一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法技术方案

本发明专利技术公开的自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法，包括依次连接的脉冲激光器和准直扩束器，沿准直扩束器的光路出射方向依次设置有分光镜、反射镜，分光镜反射光路方向上设置有光电检测器，还包括有望远镜，望远镜的输出光口固定有光纤耦合器，反射镜位于望远镜的筒口处，光纤耦合器依次连接有一级光谱分光系统、二级光谱分光的相对探测系统、系统控制处理平台，一级光谱分光系统和系统控制处理平台之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统，系统控制处理平台分别与脉冲激光器、光电检测器连接。兼具相对探测距离远和绝对探测无需校正的优势，具备白天探测的能力，能实现自校正全天时的大气温度遥感探测。 1

A self tuning rotational Raman lidar temperature measuring system and its inversion method

The invention discloses a self correcting rotational Raman laser radar temperature measurement system and its inversion method, including a pulse laser and a collimator beam expander connected in turn. A light splitter and a reflector are arranged in the direction of the light path of the collimator. The photoelectric detector is set in the direction of the reflective light path of the optical splitter, and the telescope is also included. The output light port of the telescope is fixed with an optical fiber coupler, the reflector is located at the mouth of the telescope. The optical fiber coupler is connected in turn with the first order spectral light splitting system, the relative detection system of the two stage spectral light separation, the system control processing platform, and the two level light connected between the first order spectral light separation system and the system control processing platform. The absolute spectrum detection system and the system control processing platform are connected to the pulsed laser and photodetector respectively. It has the advantages of remote detection distance and absolute detection without correction, and has the ability of daytime detection, and can realize atmospheric temperature remote sensing detection at the time of self correction. One

【技术实现步骤摘要】
一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法
本专利技术属于遥感测温系统
，涉及一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，本专利技术还涉及上述自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法。
技术介绍
大气温度是重要的大气状态参数之一，目前，由于转动拉曼激光雷达利用大气的拉曼散射信号反演大气温度，可消除大气底层气溶胶消光影响，因此特别适用于探测对流层大气温度廓线。但是，现有转动拉曼激光雷达系统都需要无线电探空仪等并行设备的实验数据进行数据校正，这不利于转动拉曼激光雷达作为独立仪器进行大气温度探测，限制了转动拉曼激光雷达的实用化进程。而目前绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达技术，将并行仪器校正转换为室内实验调整校正，利用多路转动拉曼光谱信号，通过转动拉曼光谱包络直接反演大气温度。虽然解决了转动拉曼激光雷达需要并行仪器校正的问题，但是由于该系统采用单模光纤的光纤光栅技术，很难将探测距离延伸至对流层顶。另外，由于该系统没有高效率地滤除太阳背景噪声，不能开展白天温度廓线的遥感探测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，能够独立进行全天时的大气温度遥感探测。本专利技术所采用的技术方案是，一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，包括依次连接的脉冲激光器和准直扩束器，沿准直扩束器的光路出射方向依次设置有分光镜、反射镜，分光镜反射光路方向上设置有光电检测器，还包括有望远镜，望远镜的输出光口固定有光纤耦合器，反射镜位于望远镜的筒口处，光纤耦合器依次连接有一级光谱分光系统、二级光谱分光的相对探测系统、系统控制处理平台，一级光谱分光系统和系统控制处理平台之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统，系统控制处理平台分别与脉冲激光器、光电检测器连接。本专利技术的特点还在于，光纤耦合器通过接收光纤与一级光谱分光系统连接，一级光谱分光系统通过第一连接光纤与二级光谱分光的相对探测系统连接，一级光谱分光系统通过第二连接光纤与二级光谱分光的绝对探测系统连接；系统控制处理平台通过第一连接电缆与二级光谱分光的绝对探测系统连接；系统控制处理平台通过第二连接电缆与二级光谱分光的相对探测系统连接，系统控制处理平台通过第三连接电缆与光电检测器连接，系统控制处理平台通过第四连接电缆与脉冲激光器连接。接收光纤、第一连接光纤及第二连接光纤均为多模光纤，且其纤芯直径为0.4mm，数值孔径为0.22mm。一级光谱分光系统包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜、F-P光谱梳滤光器、第一会聚透镜、小孔光阑、第二准直透镜及第一衍射光栅，第一准直透镜位于一级光谱分光系统上靠近接收光纤的位置，第一连接光纤和第二连接光纤的输入端面与小孔光阑均位于第二准直透镜的焦平面上。第一连接光纤和第二连接光纤的纤芯中心呈对称设置，小孔光阑中心与第二准直透镜焦点连线的延长线为第一连接光纤和第二连接光纤的对称线。一级光谱分光系统包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜、F-P光谱梳滤光器、长波通二向色镜及第二会聚透镜，长波通二向色镜反射光路方向上设置有第三会聚透镜；第一准直透镜位于一级光谱分光系统上靠近接收光纤的位置，第二会聚透镜位于一级光谱分光系统上靠近第二连接光纤的位置，第三会聚透镜位于一级光谱分光系统上靠近第一连接光纤的位置。二级光谱分光的相对探测系统包括沿出射光路方向依次设置的第三准直透镜、第一窄带干涉滤光片、第四会聚透镜、第一光电倍增管检测系统，沿第一窄带干涉滤光片反射光路方向依次设置有第二窄带干涉滤光片、第五会聚透镜、第二光电倍增管检测系统；第二连接电缆包括电缆a和电缆b，第一光电倍增管检测系统通过电缆a与系统控制处理平台连接，第二光电倍增管检测系统通过电缆b与系统控制处理平台连接，第三准直透镜位于二级光谱分光的相对探测系统上靠近第一连接光纤的位置。二级光谱分光的绝对探测系统包括沿出射光路方向依次设置的第四准直透镜、第二衍射光栅，第四准直透镜远离第二衍射光栅一侧的焦平面上设置有光纤密排线阵列，且光纤密排线阵列位于二级光谱分光的绝对探测系统上靠近第二连接光纤的位置，光纤密排线阵列连接有线阵光电倍增探测系统，第一连接电缆连接在线阵光电倍增探测系统上。本专利技术的另一目的在于提供一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，能够对探测的大气温度进行自校正。本专利技术所采用的另一种技术方案是，一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，具体包括以下步骤：步骤1、先将均匀光谱密度的宽带光源信号接入接收光纤，再在光纤密排线阵列中提取波长分别为533.34nm、534.24nm、534.70nm、535.60nm、536.51nm及536.97nm的六条谱线，并分别对上述六条谱线的拉曼通道转换效率ηi进行校正；其中，i为拉曼通道序号，i＝1，2，3，4，5，6；步骤2、将激光雷达回波信号接入接收光纤，根据二级光谱分光的绝对探测系统测得步骤1中六路转动拉曼信号通道的输出信号功率Pi(z，T)，并结合步骤1的通道效率ηi对接收信号进行归一化，则P′i(z，T)＝Pi(z，T)/ηi(1)；式(1)中，z为探测高度，T表示大气温度；步骤3、根据步骤2得到的输出信号功率Pi(z，T)，并利用最小二乘原理，结合激光雷达方程与转动拉曼信号的散射截面积σi(Jn，T)进行匹配，直接反演最佳的温度廓线Ta(z)；激光雷达方程为P′i(z，T)＝K(z)·σ′i(Jn，T)(2)；式中，K(z)为拟合P′i(z)的系统因子，Jn表示拉曼通道i对应的转动量子数，σ′i(Jn，T)为温度T时转动量子数Jn的转动拉曼信号的散射截面积；步骤4、根据二级光谱分光的相对探测系统测得的两路同步转动拉曼信号通道的输出信号功率PL(z，T)和PH(z，T)，其中，H表示高转动量子数拉曼通道，L表示低转动量子数拉曼通道，计算得到两路转动拉曼信号之比R(T，z)，R(T，z)＝PH(z，T)/PL(z，T)(3)；步骤5：利用步骤3中算得的温度廓线Ta(z)，基于最小二乘原理选取不同高度处测量的温度T，结合相对探测的温度反演算法，校正相对探测的温度反演算法中的系统因子A、B和C，即完成大气温度探测激光雷达系统的自校正，相对探测的温度反演算法的公式为R(T，z)＝exp[A·T(z)-2+B·T(z)-1+C](4)；步骤6：利用式(4)，反演对流层内的大气温度廓线T(z)，即得到大气温度廓线T(z)。本专利技术的有益效果在于：本专利技术自校正转动拉曼激光雷达测温系统，能够独立开展大气温度遥感探测，兼具相对探测距离远和绝对探测无需校正的优势，具备白天探测的能力，能实现自校正全天时的大气温度遥感探测。附图说明图1是本专利技术一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的结构示意图；图2a及图2b是本专利技术一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内一级光谱分光系统的结构示意图；图3是本专利技术一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内一级光谱分光系统的另一种方式的结构示意图；图4是本专利技术一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内二级光谱分光的相对探测系统的结构示意图；图5是本专利技术一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内二级光谱分光的绝对探测系统的结构示意图；图6是本专利技术一级光谱分光系统中F-P光谱梳滤光器的光谱特性与氮气分子拉曼谱的匹配示意图。图中，1.脉冲激光器，2.准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光器

【技术特征摘要】
1.一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光器(1)和准直扩束器(2)，沿所述准直扩束器(2)的光路出射方向依次设置有分光镜(3)、反射镜(5)，所述分光镜(3)反射光路方向上设置有光电检测器(4)，还包括有望远镜(8)，所述望远镜(8)的输出光口固定有光纤耦合器(9)，所述反射镜(5)位于望远镜(8)的筒口处，所述光纤耦合器(9)依次连接有一级光谱分光系统(11)、二级光谱分光的相对探测系统(13)、系统控制处理平台(20)，所述一级光谱分光系统(11)和系统控制处理平台(20)之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统(15)，所述系统控制处理平台(20)分别与脉冲激光器(1)、光电检测器(4)连接。2.如权利要求1所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述光纤耦合器(9)通过接收光纤(10)与一级光谱分光系统(11)连接，所述一级光谱分光系统(11)通过第一连接光纤(12)与二级光谱分光的相对探测系统(13)连接，所述一级光谱分光系统(11)通过第二连接光纤(14)与二级光谱分光的绝对探测系统(15)连接；所述系统控制处理平台(20)通过第一连接电缆(16)与二级光谱分光的绝对探测系统(15)连接；系统控制处理平台(20)通过第二连接电缆(17)与二级光谱分光的相对探测系统(13)连接，系统控制处理平台(20)通过第三连接电缆(18)与光电检测器(4)连接，系统控制处理平台(20)通过第四连接电缆(19)与脉冲激光器(1)连接。3.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述接收光纤(10)、第一连接光纤(12)及第二连接光纤(14)均为多模光纤，且其纤芯直径为0.4mm，数值孔径为0.22mm。4.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述一级光谱分光系统(11)包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜(21)、F-P光谱梳滤光器(22)、第一会聚透镜(23)、小孔光阑(24)、第二准直透镜(25)及第一衍射光栅(28)，所述第一准直透镜(21)位于一级光谱分光系统(11)上靠近接收光纤(10)的位置，所述第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的输入端面与小孔光阑(24)均位于第二准直透镜(25)的焦平面上。5.如权利要求4所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的纤芯中心呈对称设置，所述小孔光阑(24)中心与第二准直透镜(25)焦点连线的延长线为第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的对称线。6.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述一级光谱分光系统(11)包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜(21)、F-P光谱梳滤光器(22)、长波通二向色镜(27)及第二会聚透镜(28)，所述长波通二向色镜(27)反射光路方向上设置有第三会聚透镜(29)；所述第一准直透镜(21)位于一级光谱分光系统(11)上靠近接收光纤(10)的位置，所述第二会聚透镜(28)位于一级光谱分光系统(11)上靠近第二连接光纤(14)的位置，所述第三会聚透镜(29)位于一级光谱分光系统(11)上靠近第一连接光纤(12)的位置。7.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述二级光谱分光的相对探测系统(13)包括沿出射光路方向依...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仕春，华灯鑫，李启蒙，辛文辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61