专利名称：基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明属于气象与环境观测技术领域，涉及一种对大气参数进行遥感的转动拉曼激光雷达系统，主要涉及结合衍射光栅和光纤光栅分光技术的具有低调整复杂性的转动拉曼激光雷达系统，可遥感大气温度以及气溶胶光学特性等大气参数。
背景技术：
激光雷达作为一种主动遥感技术已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光遥感技术的物理基础是激光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的米散射、瑞利散射、拉曼散射等物理过程。 激光雷达系统的工作原理是由激光器发出的激光束脉冲射入大气，由望远镜接收激光束与大气中物质作用后产生的散射信号，并经光学分光处理和光电检测系统转换后，输入信息处理设备(多为计算机)进行数据反演处理。利用转动拉曼散射探测大气温度分布的基本原理是转动拉曼散射截面与大气温度之间存在的依赖性，即低量子数的转动拉曼散射截面随温度的增加而单调减少，而高量子数的转动拉曼散射截面随温度的增加而单调增加。但由于拉曼散射是一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，其散射截面与米散射和瑞利散射相比小约为3、个数量级，需要转动拉曼激光雷达的分光系统能够对米散射和瑞利散射等弹性散射信号提供至少7个数量级的抑制，以实现从强烈的弹性散射信号中提取微弱的转动拉曼信号，另外，白天探测时还需考虑太阳背景光的滤除效果。故作为转动拉曼激光雷达系统关键技术之一的分光技术成为国内外研究的热点和重点，目前已有双窄带干涉滤光片、双衍射光栅单色仪、F-P标准具、单衍射光栅与金属蒸汽滤波器结合等，但是已有分光系统都存在调整复杂、体积较大等缺点，从而限制了转动拉曼激光雷达系统在车载、机载及星载等领域的应用，而光纤布喇格光栅技术具有优良的波长选择性，光谱分辨率高，调整简单，插入损耗低，易于光纤兼容等优点，其在通信及传感领域的应用日趋广泛和成熟。另外已有转动拉曼测温激光雷达一般需要其它测量装置进行参数校正，不能进行大气绝对温的遥感探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，以解决现有技术中存在的调整复杂、体积大、重量重不利于转动拉曼激光雷达系统在车载、机载及星载等领域应用的问题。本发明的技术方案为，基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统、光电检测系统以及信息处理系统；
激光发射系统，包括发射脉冲激光束的Nd =YAG脉冲激光器、对脉冲激光进行准直扩束的扩束器，还包括多个反射镜，多个反射镜的设置使准直扩束后的激光垂直射向大气；
接收系统，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光，并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤，通过多模光纤导入分光系统；分光系统，用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米一瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米一瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号导入光电检测系统；所述分光系统包括正透镜、闪耀光栅、光纤阵列、光纤耦合器和光纤布喇格光栅， 光纤阵列和闪耀光栅分别位于正透镜的前后两侧，光纤阵列上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器，光纤耦合器有三个端口分别为PA、PB和？(，端口 PB与光纤布喇格光栅连接；正透镜用于将后向散射光准直后照射在闪耀光栅上，闪耀光栅用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光经正透镜会聚在焦平面上，实现不同波长的光在空间上的第一级分光，滤除了部分米一瑞利散射信号和太阳背景噪声；光纤阵列用于将焦平面上会聚的混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号耦合进光纤中；光纤耦合器的PA端用于接收混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号，光纤耦合器的PB端用于将混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号输送至光纤布喇格光栅，光纤布喇格光栅用于将米一瑞利散射信号和太阳背景噪声进一步过滤， 进行第二级分光，光纤耦合器的PC端用于将滤光后的转动拉曼散射信号输送至光电检测系统；
光电检测系统，用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统；
信息处理系统，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同转动量子数的转动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号进行分析处理，得到大气温度气象参数、大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度和大气能见度大气环境参数值。
本发明的有益效果是，减少了转动拉曼激光雷达分光系统调整自由度，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，且具有一定的白天遥感探测能力，使转动拉曼激光雷达系统适用于车载、机载及星载的应用。另外，本发明结合衍射光栅耦合效率高及光纤光栅调整复杂度低的优点，采用闪耀光栅与光纤光栅相结合的分光结构，构建具有适当耦合效率和调整复杂度的拉曼测温激光雷达系统。分光系统中只有1个衍射光栅和1个光纤阵列需要进行机械调整，且衍射光栅需要2个转动调整自由度，光纤阵列具有6个调整自由度，而双衍射光栅拥有2个衍射光栅和2组光纤阵列，因此该分光系统减少了调整自由度；另外，光纤布喇格光栅由于具有较窄的光谱带宽，因此将会减弱太阳背景噪声的影响。本发明分光系统对米_瑞利信号的滤除率达到6 7个数量级，可保证温度探测所需的信噪比，因而可实现低空大气温度探测。数值计算结果表明，该激光雷达系统在太阳背景噪声的辐射能量密度为3X IO8 ffm^sr^nm-1条件下，利用反斯托克斯分支的拉曼谱型反演大气绝对温度值，白天探测高度约为2 km，晚上探测高度约为5 km。
图1是本发明转动拉曼激光雷达系统的结构原理图2是本发明转动拉曼激光雷达系统中分光系统结构原理图； 图3是本发明转动拉曼激光雷达系统中闪耀光栅衍射效率图； 图4是本发明拉曼谱型与光纤阵列结构图5是本发明转动拉曼激光雷达系统中光纤布喇格光栅的反射光谱图； 图6是本发明分光系统输出的部分拉曼通道信号图；图7是本发明大气绝对温度及相关参数的反演仿真廓线。图中，1.激光发射系统，2.接收系统，3.分光系统，4.光电检测系统，5.信息处理系统，6. Nd:YAG脉冲激光器，7.扩束器，8.多模光纤，9.正透镜，10.闪耀光栅，11.光纤阵列，12.光纤耦合器，13.光纤布喇格光栅，M1、M2、M3.反射镜。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明借鉴现有双衍射光栅分光技术，并结合光纤布喇格光栅13分光带宽窄且纤芯直径小的优点，构建用于转动拉曼激光雷达系统的调整较简单的新型分光系统，进行转动拉曼激光雷达系统后向散射光的光谱空间分离、米-瑞利散射强光信号的抑制及白天太阳背景噪声的滤除，且具有转动拉曼谱型的探测能力，可进而反演大气的绝对温度值，对大气的各种参数进行遥感探测。如图1所示，本发明提供一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统， 包括激光发射系统1、接收系统2、分光系统3、光电检测系统4以及信息处理系统5。激光发射系统1包括Nd =YAG脉冲激光器6、扩束器7以及多个反射镜M1、M2、M3 ； Nd =YAG脉冲激光器6发出波长为532. 25nm的脉冲激光束，经扩束器7对脉冲激光准直扩束后，再通过多个反射镜Ml、M2、M3垂直射向大气。接收系统2，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光， 并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤8，通过多模光纤8导入分光系统3。分光系统3，用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米一瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米一瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号送入光电探测部件4。如图2所示，分光系统3包括正透镜9、闪耀光栅10、光纤阵列11、光纤耦合器12和光纤布喇格光栅13，光纤阵列11和闪耀光栅10分别位于正透镜9的前后两侧， 光纤阵列11上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器12，光纤耦合器12有三个端口分别为PA、PB和PC，端口 PB与光纤布喇格光栅13连接。其工作原理是后向散射光通过多模光纤8导入分光系统3，后向散射光经正透镜9准直后照射在闪耀光栅10上， 闪耀光栅10再反射具有不同衍射角的衍射光经正透镜9会聚在焦平面上，此时不同波长的光将在空间上分离，进行第一次分光，但是由于闪耀光栅10存在由周期性刻划误差而导致的杂散光，故焦平面的转动拉曼散射信号仍混有较强的米-瑞利散射信号和太阳背景噪声；焦平面上会聚的混有米-瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号经空间结构匹配的光纤阵列11耦合进光纤中，然后经过光纤耦合器12的端口 PA从端口 PB输出，经光纤布喇格光栅13的滤光，进行第二次分光，再次滤除米-瑞利散射信号和太阳背景噪声， 滤光后的转动拉曼散射信号经端口 PC输出，这样就完成了转动拉曼散射信号的分光。而较强烈的米-瑞利散射信号经窄带光纤布喇格光栅13滤光后，将减弱其对转动拉曼散射信号的影响，具有较好的温度遥感探测能力，另外，白天的太阳背景光经窄带光纤布喇格光栅13 滤光后，其对转动拉曼散射信号的干扰也将减弱，故具有较好的白天遥感探测能力。光电检测系统4，用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统5。信息处理系统5，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同
权利要求
1.基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于包括激光发射系统 (1)、接收系统(2)、分光系统(3)、光电检测系统(4)以及信息处理系统(5)；激光发射系统(1 )，包括发射脉冲激光束的Nd =YAG脉冲激光器(6)、对脉冲激光进行准直扩束的扩束器(7)，还包括多个反射镜(Ml、M2、M3)，多个反射镜(Ml、M2、M3)的设置使准直扩束后的激光垂直射向大气；接收系统(2)，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光，并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤(8)，通过多模光纤(8)导入分光系统(3)；分光系统(3)，用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米一瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米一瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号导入光电检测系统(4)；所述分光系统(3)包括正透镜(9)、闪耀光栅(10)、光纤阵列(11)、光纤耦合器(12)和光纤布喇格光栅(13)，光纤阵列(11)和闪耀光栅(10)分别位于正透镜(9)的前后两侧，光纤阵列(11)上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器(12)，光纤耦合器(12)有三个端口分别为PA、PB和？(，端口 PB与光纤布喇格光栅(13)连接；所述正透镜(9)用于将后向散射光准直后照射在闪耀光栅(10)上，闪耀光栅(10)用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光经正透镜(9)会聚在焦平面上，实现不同波长的光在空间上的第一级分光，滤除了部分米一瑞利散射信号和太阳背景噪声；光纤阵列(11)用于将焦平面上会聚的混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号耦合进光纤中； 光纤耦合器(12)的PA端用于接收混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号，光纤耦合器(12)的PB端用于将混有米一瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号输送至光纤布喇格光栅(13)，光纤布喇格光栅(13)用于将米一瑞利散射信号和太阳背景噪声进一步过滤，进行第二级分光，光纤耦合器(12)的PC端用于将滤光后的转动拉曼散射信号输送至光电检测系统(4)；光电检测系统(4)，用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统(5)；信息处理系统(5)，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同转动量子数的转动拉曼散射信号和米_瑞利散射信号进行分析处理，得到大气温度气象参数、 大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度和大气能见度大气环境参数值。
2.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于所述大气温度气象参数通过拉曼谱型的绝对温度反演算法得到的。
3.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于所述闪耀光栅(10)采用1阶次闪耀光栅。
4.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于所述接收系统(2)为望远镜接收系统。
5.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于所述Nd:YAG脉冲激光器(6)发出的波长为532. 25nm的脉冲激光束。
全文摘要
本发明涉及一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统、光电检测系统以及信息处理系统；分光系统包括正透镜、闪耀光栅、光纤阵列、光纤耦合器和光纤布喇格光栅，光纤阵列和闪耀光栅分别位于正透镜的前后两侧，光纤阵列上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器，光纤耦合器有三个端口分别为PA、PB和PC，端口PB与光纤布喇格光栅连接；本发明减少了转动拉曼激光雷达分光系统调整自由度，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，且具有一定的白天遥感探测能力，使转动拉曼激光雷达系统适用于车载、机载及星载的应用。
文档编号G02B6/34GK102323596SQ201110152348
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者华灯鑫, 宋跃辉, 李仕春 申请人:西安理工大学