基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法技术

本发明专利技术公开了一种基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法，本发明专利技术技术方案采用短波激光，从而提高瑞利散射和转动拉曼散射的后向散射系数，在激光雷达接收端，采用频率下转换技术，将探测光的波长转换到光通讯波段，再利用光通讯波段的滤波器和探测器处理和探测温度相关的大气回波信号，进而反演大气温度信息。这一方面克服了近红外激光瑞利和转动拉曼后向散射信号弱的难点，另外一方面，解决了在短波长上，空间光滤波器的带宽大，价格昂贵和稳定性差的问题。

Atmospheric Temperature Measurement Lidar Based on Frequency Down Conversion and Atmospheric Temperature Measurement Method

【技术实现步骤摘要】
基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法
本专利技术涉及测温激光雷达
，更具体的说，涉及一种基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法。
技术介绍
温度是大气状态的重要参数，在大气动力学、气候学和大气化学领域，在研究全球气候变暖、中间逆温层、地球重力波等科学问题上具有重要的意义。现有的大气测温激光雷达包括转动拉曼激光雷达、瑞利积分激光雷达和共振荧光激光雷达，这三种雷达的联合观测可覆盖地面至热层底。其中，转动拉曼激光雷达可覆盖从地面至平流层顶，瑞利积分激光雷达可覆盖从平流层底至中气层顶，共振荧光激光雷达可覆盖从中气层顶至热层底。转动拉曼激光雷达利用转动拉曼信号进行大气温度探测，瑞利激光雷达利用分子瑞利信号进行大气温度探测，共振荧光激光雷达采用激光激发金属离子产生的共振荧光信号进行大气温度探测。其中，转动拉曼信号和瑞利散射信号与波长的负四次方成正比，因此这两类雷达一般采用短波长激光作为光源，如紫外355nm或者绿色532nm的激光。当激光雷达采用1550纳米的激光时，其转动拉曼和瑞利散射的强度是532nm的1.4％，是355nm的0.27％。因此，1.5微米激光无法进行转动拉曼和瑞利信号的有效探测。然而，在短波长区域，空间光滤波器的带宽受限，并且价格昂贵，稳定性差。例如，当采用窄带的空间光法布里-帕罗干涉仪时，由于入射波长短，对干涉仪表面的面型精度要求高，并且空间光路容易受到周围温度、压强和湿度变化的影响，稳定性差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术技术方案提供了一种基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法，可以通过短波激光脉冲进行大气温度测量。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于频率下转换的大气测温激光雷达，所述大气测温激光雷达包括：激光模块，所述激光模块用于产生短波长的激光脉冲；激光发射模块，所述激光发射模块用于将所述激光脉冲发射到大气中；激光接收模块，所述激光接收模块用于收集所述激光信号与大气相互作用后形成的后向散射信号；频率下转换模块，所述频率下转换模块用于将所述后向散射信号进行频率下转换，形成待处理光信号；光学接收机，所述光学接收机用于提取所述待处理光信号中的特征光信息；探测处理模块，所述探测处理模块用于将所述特征光信号转换为电信号，通过对所述电信号进行采集并处理获取大气温度信息。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光模块出射的激光脉冲的波长为近紫外到近红外波段。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光模块包括：种子激光器、脉冲发生器以及激光放大器；所述种子激光器用于发射连续激光信号，所述脉冲发生器用于将所述连续激光信号斩成激光脉冲，所述放大器用于对入射激光脉冲进行放大处理，出射满足大气探测条件的激光脉冲；或，所述激光模块为满足探测要求的脉冲激光器。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光发射模块与所述激光接收模块为收发分离式结构；或，所述激光发射模块与所述激光接收模块为收发同轴结构，二者共用一望远镜。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述频率下转换模块包括：泵浦激光器，所述泵浦激光器用于出射泵浦激光；波分复用器，所述波分复用器用于将所述后向散射信号与所述泵浦激光耦合；非线性波导，所述非线性波导用于将所述后向散射信号进行频率下转换；滤波器，所述滤波器用于滤除干扰信号。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述探测处理模块基于转动拉曼信号反演所述大气温度信息，或，所述探测处理模块基于瑞利信号反演所述大气温度信息。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光模块出射激光脉冲的频率固定，所述光学接收机为可扫描的滤波器；所述探测处理模块通过瑞利散射谱反演所述大气温度信息。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述探测处理模块包括：探测器、采集卡以及计算机；其中，所述探测器用于将所述特征光信号转换为电信号，所述采集卡用于采集所述电信号，所述计算机用于基于所述电信号获取所述大气温度信息。优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述探测器为单光子探测器。本专利技术还提供了一种基于频率下转换的大气测温方法，用于上述任一项所述的大气测温激光雷达，其特征在于，所述大气测温方法包括：向大气发射短波长的激光脉冲；收集所述激光信号与大气相互作用后形成的后向散射信号；将所述后向散射信号转换为光通信波段，形成待处理光信号；提取所述待处理光信号中的特征光信息；将所述特征光信号转换为电信号，基于所述电信号获取大气温度信息。通过上述描述可知，本专利技术技术方案提供的基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法至少具有如下有益效果：一方面，基于激光模块发射的短波长的激光脉冲进行单侧测温，提高了瑞利散射或转动拉曼散射的后向散射系数，提高了接收信号的强度。另一方面，获取激光脉冲信号与大气相互作用形成的后向散射信号后，通过频率下转换模块对所述后向散射信号进行频率下转换，将短长的探测光转换到光通讯波段，通过采用光纤滤波器进行光处理获得瑞利散射谱或者转动拉曼信号。这克服了短波滤波器无法实现的高光谱分辨探测，以及长波激光中瑞利散射或者转动拉曼散射信号弱的难题。由于光通讯波段器件成熟稳定，这也提高了测温激光雷达接收机的稳定性。。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于频率下转换的大气测温激光雷达的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种大气测温激光雷达的激光模块的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的大气测温激光雷达扫描光谱的示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种基于频率下转换的大气测温方法的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如
技术介绍
所述，转动拉曼信号和瑞利散射信号与波长的负四次方成正比，因此这两类雷达一般采用短波长激光作为光源，如紫外355nm或者绿色532nm的激光。当激光雷达采用1550纳米的激光时，其转动拉曼和瑞利散射的强度是532nm的1.4％，是355nm的0.27％。因此，由于目前1.5微米激光无法进行转动拉曼和瑞利信号的有效探测。然而，在短波长区域，空间光滤波器的带宽受限，并且价格昂贵，稳定性差。例如，当采用窄带的空间光法布里-帕罗干涉仪时，由于入射波长短，对干涉仪表面的面型精度要求高，并且空间光路容易受到周围温度、压强和湿度变化的影响，稳定性差。为了解决上述问题，本专利技术实施例提供了一种基于频率下转换的高光谱分辨测温激光雷达，具有易于光谱提取，可以基于光纤链路，系统稳定性高，以及接受光路结构紧凑的优点。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。参考图1，图1为本专利技术实施例提供的一种基于频率下转换的大气测温激光雷达的结构示意图，该大气测温激光雷达包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频率下转换的大气测温激光雷达，其特征在于，所述大气测温激光雷达包括：激光模块，所述激光模块用于产生短波长的激光脉冲；激光发射模块，所述激光发射模块用于将所述激光脉冲发射到大气中；激光接收模块，所述激光接收模块用于收集所述激光信号与大气相互作用后形成的后向散射信号；频率下转换模块，所述频率下转换模块用于将所述后向散射信号进行频率下转换，形成待处理光信号；光学接收机，所述光学接收机用于提取所述待处理光信号中的特征光信息；探测处理模块，所述探测处理模块用于将所述特征光信号转换为电信号，通过对所述电信号进行采集并处理获取大气温度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于频率下转换的大气测温激光雷达，其特征在于，所述大气测温激光雷达包括：激光模块，所述激光模块用于产生短波长的激光脉冲；激光发射模块，所述激光发射模块用于将所述激光脉冲发射到大气中；激光接收模块，所述激光接收模块用于收集所述激光信号与大气相互作用后形成的后向散射信号；频率下转换模块，所述频率下转换模块用于将所述后向散射信号进行频率下转换，形成待处理光信号；光学接收机，所述光学接收机用于提取所述待处理光信号中的特征光信息；探测处理模块，所述探测处理模块用于将所述特征光信号转换为电信号，通过对所述电信号进行采集并处理获取大气温度信息。2.根据权利要求1所述的大气测温激光雷达，其特征在于，所述激光模块出射的激光脉冲的波长为近紫外到近红外波段。3.根据权利要求1或2所述的大气测温激光雷达，其特征在于，所述激光模块包括：种子激光器、脉冲发生器以及激光放大器；所述种子激光器用于发射连续激光信号，所述脉冲发生器用于将所述连续激光信号斩成激光脉冲，所述放大器用于对入射激光脉冲进行放大处理，出射满足大气探测条件的激光脉冲；或，所述激光模块为满足探测要求的脉冲激光器。4.根据权利要求1所述的大气测温激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块与所述激光接收模块为收发分离式结构；或，所述激光发射模块与所述激光接收模块为收发同轴结构，二者共用一望远镜。5.根据权利要求1所述的大气测温激光雷达，其特征在于，所述频率下转换模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官明佳，夏海云，薛向辉，窦贤康，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34