本发明专利技术公开了基于转动拉曼‑多普勒机制的风温探测激光雷达，包括单纵模脉冲激光器、第一分束镜、稳频器、扩束镜、转向镜、接收望远镜、光纤、准直镜、滤光片、第二分束镜、第三分束镜、第一鉴频器、第一会聚透镜、第一光电探测器、第二鉴频器、第二会聚透镜、第二光电探测器、第三会聚透镜、第三光电探测器、数据采集器和计算机。还公开了基于转动拉曼‑多普勒机制的风温探测方法，利用单支转动拉曼光谱的多普勒展宽和频移，实现低层大气温度、风场的同步探测。不受低空云、气溶胶等因素的影响，能同时实现低空温度、风场的探测，可以应用于大气科学研究和天气气象观测等领域。
【技术实现步骤摘要】
基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达及方法
本专利技术涉及大气遥感
，涉及基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，还涉及基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测方法，适用于低空(30km以下)大气温度、风场同时探测。
技术介绍
大气温度和风场是描述大气状态的重要气象参数。低空大气温度和风场的同时观测，对于研究大气的热力动力学过程和能量的辐射传输过程具有重要意义。目前有多种机制的测温测风激光雷达，主要利用激光与大气中原子分子的不同相互作用机制，产生不同类型的回波信号，从而实现不同大气层段温度和风场信息的反演。由于受低空云、气溶胶等的影响，低层大气风温同时探测仍然存在一定的困难，无法满足大气科学研究以及天气气象应用等需求。因此，突破现有激光雷达的局限性，同步获取低空温度、风场信息，是激光雷达观测研究发展的一个重要方向。多普勒激光雷达利用大气中原子分子的散射光谱会随着温度和径向速度的变化产生多普勒展宽和频移，根据回波信号强度可以同时反演出特定高度范围的温度和风场信息。其中，钠、钾、铁等金属共振荧光-多普勒激光雷达利用金属层原子共振荧光谱线的展宽和频移，可以实现80-110km高层大气的温度和风场同时探测(She,C.Y.,andYu,J.R.:SIMULTANEOUS3-FREQUENCYNALIDARMEASUREMENTSOFRADIALWINDANDTEMPERATUREINTHEMESOPAUSEREGION,GeophysicalResearchLetters,21,1771-1774,doi:10.1029/94gl01417,1994.)。瑞利-多普勒激光雷达基于瑞利散射光谱的展宽和频移，实现了30km以上纯净大气的温度风场同时探测(Dou,X.K.,Han,Y.L.,Sun,D.S.,Xia,H.Y.,Shu,Z.F.,Zhao,R.C.,Shangguan,M.J.,andGuo,J.:MobileRayleighDopplerlidarforwindandtemperaturemeasurementsinthestratosphereandlowermesosphere,OpticsExpress,22,A1203-A1221,doi:10.1364/oe.22.0a1203,2014.)。但30km以下由于受米散射信号的干扰，瑞利-多普勒激光雷达无法直接用于低空大气的风温探测。以上两种多普勒激光雷达由于各自的局限性，都无法实现低空大气温度和风场的探测。目前，用于低空大气风场探测的相干多普勒激光雷达，由于受气溶胶含量的影响，其探测高度通常限制在5km，而且该激光雷达无法同时获取低空大气温度信息。用于低空大气温度探测的激光雷达，根据不同探测机制，也有不同的类型。其中，瑞利散射激光雷达和振动拉曼散射激光雷达利用理想气体定律和静力学平衡两个假设，根据回波信号强度可以反演得到大气密度和温度信息。但是受低空云、气溶胶等因素的影响，这两种测温激光雷达的探测高度和探测精度均受到限制。纯转动拉曼散射激光雷达利用激光与大气分子之间的非弹性碰撞，其散射光子在不同转动量子态形成多根转动拉曼谱线分布在入射光频率的两端，这些谱线强度与温度之间服从玻尔兹曼分布规律，即位于高转动量子态的拉曼谱线强度随温度升高而增强，而位于低转动量子态的拉曼谱线强度随温度升高而减弱。因此，利用高、低转动量子态拉曼谱线强度与温度之间的变化关系可以反演大气温度信息。由于其散射波长与米散射波长不同，因而不受低空云、气溶胶等因素的影响，而且散射截面相对大于振动拉曼散射截面，因此广泛用于低空大气温度的高精度探测。目前，转动拉曼散射激光雷达主要采用窄带干涉滤光片、双光栅单色仪或者F-P标准具结合干涉滤光片的方式分别获取位于高、低转动量子态的多根或单根拉曼谱线强度信息(BehrendtA,ReichardtJ.AtmospherictemperatureprofilinginthepresenceofcloudswithapurerotationalRamanlidarbyuseofaninterference-filter-basedpolychromator[J].ApplOptics,2000,39(9):1372-8.钟山,易帆,张绍东.纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法[J].地球物理学报,2012,55(011):3527-3533.)。这些滤光器件的带宽都大于单根拉曼谱线的线宽，因此无法测量谱线随环境温度以及速度变化引起的多普勒展宽和频移，所以无法同时测量低空大气温度和风场。综上，基于多种散射机制的多种激光雷达进行组合才能实现低空大气的风场与温度测量。因此目前没有一种激光雷达可以实现低空大气风场与温度的同时测量。本专利技术通过测量转动拉曼光谱中一根谱线的多普勒展宽和频移来实现低空大气风场与温度的同时测量，既可以有效避免气溶胶米散射的干扰，又能同时获取低空大气温度和风场的高时空分辨探测资料。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，还提供基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测方法，用于实现低空大气温度、风场的同时探测。本专利技术通过对大气分子转动拉曼散射一根谱线的多普勒展宽和频移进行高分辨频率鉴别，具有不受低空云、气溶胶等米散射信号干扰，并能同时实现低空温度、风场探测的优点。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，包括单纵模脉冲激光器，单纵模脉冲激光器输出单纵模脉冲激光，单纵模脉冲激光经第一分束镜分束获得第一反射光和第一透射光，第一反射光入射稳频器，稳频器根据第一反射光输出反馈信号连接到单纵模脉冲激光器进行稳频控制，第一透射光依次经扩束镜和转向镜后射向大气。接收望远镜接收后向散射回波信号，散射回波信号依次经准直镜和滤光片准直滤光后，再经过第二分束镜获得第二反射光和第二透射光，第二透射光经过第三分束镜获得第三反射光和第三透射光，第二反射光依次经过第一鉴频器和第一会聚透镜入射第一光电探测器；第三反射光依次经过第二鉴频器和第二会聚透镜入射第二光电探测器；第三透射光经过第三会聚透镜入射第三光电探测器，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输出端分别连接到数据采集器。基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，还包括接收端置于望远镜的焦点并与望远镜同轴的光纤，光纤输出端置于准直镜的焦点并与准直镜和滤光片同轴。基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测方法，包括以下步骤：步骤1、单纵模脉冲激光器输出单纵模脉冲激光，单纵模脉冲激光经第一分束镜分束获得第一反射光和第一透射光；步骤2、第一反射光入射稳频器，稳频器根据第一反射光对单纵模脉冲激光器进行稳频控制；步骤3、第一透射光依次经扩束镜和转向镜后垂直射向大气；步骤4、垂直射向大气的单纵模脉冲激光激发低空大气分子发生转动拉曼散射，后向散射回波信号被接收望远镜接收；步骤5、接收望远镜输出的后向散射回波信号依次经准直本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，包括单纵模脉冲激光器(1)，其特征在于，单纵模脉冲激光器(1)输出单纵模脉冲激光，单纵模脉冲激光经第一分束镜(2)分束获得第一反射光和第一透射光，第一反射光入射稳频器(3)，稳频器(3)根据第一反射光输出反馈信号连接到单纵模脉冲激光器(1)进行稳频控制，第一透射光依次经扩束镜(4)和转向镜(5)后射向大气。/n接收望远镜(6)接收后向散射回波信号，散射回波信号依次经准直镜(8)和滤光片(9)准直滤光后，再经过第二分束镜(10)获得第二反射光和第二透射光，第二透射光经过第三分束镜(11)获得第三反射光和第三透射光，第二反射光依次经过第一鉴频器(12)和第一会聚透镜(13)入射第一光电探测器(14)；第三反射光依次经过第二鉴频器(15)和第二会聚透镜(16)入射第二光电探测器(17)；第三透射光经过第三会聚透镜(18)入射第三光电探测器(19)，第一光电探测器(14)、第二光电探测器(17)和第三光电探测器(19)的输出端分别连接到数据采集器(20)。/n
【技术特征摘要】
1.基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，包括单纵模脉冲激光器(1)，其特征在于，单纵模脉冲激光器(1)输出单纵模脉冲激光，单纵模脉冲激光经第一分束镜(2)分束获得第一反射光和第一透射光，第一反射光入射稳频器(3)，稳频器(3)根据第一反射光输出反馈信号连接到单纵模脉冲激光器(1)进行稳频控制，第一透射光依次经扩束镜(4)和转向镜(5)后射向大气。
接收望远镜(6)接收后向散射回波信号，散射回波信号依次经准直镜(8)和滤光片(9)准直滤光后，再经过第二分束镜(10)获得第二反射光和第二透射光，第二透射光经过第三分束镜(11)获得第三反射光和第三透射光，第二反射光依次经过第一鉴频器(12)和第一会聚透镜(13)入射第一光电探测器(14)；第三反射光依次经过第二鉴频器(15)和第二会聚透镜(16)入射第二光电探测器(17)；第三透射光经过第三会聚透镜(18)入射第三光电探测器(19)，第一光电探测器(14)、第二光电探测器(17)和第三光电探测器(19)的输出端分别连接到数据采集器(20)。
2.根据权利要求1所述的基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达，其特征在于，还包括接收端置于望远镜(6)的焦点并与望远镜(6)同轴的光纤(7)，光纤(7)输出端置于准直镜(8)的焦点并与准直镜(8)和滤光片(9)同轴。
3.基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测方法，其特征在于，利用权利要求1所述的基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达装置，包括以下步骤：
步骤1、单纵模...
【专利技术属性】
技术研发人员：李亚娟，杨勇，林鑫，季凯俊，王积勤，夏媛，张磊，程学武，郑金州，刘林美，李发泉，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。