纯转动拉曼散射谱信号，再利用算法反演得到大气温度的空间分布和时间演化参数。由于受到强烈的白天背景光影响，较低的系统信噪比在很大程度上限制了纯转动拉曼测温激光雷达的探测范围和探测精度，导致无法在白天正常工作，只能选择在夜间工作。因此，为了使纯转动拉曼测温激光雷达具备全天时的观测能力，必须通过窄带宽压缩白天天空背景噪声、增强信号强度等方式来提高激光雷达的系统信噪比。目前国内外进行全天时常规观测的纯转动拉曼测温激光雷达主要包括以下几种：1)德国亥姆霍兹中心大学物理与气象研究所在1996年研制的纯转动拉曼测温激光雷达采用日盲技术和带宽极窄的铊原子气体滤波器来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，该激光雷达采用波长为276.787nm的窄带拉曼频移KrF准分子激光器作为探测光源，由于激光束的波长位于太阳光谱的日盲波段范围，大大减弱了白天天空背景噪声，提高了系统信噪比。光学接收系统通过工作温度为950℃的铊原子气体滤波器滤除大气粒子产生的弹性散射信号，经过离轴抛物面镜准直入射至阶梯光栅，通过阶梯光栅提取N2分子和O2分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼谱线，最后根据谱线信号强度反演全天时大气温度数据。在该雷达系统中，铊原子气体滤波器需在950℃工作环境下才可以良好地实现对弹性散射信号的抑制，增加了系统的运行成本并存在安全隐患；通过两个离轴抛物面镜实现光束的准直和聚焦，增加了系统的复杂度，光路调节困难，且对操作环境提出较高的要求。2)德国霍恩海姆大学物理与气象研究所在2013年研制的RRL测温激光雷达主要通过增加紫外脉冲激光器的功率方式来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，光学接收系统通过带宽为0.7nm的干涉滤光片分别提取N2分子和O2分子的多支反斯托克斯纯转动拉曼低、高阶谱线从而得到大气温度信息。在该雷达系统中，干涉滤光片的带宽为0.7nm，较大的系统带宽导致提取多支反斯托克斯纯转动拉曼谱线的同时也增加了白天天空背景噪声，对高空弱信号的探测带来了困难，大大限制了该激光雷达的探测范围。太阳光谱中紫外光(190～400nm)范围内的辐照度小于可见光(400～750nm)范围，同时，紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面远大于可见光激光辐射，例如，波长在354.82nm附近的太阳光谱辐照度是532nm的0.6倍，354.82nm紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面是532nm可见光激光辐射的5倍，因此纯转动拉曼测温激光雷达采用紫外激光作为探测光源会大幅度提高探测信噪比，非常适用于全天时大气遥感探测。但是，在频谱上，紫外激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔远小于可见光激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔，且在转动量子数J相同的情况下，对应紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线距离弹性散射信号更近，尤其在提取纯转动拉曼低阶谱线的过程中更容易受到弹性散射信号的干扰。例如，在354.82nm紫外激光辐射下，N2分子纯转动拉曼谱线间隔为0.1nm，而在532nm可见光激光辐射下，N2分子纯转动拉曼谱线间隔为0.22nm。由于传统的全天时纯转动拉曼测温激光雷达的系统带宽均在0.5～0.8nm波长范围内，同时目前紫外波段滤光元件的工艺水平无法对距离中心波长1nm附近的波长产生很高的信号强度抑制，因此在谱线间隔为0.1nm的情况下，很难实现窄带宽提取纯转动拉曼谱线并对附近的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。同时，传统的激光雷达均是采用会聚透镜与光电探测器直接耦合的方式进行光信号探测，会聚透镜产生的单个光点直接入射至阴极光敏面，由于阴极光敏面响应度不均匀会引起探测通道不重合效应，最终导致无法有效降低探测高度下边界，不利于对低空大气数据的获取。为了解决上述问题，研发一种基于紫外激光辐射的纯转动拉曼测温激光雷达，实现全天时大气遥感探测，获取可靠的大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数，对于气象、航空、环保等相关领域开展全天时环境监测、气象预报工作具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有纯转动拉曼测温激光雷达在全天时大气遥感探测方面存在的局限性问题，提供了一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，由激光发射单元、光学接收单元和信号采集与控制单元组成。激光发射单元包括沿出射光路方向依次排列的Nd:YAG激光器、激光扩束器、第一发射导光镜、第二发射导光镜，Nd:YAG激光器的光轴与激光扩束器的光轴重合，且激光扩束器的小口径光入射端靠近Nd:YAG激光器出光口一侧，第一发射导光镜的镜面与激光扩束器的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜的镜面中心，第二发射导光镜的镜面与第一发射导光镜的镜面相互平行，且第二发射导光镜可通过电动双轴倾斜台精密控制镜面角度；光学接收单元包括望远镜、视场光阑、第一反射镜、长焦准直透镜、第一能量分光镜、第二能量分光镜、第一超窄带滤光片、第一会聚透镜、第一双透镜组、第一光电探测器、第二超窄带滤光片、第一恒温箱、第一Fabry-Perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组、第二光电探测器、第二反射镜、第三超窄带滤光片、第二恒温箱、第二Fabry-Perot标准具、第三会聚透镜、第三双透镜组、第三光电探测器；望远镜的光轴与天顶方向保持平行，视场光阑端面设置在望远镜的像方焦平面，且视场光阑的中心轴线与望远镜的光轴重合，视场光阑的出射光路方向上依次设置有第一反射镜、长焦准直透镜、第一能量分光镜，第一反射镜的镜面与望远镜的光轴成45°角并相交于第一反射镜的镜面中心，长焦准直透镜设置在第一反射镜的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜的像方焦平面重合，第一能量分光镜与第二能量分光镜的工作角度均为45°且镜面相互垂直，第二能量分光镜的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片、第一会聚透镜、第一双透镜组、第一光电探测器，第一会聚透镜的像方会聚点与第一双透镜组的物方焦点重合；第二能量分光镜的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片、第一恒温箱、第一Fabry-Perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组、第二光电探测器，第一Fabry-Perot本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，其特征在于：由激光发射单元(1)、光学接收单元(2)和信号采集与控制单元(3)组成；所述激光发射单元(1)包括沿出射光路方向依次排列的Nd:YAG激光器(101)、激光扩束器(102)、第一发射导光镜(103)、第二发射导光镜(104)；Nd:YAG激光器(101)的光轴与激光扩束器(102)的光轴重合，且激光扩束器(102)的小口径光入射端靠近Nd:YAG激光器(101)出光口一侧，第一发射导光镜(103)的镜面与激光扩束器(102)的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜(103)的镜面中心，第二发射导光镜(104)的镜面与第一发射导光镜(103)的镜面相互平行，且第二发射导光镜(104)能通过电动双轴倾斜台精密控制镜面角度；所述光学接收单元(2)包括望远镜(201)、视场光阑(202)、第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)、第二能量分光镜(206)、第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)、第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry‑Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)、第二反射镜(217)、第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry‑Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)；望远镜(201)的光轴与天顶方向保持平行，视场光阑(202)端面设置在望远镜(201)的像方焦平面，且视场光阑(202)的中心轴线与望远镜(201)的光轴重合；视场光阑(202)的出射光路方向上依次设置有第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)，第一反射镜(203)的镜面与望远镜(201)的光轴成45°角并相交于第一反射镜(203)的镜面中心，长焦准直透镜(204)设置在第一反射镜(203)的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜(201)的像方焦平面重合，第一能量分光镜(205)与第二能量分光镜(206)的工作角度均为45°且镜面相互垂直；第二能量分光镜(206)的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)，第一会聚透镜(208)的像方会聚点与第一双透镜组(209)的物方焦点重合；第二能量分光镜(206)的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry‑Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)，第一Fabry‑Perot标准具(213)工作角度为θ1，且第一Fabry‑Perot标准具(213)放置在第一恒温箱(212)内，第二会聚透镜(214)的像方会聚点与第二双透镜组(215)的物方焦点重合；第一能量分光镜(205)的反射光路方向上依次设置有第二反射镜(217)、两片相同的第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry‑Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)，第二反射镜(217)的工作角度为45°且镜面与第一能量分光镜(205)的镜面相互平行，第二Fabry‑Perot标准具(220)的工作角度为θ2，且第二Fabry‑Perot标准具(220)放置在第二恒温箱(219)内，第三会聚透镜(221)的像方会聚点与第三双透镜组(222)的物方焦点重合；所述信号采集与控制单元(3)包括数据采集器(301)和计算机(302)，第一光电探测器(210)、第二光电探测器(216)和第三光电探测器(223)的信号输出端通过BNC信号传输线一一对应接入数据采集器(301)三个采集通道的数据输入端，数据采集器(301)的数据输出端通过一根网线连接至计算机(302)，计算机(302)通过串口线和时序控制电路与Nd:YAG激光器(101)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，其特征在于：由激光发射单元(1)、光学接收单元(2)和信号采集与控制单元(3)组成；所述激光发射单元(1)包括沿出射光路方向依次排列的Nd:YAG激光器(101)、激光扩束器(102)、第一发射导光镜(103)、第二发射导光镜(104)；Nd:YAG激光器(101)的光轴与激光扩束器(102)的光轴重合，且激光扩束器(102)的小口径光入射端靠近Nd:YAG激光器(101)出光口一侧，第一发射导光镜(103)的镜面与激光扩束器(102)的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜(103)的镜面中心，第二发射导光镜(104)的镜面与第一发射导光镜(103)的镜面相互平行，且第二发射导光镜(104)能通过电动双轴倾斜台精密控制镜面角度；所述光学接收单元(2)包括望远镜(201)、视场光阑(202)、第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)、第二能量分光镜(206)、第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)、第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry-Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)、第二反射镜(217)、第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry-Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)；望远镜(201)的光轴与天顶方向保持平行，视场光阑(202)端面设置在望远镜(201)的像方焦平面，且视场光阑(202)的中心轴线与望远镜(201)的光轴重合；视场光阑(202)的出射光路方向上依次设置有第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)，第一反射镜(203)的镜面与望远镜(201)的光轴成45°角并相交于第一反射镜(203)的镜面中心，长焦准直透镜(204)设置在第一反射镜(203)的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜(201)的像方焦平面重合，第一能量分光镜(205)与第二能量分光镜(206)的工作角度均为45°且镜面相互垂直；第二能量分光镜(206)的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)，第一会聚透镜(208)的像方会聚点与第一双透镜组(209)的物方焦点重合；第二能量分光镜(206)的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry-Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)，第一Fabry-Perot标准具(213)工作角度为θ1，且第一Fabry-Perot标准具(213)放置在第一恒温箱(212)内，第二会聚透镜(214)的像方会聚点与第二双透镜组(215)的物方焦点重合；第一能量分光镜(205)的反射光路方向上依次设置有第二反射镜(217)、两片相同的第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry-Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)，第二反射镜(217)的工作角度为45°且镜面与第一能量分光镜(205)的镜面相互平行，第二Fabry-Perot标准具(220)的工作角度为θ2，且第二Fabry-Perot标准具(220)放置在第二恒温箱(219)内，第三会聚透镜(221)的像方会聚点与第三双透镜组(222)的物方焦点重合；所述信号采集与控制单元(3)包括数据采集器(301)和计算机(302)，第一光电探测器(210)、第二光电探测器(216)和第三光电探测器(223)的信号输出端通过BNC信号传输线一一对应接入数据采集器(301)三个采集通道的数据输入端，数据采集器(301)的数据输出端通过一根网线连接至计算机(302)，计算机(302)通过串口线和时序控制电路与Nd:YAG激光器(101)连接。2.根据权利要求1所述的基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，其特征在于：所述计算机(302)将启动指令通过串口线发送至Nd:YAG激光器(101)，Nd:YAG激光器(101)在种子注入状态下输出线宽小于等于0.1pm、重复频率为30Hz、单脉冲能量大于300mJ、发散角小于等于0.5mrad、波长为354.82nm的紫外脉冲激光束，脉冲激光束通过5倍扩束的激光扩束器(102)扩大光束直径和压缩空间发散角，随后依次经过一组相互平行的第一发射导光镜(103)、第二发射导光镜(104)沿天顶方向发射至大气中；发射至大气中的脉冲激光束与大气中的N2分子、O2分子和气溶胶粒子之间相互作用并产生一系列分立的谱线散射信号；一系列分立的谱线散射信号经过望远镜(201)会聚在视场光阑(202)端面上，随后经过第一反射镜(203)折转90°角传输至长焦准直透镜(204)，经过长焦准直透镜(204)变为发散角小于等于1.8mrad的近似平行光，随后被第一能量分光镜(205)以50:50的能量透反比分成光谱成分相同的透射光和反射光；对于第一能量分光镜(205)的透射光经过第二能量分光镜(206)以95:5的能量透反比分成光谱成分相同的透射光和反射光，其反射光经过第一超窄带滤光片(207)照射第一会聚透镜(208)，随后经过第一会聚透镜(208)会聚在像面上，且像面位置靠近第一会聚透镜(208)的像方焦平面，会聚之后的光信号经过第一双透镜组(209)变为光束直径小于8mm的近似平行光，并入射至第一光电探测器(210)的阴极光敏面上产生电信号；第二能量分光镜(206)的透射光经过三片结构参数相同的第二超窄带滤光片(211)照射第一Fabry-Perot标准具(213)，出射光随后经过第二会聚透镜(214)会聚在像面上，且像面位置靠近第二会聚透镜(214)的像方焦平面，会聚之后的光信号经过第二双透镜组(215)变为光束直径小于8mm的近似平行光，并入射至第二光电探测器(216)的阴极光敏面上产生电信号；第一能量分光镜(205)的反射光经过第二反射镜(217)折转9...

【专利技术属性】
技术研发人员：易帆，潘向亮，柳付超，张云鹏，余长明，翁淼，易洋，殷振平，闫燕莺，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42