跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，包括有跳频激光发射模块、望远镜接收模块、分光模块、数据采集与反演模块；跳频激光发射模块，产生大气后向散射光信号被望远镜接收模块接收；望远镜接收模块，接收大气后向散射信号，耦合到多模光纤，经光纤输出进入分光模块；分光模块，用于分离提取瑞利散射信号；数据采集与反演模块，采集通过分光模块分离的瑞利散射回波信号，并利用瑞利谱宽与大气绝对温度的关系反演实现大气绝对温度探测。该系统实现了大气绝对温度探测。还公开了一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测方法。测方法。测方法。

【技术实现步骤摘要】
跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统及方法


[0001]本专利技术属于大气温度探测
，具体涉及一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，还涉及一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测方法。

技术介绍

[0002]大气温度是重要的气象要素之一，在垂直方向上，大气结构可被划分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。对流层作为大气层底部，空气的上下对流活动强烈，因此会发生复杂的大气现象和天气变化。对流层大气参数与农业生产、飞行器安全、重大灾害预防等密切相关，实现其高精度测量具有重要的社会价值和意义。大气温度廓线描述了大气温度随高度的垂直分布情况。大气温度廓线对于预估天气状态及获取其它大气参量方面具有至关重要的作用。
[0003]由于大气分子瑞利散射的谱线宽度与激光发射波长和大气温度有关，高光谱分辨率激光雷达通过高光谱分辨率的分光系统提取大气分子的瑞利散射信号，利用瑞利散射谱半高宽与温度的关系或与理论模型进行拟合即可得到大气温度。相比转动拉曼法，基于瑞利散射更大的散射截面，瑞利散射强度大3
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4量级，无需较长累积时间即可得到较好的探测信噪比，窄带滤波器抑制了太阳背景光，具有较好的全天时温度探测的潜力。由于大气气溶胶的米散射与大气分子的瑞利散射都属于弹性散射，其散射光谱具有相同的中心波长(激励激光波长)，探测瑞利散射谱宽变化，必须考虑对米散射的剔除，因此，当前高光谱分辨率激光雷达温度探测方法主要采用固定窄带鉴频器，比如FPE、Michelson干涉仪、原子或分子吸收池等来分离米与瑞利散射信号，利用不同瑞利谱的强度变化，差分得到瑞利谱宽变化而反演得到温度相对值，属于温度相对探测，要得到绝对值，需要通过利用基准温度获得。
[0004]激光雷达温度廓线的标定与校正一直是该领域研究的难点之一，激光雷达探测存在盲区及探测信号的信噪比随高度升高而下降，因此无法按照常规的计量标准开展系统校正与标定。目前一般采用无线电探空仪获得的廓线作为基准对激光雷达探测廓线进行标定与校正。由于探空仪实际探测路径轨迹受大气湍流、水平风速风向等影响较大，其探测路径和时间与激光雷达的不一致性，极易引入激光雷达校正的系统误差，降低相对探测高光谱分辨率激光雷达温度探测精度。另外，由于大气状态是随机变化的物理过程，通常认为是不可再现的，增加了激光雷达系统高精度校正的实现难度。因此，研究大气温度廓线(绝对值)的探测技术，消除系统标定与校正的技术瓶颈，是当前激光雷达温度廓线探测的技术前沿与热点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，以实现大气绝对温度探测。
[0006]本专利技术的第二个目的是提供一种跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测方法。
[0007]本专利技术所采用的第一个技术方案是，跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系
统，包括有跳频激光发射模块、望远镜接收模块、分光模块、数据采集与反演模块；
[0008]跳频激光发射模块，产生大气后向散射光信号被望远镜接收模块接收；
[0009]望远镜接收模块，接收大气后向散射信号，耦合到多模光纤，经光纤输出进入分光模块；
[0010]分光模块，用于分离提取瑞利散射信号；
[0011]数据采集与反演模块，采集通过分光模块分离的瑞利散射回波信号，并利用瑞利谱宽与大气绝对温度的关系反演实现大气绝对温度探测。
[0012]本专利技术的特征还在于，
[0013]跳频激光发射模块包括有按照激光传输路径依次设置的激光种子激光器、Nd：YAG脉冲激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、激光扩束器、第一45
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全反射镜；由种子激光器发射的跳频激光注入Nd：YAG脉冲激光器产生跳频脉冲激光，经过二倍频晶体、三倍频晶体产生中心位于354.72nm波长、跳频1.5GHz的跳频脉冲激光；再通过激光扩束器扩束，由第一45
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全反射镜反射后垂直射入大气产生大气后向散射光信号被望远镜接收模块接收。
[0014]望远镜接收模块包括接收望远镜、高效耦合器及多模光纤；大气后向散射光信号被接收望远镜接收，通过高效耦合器耦合，由多模光纤传输至分光模块。
[0015]分光模块包括有准直凸透镜、分光镜BS0、分光镜BS1、分光镜BS2、第二45
°
全反射镜、三通道FPI；由多模光纤输出的大气后向散射光信号经准直凸透镜准直，入射到分光镜BS0，其中一部分被反射进入数据采集与反演模块，作为参考信号；另外一部分光信号通过分光镜BS0透射至分光镜BS1；分光镜BS1将一部分信号透射通过三通道FPI的一通道，被反射进入数据采集与反演模块；其余信号被分光镜BS1反射到分光镜BS2；分光镜BS2将这部分信号其中一部分反射通过三通道FPI的二通道，被反射进入数据采集与反演模块；剩下一部分信号透射通过分光镜BS2并由第二45
°
全反射镜反射进入三通道FPI的三通道，被反射进入数据采集与反演模块。
[0016]分光镜BS0反射透射之比为1:99；分光镜BS1反射透射之比为70:30；分光镜BS2反射透射之比为50:50。
[0017]数据采集与反演模块包括有光电探测器PMT0、光电探测器PMT1、光电探测器PMT2、光电探测器PMT3及数字示波器；光电探测器PMT0负责探测参考信号，光电探测器PMT1、光电探测器PMT2、光电探测器PMT3分别探测通过三通道FPI的三个通道的光信号，四路信号均有数字示波器采集存储，用于反演大气温度。
[0018]本专利技术所采用的第二个技术方案是，跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测方法，具体按照以下步骤实施：
[0019]步骤1、将上述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统初始化；
[0020]步骤2、使用跳频激光发射模块输出跳频激光脉冲，并由望远镜接收模块接收大气后向散射信号，通过分光模块分光之后由各通道相应的光电探测器采集；
[0021]步骤3、对采集到的大气后向散射信号进行拼接、归一化、去噪、反卷积等处理，获得大气瑞利布里渊散射谱；
[0022]步骤4、将步骤3中所得的大气瑞利布里渊散射谱与瑞利布里渊理论模型拟合；
[0023]步骤5，通过拟合各高度的散射谱线，反演得到各高度大气温度，最终获得大气温度廓线。
[0024]本专利技术的特征还在于，
[0025]步骤3具体按以下步骤实施：
[0026]将种子激光器频率设置为初始频率，以Nd：YAG脉冲激光器的激发信号为参考，当脉冲信号大于0时开始采集三通道FPI的三个测量通道光信号PMT1、PMT2、PMT3信号及光电探测器PMT0与分光镜BS0之间的参考通道光信号PMT0；利用PMT0信号对PMT1、PMT2、PMT3信号进行归一化处理，消除激光能量波动引起的误差；通过数字示波器将采集数据进行记录；对于数字示波器采集的原始数据，将激光输出不同频率对应相同高度的数据进行叠加，并对叠加后的信号进行小波去噪；对去噪后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，包括有跳频激光发射模块、望远镜接收模块、分光模块、数据采集与反演模块；跳频激光发射模块，产生大气后向散射光信号被望远镜接收模块接收；望远镜接收模块，接收大气后向散射信号，耦合到多模光纤，经光纤输出进入分光模块；分光模块，用于分离提取瑞利散射信号；数据采集与反演模块，采集通过分光模块分离的瑞利散射回波信号，并利用瑞利谱宽与大气绝对温度的关系反演实现大气绝对温度探测。2.根据权利要求1所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，跳频激光发射模块包括有按照激光传输路径依次设置的激光种子激光器(1)、Nd：YAG脉冲激光器(2)、二倍频晶体(3)、三倍频晶体(4)、激光扩束器(5)、第一45
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全反射镜(6)；由种子激光器(1)发射的跳频激光注入Nd：YAG脉冲激光器(2)产生跳频脉冲激光，经过二倍频晶体(3)、三倍频晶体(4)产生中心位于354.72nm波长、跳频1.5GHz的跳频脉冲激光；再通过激光扩束器(5)扩束，由第一45
°
全反射镜(6)反射后垂直射入大气产生大气后向散射光信号被望远镜接收模块接收。3.根据权利要求2所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，望远镜接收模块包括接收望远镜(7)、高效耦合器(8)及多模光纤(9)；大气后向散射光信号被接收望远镜(7)接收，通过高效耦合器(8)耦合，由多模光纤(9)传输至分光模块。4.根据权利要求3所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，分光模块包括有准直凸透镜(10)、分光镜BS0(11)、分光镜BS1(12)、分光镜BS2(13)、第二45
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全反射镜(14)、三通道FPI(15)；由多模光纤(9)输出的大气后向散射光信号经准直凸透镜(10)准直，入射到分光镜BS0(11)，其中一部分被反射进入数据采集与反演模块，作为参考信号；另外一部分光信号通过分光镜BS0(11)透射至分光镜BS1(12)；分光镜BS1(12)将一部分信号透射通过三通道FPI(15)的一通道，被反射进入数据采集与反演模块；其余信号被分光镜BS1(12)反射到分光镜BS2(13)；分光镜BS2(13)将这部分信号其中一部分反射通过三通道FPI(15)的二通道，被反射进入数据采集与反演模块；剩下一部分信号透射通过分光镜BS2(13)并由第二45
°
全反射镜(14)反射进入三通道FPI(15)的三通道，被反射进入数据采集与反演模块。5.根据权利要求4所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，分光镜BS0(11)反射透射之比为1:99；分光镜BS1(12)反射透射之比为70:30；分光镜BS2(13)反射透射之比为50:50。6.根据权利要求4所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统，其特征在于，数据采集与反演模块包括有光电探测器PMT0(16)、光电探测器PMT1(17)、光电探测器PMT2(18)、光电探测器PMT3(19)及数字示波器(20)；光电探测器PMT0(16)负责探测参考信号，光电探测器PMT1(17)、光电探测器PMT2(18)、光电探测器PMT3(19)分别探测通过三通道FPI(15)的三个通道的光信号，四路信号均有数字示波器(20)采集存储，用于反演大气温度。7.跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、将如权利要求1
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6任意一项所述的跳频多通道激光雷达大气绝对温度探测系统初始化；
步骤2、使用跳频激光发射模块输出跳频激光脉冲，并由望远镜接收模块接收大气后向散射信号，通过分光模块分光之后由各通道相应的光电探测器采集；步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪丽，杨久琪，华灯鑫，高飞，闫庆，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：