基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置的制造方法

文档序号:8472096阅读:478来源:国知局
基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域,尤其涉及一种基于振转动拉曼谱探测大气温度的 激光雷达装置。
【背景技术】
[0002] 大气温度是大气物理、天气预报以及大气环境研宄中一个重要的气象参数。目前 比较常用的手段有气球探空、卫星反演和激光雷达探测。激光雷达在探测精度和空间分辨 率上的优势以及可以连续测量和定向测量等特点使其越来越受到科学技术人员的重视。纯 转动拉曼激光雷达探测对流层温度存在如下几个弱点因素:
[0003] 1)在气溶胶含量比较大的边界层、气溶胶层和云层中,纯转动Raman信号受到气 溶胶弹性散射信号的干扰,使得探测边界层、气溶胶层以及云层的大气温度时产生较大的 测量误差;
[0004] 2)纯转动Raman激光雷达接收的高低阶拉曼信号包含了氮气和氧气的拉曼信号, 而氮气和氧气的拉曼谱线的温度响应函数不同,使得拉曼信号的温度响应函数变得复杂, 给大气温度的反演带来了困难和误差。
[0005] 3)高阶和低阶纯转动拉曼谱线强度差别较大,导致两路信号差别较大,易引起探 测误差。

【发明内容】

[0006] 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种基于振转动拉曼谱探测大气 温度的激光雷达装置。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008] 一种基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,包括有发射系统、接收系 统、后继光学系统和光电采集系统,所述的发射系统包括有激光器、扩束器和指向镜,所述 的激光器发射激光后通过扩束器放大光束和压缩发散角,最后通过指向镜发射到大气中; 所述接收系统包括有望远镜、孔径光阑和光纤,大气后向散射光通过望远镜收集后经孔径 光阑,由光纤导入后继光学系统;所述的后继光学系统包括有准直透镜、分束镜、低阶信号 滤光片和高阶信号滤光片,光纤的出射光通过准直透镜变成准平行光后由分束镜分成两路 信号,一路通过低阶信号滤光片,一路通过高阶信号滤光片;所述的光电采集系统包含光电 倍增管一、光电倍增管二和采集器,光电倍增管二和光电倍增管一分别放在低阶信号滤光 片和高阶信号滤光片后侧,两路信号光通过光电倍增管一和二转换为电信号后由采集器采 集保存下来。
[0009] 所述的激光器为波长为Aci的脉冲激光器,脉冲激光的脉宽为I-IOOns之间,能量 大于100mJ,重复频率大于20Hz,脉冲激光经过扩束镜后压缩发散角至小于0.2mrad,光斑 直径大于50mm。
[0010] 所述的望远镜采用近牛顿主焦点式望远镜,口径为300~500mm,镜面镀介质膜, 增强反射效率和降低背景散射光,孔径光阑口径为0. 2-1. 5mm可调,光纤的数值孔径0. 22, 通光口径I. 5_。
[0011] 所述的后继光学系统把望远镜收集的后向散射光分成高阶Stokes和低阶Stokes 的两路振转Raman谱线,低阶量子数的拉曼信号强度随温度增加而减弱,高阶量子数的拉 曼信号强度随温度增加而加强,所采用的特征波长为AjPAMAh为高阶振转Raman谱线 波长,A^3低阶振转Raman谱线波长,特征波长与发射波长X^的关系如下:
【主权项】
1. 一种基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,其特征在于;包括有发射系 统、接收系统、后继光学系统和光电采集系统,所述的发射系统包括有激光器、扩束器和指 向镜,所述的激光器发射激光后通过扩束器放大光束和压缩发散角,最后通过指向镜发射 到大气中;所述接收系统包括有望远镜、孔径光阔和光纤,大气后向散射光通过望远镜收集 后经孔径光阔,由光纤导入后继光学系统;所述的后继光学系统包括有准直透镜、分束镜、 低阶信号滤光片和高阶信号滤光片,光纤的出射光通过准直透镜变成准平行光后由分束镜 分成两路信号,一路通过低阶信号滤光片,一路通过高阶信号滤光片;所述的光电采集系统 包含光电倍增管一、光电倍增管二和采集器,光电倍增管二和光电倍增管一分别放在低阶 信号滤光片和高阶信号滤光片后侧,两路信号光通过光电倍增管一和二转换为电信号后由 采集器采集保存下来。
2. 根据权利要求1所述的基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,其特征在 于:所述的激光器为波长为A。的脉冲激光器,脉冲激光的脉宽为1-lOOns之间,能量大于 lOOmJ,重复频率大于20化,脉冲激光经过扩束镜后压缩发散角至小于0. 2皿ad,光斑直径 大于50mm。
3. 根据权利要求1所述的基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,其特征在 于;所述的望远镜采用近牛顿主焦点式望远镜,口径为300~500mm,镜面锻介质膜,孔径光 阔口径为0. 2-1. 5mm可调,光纤的数值孔径0. 22,通光口径1. 5mm。
4. 根据权利要求1所述的基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,其特征在 于:所述的后继光学系统把望远镜收集的后向散射光分成高阶Stokes和低阶Stokes的两 路振转Raman谱线,低阶量子数的拉曼信号强度随温度增加而减弱,高阶量子数的拉曼信 号强度随温度增加而加强,所采用的特征波长为Ah和A,,Ag为高阶振转Raman谱线波长, 入^为低阶振转Raman谱线波长,特征波长与发射波长A。的关系如下;
式中B。,D。都是与氮气分子有关的常数,VYib是氮气分子振动拉曼频移参数。
5. 根据权利要求1所述的基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,其特征在 于:所述的采集器为双通道光子计数卡。
【专利摘要】本发明公开了一种基于振转动拉曼谱探测大气温度的激光雷达装置,激光器发射激光后通过扩束器放大光束和压缩发散角,最后通过指向镜发射到大气中,大气后向散射光通过望远镜收集后经孔径光阑,由光纤导入后继光学系统;光纤的出射光通过准直透镜变成准平行光后由分束镜分成两路信号,一路通过低阶信号滤光片,一路通过高阶信号滤光片;两路信号光通过光电倍增管一和二转换为电信号后由采集器采集保存下来。本发明振转Raman谱线强度与大气温度相关,相对与纯转动拉曼谱线和弹性散射线之间只有1-3nm的间隔,振动拉曼谱线与弹性散射线之间有大约70nm的间隔,因此选择振动拉曼谱线可以有效地避免强弹性散射信号的干扰。
【IPC分类】G01S17-95, G01K11-30
【公开号】CN104793218
【申请号】CN201510230828
【发明人】曹开法, 胡顺星, 时东锋, 苑克娥, 黄见
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年5月7日
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