大气拉曼‑瑞利散射测温激光雷达及反演方法与流程

本发明涉及大气探测激光雷达，尤其涉及大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达。

背景技术：

大气温度是大气的重要参数之一。在大气30km以上至80km高度范围内，大气的成分以中性的氮气和氧气分子为主，是无线电波探测的盲区，该层段的温度主要依靠激光雷达技术探测。激光雷达探测该层段的机理是：利用激光照射到大气分子，产生瑞利散射，通过探测瑞利散射的回波强度，获得大气密度，然后利用单位体积理想气体状态方程P＝NRT计算温度，其中P是大气压强，可由大气压强模型获得；N是气体分子密度(单位体积内的分子摩尔数)；R是气体常数；T是温度，则可以得到T＝P/(NR),又因为：激光雷达瑞利散射回波强度I_Rayleigh＝σ_RayleighN，则T＝Pσ_Rayleigh/(I_RayleighR),其中σ_Rayleigh为大气分子的瑞利散射截面，只要测得激光雷达回波强度I_Rayleigh便可以测得大气温度。

但对于30km以下，该测量方法与实际温度逐渐偏离，而且越向下，偏离越大，使得该方法不再有效。这是因为在30km以下大气已不再是洁净的分子，而是还含有较多的大气气溶胶(颗粒物、水汽等)，并且高度越低，大气气溶胶含量大致越大(当然，但若遇到高层薄云、火山、大区域沙尘暴天气时，高空大气气溶胶也有可能含量较高)，大气气溶胶的体积较分子大得多，因此气溶胶散射截面远大于大气分子的散射截面，造成回波信号中增加了气溶胶散射(米散射)成分，得到的是瑞利-米散射的混合结果，使上述探测温度反演不再准确。

而大气气溶胶含量随着大气湿度(水汽含量)、污染(颗粒物污染)、火山灰和沙尘等变化而变化，且这些变化的规律难以精确预测，无法从回波光信号中精确扣除。致使现有的大气瑞利散射测温激光雷达对30km以下的大气温度失去探测能力。

拉曼散射激光雷达是实现低空大气温度探测的有效手段，文献1(Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator，APPLIED OPTICS Vol.39,No.9，2000)介绍了一种采用转动拉曼散射探测低空大气温度的方法和系统，通过探测两个探测通道，分别探测对温度变化比较敏感的两个分子拉曼散射光谱带，反演获得温度。由于拉曼散射是有大气分子产生的，不受大气气溶胶含量的影响，但拉曼散射强度远小于瑞利散射，因此拉曼散射仅限于对低空探测，大多拉曼测温激光雷达探测高度仅为几公里到十几公里，只有极少数可探测到30-40km的高度。

文献2(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，地球物理学报,Vol.55，No.11：3527-3533，2012)，采取与文献1类似的原理方法，不同之处在于，其所选的两个转动拉曼通道为氮气分子J＝4和J＝14的两个单支谱线。

综上所示，目前实现30km以上和以下的大气温度探测是采用了两种激光雷达实现的，且对拉曼散射的探测采用了两个探测通道，系统结构较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达。该雷达采用高分辨光谱检测方法，探测30km以上激光在大气分子上产生的瑞利散射光谱信号，反演获得30km以上的大气温度；并采用一个通道探测30km以下激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱信号，该通道对应拉曼散射光谱中对温度不敏感的一段光谱信号，利用激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，采用瑞利散射测温反演类似的方法，获得30km以下的大气温度，拓展了瑞利散射测温激光雷达的测温空间范围。具有系统简洁、测温高度范围宽、测温误差小的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达由发射激光单元、接收望远镜、接收光纤、信号检测单元和信号处理单元组成。

其中，信号检测单元的构成是：在接收光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜、第一滤光片、第一聚焦镜和第一光电探测器；分光镜安装在准直镜和第一滤光片之间的光路中，且与光轴呈45度角，在分光镜的反射光路中依次同轴安装第二滤光片、第二聚焦镜和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器分别输出米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman。

接收望远镜的接收光轴与发射激光单元发出的激光束平行，接收光纤的一端安装于接收望远镜的焦点处，另一端连接到信号检测单元的输入端，信号检测单元输出的米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman分别连接到信号处理单元的输入端，发射激光单元输出的触发信号连接到信号处理单元的触发信号输入端。

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达反演方法如下：

在30km以上高度范围内的温度反演按下式计算：

T＝Pσ_Rayleigh/(I_Mie+RayleighR)

其中，P为大气压强、σ_Rayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、I_Mie+Rayleigh为米-瑞利散射强度、R为理想气体常数。

在30km以下高度范围内的温度反演按下式计算：

T＝Pσ_Raman/(I_RamanR)

其中，P为大气压强、σ_Raman为大气分子常数拉曼散射截面、I_Raman为拉曼散射强度、R为理想气体常数。

上述分光镜为短波通滤光片，比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，米-瑞利散射光谱透射。

上述的第一滤光片为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光单元发出的激光波长，透射带宽为20cm^-1。

上述第二滤光片为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm^-1，透射带宽为5cm^-1。

原理

在激光激发的大气散射回波光谱中，包含米散射谱，瑞利散射谱和拉曼散射谱，其中，米散射谱的线宽与激光光谱线宽相当，米散射谱的回波强度I_Mie与大气气溶胶颗粒物的密度成正比；瑞利散射谱的线宽远大于激光光谱线宽，瑞利散射谱的回波强度I_Rayleigh与大气分子密度N成正比；米散射谱和瑞利散射谱是叠加在一起的，接收到的是米-瑞利散射谱混合在一起的强度I_Mie+Rayleigh，两者的比例随着大气中大气气溶胶颗粒物和大气分子的比例变化而变化，大致上随着高度的增加米散射谱的占比逐渐减少(当然，米散射谱和瑞利散射谱的占比随着污染程度具有不确定的变化性)。但目前没有有效的光谱分离手段将米散射光谱的回波强度I_Mie和瑞利散射光谱的回波强度I_Rayleigh准确的分离开。

在瑞利散射谱的两边产生拉曼散射谱，拉曼散射谱是激光照射到大气中氮气和氧气等分子上产生的，比激光波长长的一侧是Stokes拉曼散射谱，比激光波长短的一侧是Anti-Stokes拉曼散射谱，因分子有很多转动能级，拉曼散射谱也就对应有很多条谱线，各拉曼散射谱峰值连线构成的包络线随着大气温度的变化而变化，但在偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线强度几乎不随温度而变化，该拉曼光谱谱线的强度只与大气分子的密度N成正比。根据上述分析，偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线的强度I_Raman与瑞利散射谱的强度I_Rayleigh均与大气分子密度N成正比，即：

I_Raman＝σ_RamanNLt

I_Rayleigh＝σ_RayleighNLt

其中σ_Raman和σ_Rayleigh分别是大气分子的已知常数拉曼散射截面和瑞利散射截面，L为空间分辨率，t为时间分辨率，由此得到：

从公式可以看出，只要测得I_Raman，就可得到I_Rayleigh。

其中，在30以上高度范围内的温度反演算法为：

截取I_Mie+Rayleigh中30km以上的探测数据，此段大气没有气溶胶，信号I_Mie+Rayleigh中没有米散射信号，即在此高度范围内I_Mie+Rayleigh＝I_Rayleigh，用温度反演公式T＝Pσ_Rayleigh/(I_RayleighR)得到：

T＝Pσ_Rayleigh/(I_Mie+RayleighR)

在30km以下高度范围内的温度反演算法为：

截取I_Raman中30km以下的探测数据，利用瑞利散射和拉曼散射的信号强度关系及温度反演公式T＝Pσ_Rayleigh/(I_RayleighR)得到：

T＝Pσ_Raman/(I_RamanR)

另外说明：在30以上范围不宜根据瑞利散射和拉曼散射的关系式用拉曼散射信号替代瑞利散射信号，因为拉曼散射截面σ_Raman小于瑞利散射截面σ_Rayleigh，使得30km以上的拉曼散射信号信的噪比较低，会造成反演温度误差大，探测高度不够高的问题，但30km以下拉曼信号的信噪比可以通过瑞利散射和拉曼散射的关系式用拉曼散射信号替代瑞利散射信号反演温度。

本发明的优点是：通过结合拉曼散射和米-瑞利散射通道信号，从低空米-瑞利混合信号中，提取出纯分子的拉曼散射信号，消除气溶胶产生的影响，不仅实现了现有瑞利测温激光雷达对30km以上的温度探测，还实现了30km以下的温度探测，极大地拓展了瑞利散射测温激光雷达的测温空间范围。具有测温高度范围宽、测温误差小的优点。

附图说明

图1为大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达结构示意图

其中，1发射激光单元、2接收望远镜、3接收光纤、4信号检测单元、5信号处理单元。

图2为信号检测单元的结构示意图。

其中，3接收光纤、41准直镜、42分光镜、43第一滤光片、44第一聚焦镜、45第一探测器、46第二滤光片、47第二聚焦镜、48第二探测器、5信号处理单元。

图3为激光光谱、散射回波信号光谱及光学元件透射谱。

其中，42P分光镜透射谱、43P第一滤光片透射谱、46P第二滤光片透射谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

由图1可知，大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达由发射激光单元1、接收望远镜2、接收光纤3、信号检测单元4和信号处理单元5组成。

由图2可知，信号检测单元4的构成是：在接收光纤3的输出光路中依次同轴安装准直镜41、第一滤光片43、第一聚焦镜44和第一光电探测器45；分光镜42安装在准直镜41和第一滤光片43之间的光路中，且与光轴呈45度角，在分光镜42的反射光路中依次同轴安装第二滤光片46、第二聚焦镜47和第二光电探测器48；第一光电探测器45和第二光电探测器48分别输出米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman。

接收望远镜2的接收光轴与发射激光单元1发出的激光束平行，接收光纤3的一端安装于接收望远镜2的焦点处，另一端连接到信号检测单元4的输入端，信号检测单元4输出的米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman分别连接到信号处理单元5的输入端，发射激光单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端。

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达反演方法如下：

在30km以上高度范围内的温度反演按下式计算：

T＝Pσ_Rayleigh/(I_Mie+RayleighR)

其中，P为大气压强、σ_Rayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、I_Mie+Rayleigh为米-瑞利散射强度、R为理想气体常数。

在30km以下高度范围内的温度反演按下式进行：

T＝Pσ_Raman/(I_RamanR)

其中，P为大气压强、σ_Raman为大气分子常数拉曼散射截面、I_Raman为拉曼散射强度、R为理想气体常数。

上述分光镜42为短波通滤光片，比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，米-瑞利散射光谱透射。

上述的第一滤光片43为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光单元1发出的激光波长，透射带宽为20cm^-1。

上述第二滤光片46为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm^-1，透射带宽为5cm^-1。

本发明工作流程为：

发射激光单元1向空中发射一束激光,激光照射到空中的大气气溶胶颗粒物和大气分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)等回波，经接收望远镜2接收汇聚到接收光纤3，并传输进入信号检测单元4，信号检测单元4输出的拉曼信号I_Raman和米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端，发射激光单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端，用于同步数据采集。

回波光信号经接收光纤3进入信号检测单元4后，先由准直镜41准直成平行光，再经分光镜42进行光谱分光；分光镜42为短波通滤光片，从分光镜透射谱42P(图3)可知，大气散射回波光中比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射，米-瑞利散射光谱以及比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被透射；分光镜42的反射光进入第二滤光片46，第二滤光片46是带通滤光片，从第二滤光片透射谱46P(图3)可知，第二滤光片46只允许Stokes拉曼散射谱中强度不随温度变化的谱线透过，透射光经第二聚焦镜47汇聚到第二探测器48，第二探测器48将光信号变成电信号，得到I_Raman，传送到信号处理单元4。

分光镜42的透射光照射到第一滤光片43，第一滤光片43为带通滤光片，由第一滤光片透射谱43P(图3)可知，比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被抑制，第一滤光片43只允许米-瑞利散射谱透过，并经第一聚焦镜44汇聚到第一探测器45，第一探测器45将光信号变成电信号，得到I_Mie+Rayleigh，传送到信号处理单元4。

信号处理单元4根据发射激光单元1的同步信号，同步采集第一探测器45和第二探测器48探测输出的I_Mie+Rayleigh、I_Raman信号。

在30以上高度范围内的温度反演算法为：

截取I_Mie+Rayleigh中30km以上的探测数据，此段大气没有气溶胶，信号I_Mie+Rayleigh中没有米散射信号，即在此高度范围内I_Mie+Rayleigh＝I_Rayleigh，用温度反演公式T＝Pσ_Rayleigh/(I_RayleighR)得到：

T＝Pσ_Rayleigh/(I_Mie+RayleighR)

在30km以下高度范围内的温度反演算法为：

截取I_Raman中30km以下的探测数据，利用瑞利散射和拉曼散射的信号强度关系及温度反演公式T＝Pσ_Rayleigh/(I_RayleighR)得到：

T＝Pσ_Raman/(I_RamanR)

由此实现了30km以上和30km以下大气温度的同时获取。