专利名称：振动拉曼激光雷达散射光处理系统及其处理方法
技术领域：
本发明设计了一种振动拉曼激光雷达散射光处理系统及其处理方法，通过设计光路对拉曼激光雷达系统接收的后向散射光进行分别处理，其中高空直接对通过窄带滤光片的信号进行探测，而低空通道使大气后向散射信号两次经过窄带滤光片，进一步压縮拉曼激光雷达系统的中的噪声，能够提高系统信噪比。在探测大气温度廓线信息过程中，本发明解决了激光雷达信号动态范围大和低空拉曼散射信号受弹性散射信号影响两个问题。
背景技术：
大气温度廓线在多个研究领域均有重要应用。在气候学研究方面，全球气候变暖越来越被人们重视，全球气候变暖使海平面上升，将使很多岛国面临灾难；同时使极端温度天气频频出现，极端天气的出现对人类生活、生产带来不利影响。温度廓线的长期观测则表明，虽然对流层底部温度在降低，对流层顶部和平流层温度却在升高，因此，对大气温度廓线的长期监测是研究气候变化的一个重要方面。
在气象学研究方面，大气温度是大气物理、天气分析与预报中的一个重要气象参数。在大气动力学研究中，准确的大气温度信息对大气稳定性研究和动力学研究十分重要，同时准确的大气温度信息能够有助解释自然中的天气现象，能够提高数值天气预报的准确性。在平流层大气研究中，温度则与臭氧吸收太阳辐射加热有很大关系，该区温度变化间接反映了臭氧的变化，同时，高空大气温度与高空重力波和大气环流结构相关。除地球物理学方面的研究之外，大气温度廓线还是其他一些遥感手段的输入参数，例如使用拉曼激光雷达进行散射和消光测量等。总之，多项研究迫切需要从边界层到中间层底部的大气温度廓线信息。
由于大气温度的重要性，对大气温度的测量由来已久，除传统的大气温度测量方式外，随着光电子技术的发展，大气温度测量激光雷达逐渐发展为一种新兴的大气温度测量仪器。大气温度测量激光雷达具有时空分辨率高的特点， 一般分为下面几类转动拉曼激光雷达、振动拉曼激光雷达、瑞利激光雷达、金属离子荧光激光雷达。多种技术的激光雷达互相补充，共同构成从地面到高空110Km处温度廓线的测量体系。其中，振动拉曼散射激光雷达使用积分技术反演大气温度，探测的波长不同于发射波长，所以接收系统中不需要高分辨光谱部分，简化了激光雷达系统，因此，在测量精度许可的情况下可以利用振动拉曼散射代替纯转动拉曼散射。对于瑞利激光雷达， 一般的探测区域是30Km以上气溶胶影响可以忽略的区域，对 于5-30Km的区域内，高于转动拉曼激光雷达探测的极限，低于瑞利激光雷达的探测极限， 只能使用转动拉曼激光雷达进行探测。法国国家研究中心Philippe Keckhut1990报道了综合使 用振动拉曼和瑞利技术的激光雷达系统，其振动拉曼通道最低的测量高度为12Km。美国宇 航局的KdthD. Evans 1997年报道的振动拉曼激光雷达测量高度最低为5Km，可以与转动拉 曼激光雷达重合，但其测量的最大高度仅为10Km，不能达到瑞利测温的最低高度。国内， 中科院安徽光机所报道的振动拉曼激光雷达测量结果显示该系统在9-15Km范围内温度测量 的准确度较高。综合分析多家研究单位的振动拉曼激光雷达的探测结果可以看出，限制振动 拉曼激光雷达测量范围增大的主要原因有两个其一，转动拉曼激光雷达信号本身比较弱(比 米-瑞利信号小3-4个数量级)，其二，激光雷达方程距离平方因子的存在使激光雷达信号的 动态范围变化很大，高空信号很弱。上述两个原因存在一定的矛盾性，高空拉曼散射信号弱， 要求增强发射激光以获得更多的拉曼散射，但激光能量的增强，会使米-瑞利信号同时增强， 甚至使光电倍增管饱和，无益于提高系统的信噪比。
发明内容
本发明解决的技术问题通过分高空和低空两个通道进行探测，解决激光雷达信号的动 态范围大的问题，并对低空通道设计光路，使光信号两次通过滤波，进一步压縮背景噪声和 弹性散射噪声，提高系统的信噪比，从而提高了拉曼激光雷达温度测量的准确性和扩大温度 测量范围。
本发明的技术解决方案如下
振动拉曼激光雷达散射光处理系统，该系统包括
(1) 一台脉冲激光器；
(2) 反射脉冲激光的第一反光镜和第二反光镜；
(3) 收集大气的后向散射光信号的望远镜；
(4) 限制接收系统视场角的小孔光阑和信号光准直透镜；
(5) 第三反光镜；
(6) 滤除光信号噪声的窄带滤光片；
(7) 检测光信号的光电倍增管；
(8) 数据采集处理系统，主要包括主控计算机和光子计数卡，该系统与激光器和光电倍 增管相连；其特征是
(9) 所述光电倍增管包括第一光电倍增管和第二光电倍增管，两光电倍增管分别设置在窄带滤波片的两侧检测光信号；
(10)系统还包括一个三棱镜，它设置在第一光电倍增管与窄带滤光片之间，将透射部 分光送入第一光电倍增管，反射部分光再窄带滤光片后送入第二光电倍增管。
振动拉曼激光雷达散射光处理方法，其特征在于它包括以下步骤
(1) 主控计算机控制激光器发射脉冲激光，通过两个反光镜全反射进入大气；
(2) 大气的后向散射通过望远镜收集，经准直镜将信号光准直；
(3) 准直后的散射光信号经过窄带滤光片的上半部，滤除背景噪声和激光的弹性散射；
(4) 经过一次窄带滤光片的光信号进入三棱镜，在第一个反射面上，信号光的透过和反 射比值为l: 1，
(5) 透射光部分进入第一光电倍增管进行高空探测；
(6) 反射部分的光信号经过三棱镜的第二反射面发生全射反，由窄带滤光片的下半部第 二次进入窄带滤光片(进一步滤除背景噪声和弹性散射)，并由第二光电倍增管探测(将光信 号转化为电信号)；
(7) 第一、第二光电倍增管探测到的信号由数据采集处理系统进行采集处理。 本发明中所说激光器为Nd:YAG激光器，单脉冲能量可调，最大为260mJ，激光器工作
在外触发状态，可以通过调节激光器泵浦电流的方式调节激光脉冲能量。所说接收望远镜为 卡塞格林望远镜，焦距为2m，配以小孔限制整个激光雷达的接收角。所说的窄带滤光片，其 作用是保留需要的拉曼光信号而滤除作为噪声存在的光信号，是激光雷达系统的核心部件， 其工作直径为l英寸，透过中心波长为607nm，峰值透过率大于40%, 200-1200nm之间压制 率为107， 532nm理论压制率可以达到1012,窄带滤光片的透过光谱如图2所示。所说的反射 三棱镜，入射面镀有607nm增透膜，第一个反射面的镀有607nm波长半反半透膜，第二个反 射面镀有607nm的全反膜。三棱镜的第一反射面与第一光电倍增管对应窄带滤波片的上半部 位置；三棱镜的第二反射面与第二光电倍增管对应窄带滤波片的下半部位置。
所说的光电倍增管具有较高的增益能够实现单光子的探测。所说的数据采集处理系统包 括，光子计数卡和主控计算机，光子计数卡探测光电倍增管输出的电信号，主控计算机主要 功能是提供激光器的外触发脉冲信号、两个光电倍增管的门控信号、光子计数卡的触发信号。 光子计数卡的采样速率为200MHz，计数阈值电压可调。
本发明与现有技术相比具有的优点在于
(l)本发明解决了激光雷达信号强度动态范围大的问题。将探测的激光雷达的信号分成高
6空段、低空段分别进行探测，高空一般为5-15km的区域内，低空一般指15-30km的区域内。本发明使用两个倍增管和光子计数技术分别探测，解决了激光雷达信号动态范围大而难以探测的问题。
(2) 本发明进一步压縮噪声。设计光路使低空散射光两次经过窄带滤光片，进一步压縮背景噪声和弹性散射噪声，提高系统的信噪比，使探测范围向低空扩展。
(3) 本发明可以提高单脉冲能量的方式，增加系统测量准确度。通过激光雷达分段探测和两次压縮噪声，系统接收到的信号虽然比较弱，但是很纯的拉曼散射信号，因此，可以通过增加激光雷达单脉冲能量的方式进一步提高系统的信噪比。
(4) 本发明解决了多个滤光片的波长匹配问题。显然，若让低空信号连续通过两个窄带滤光片，也能进一歩压縮低空的信号，但这种方式势必存在波长匹配的问题(两个窄带滤光片的中心波长不一定相同)。而事实上，又有工艺上的问题，两个窄带滤光片很难做到波长完全匹配，波长不匹配使探测效率下降。即使两个滤光片能够做到波长匹配，其透过率中心波长随温度的变化也不尽相同，也就是说，温度稍微发生变化，波长就不再匹配。而本发明提出的信号光两次经过同一个滤光片，由于是同一个滤光片，不存在波长匹配和外界温度的影响，所以解决了滤光片的波长匹配问题。
图1为振动拉曼激光雷达散射光处理系统的基本结构示意图。图2为窄带滤光片透过光谱示意图。图3为三棱镜结构示意图。
图中l一激光器；2 —第一反光镜；3 —第二反光镜；4-望远镜；5-小孔光阑；6-准直镜；7-第三全反镜；8-窄带滤光片；81-信号光单次通过滤光片的透过率光谱；82-信号光两次通过滤光片的透过率光谱；
9- 三棱镜；91-信号光入射面(镀有607nm增透膜)；92-第一反射面(镀有607nm半反膜)；93-第二反射面(镀有607nm的全反膜)；
10- 第一光电倍增管；ll-第二光电倍增管；12-数据采集处理系统。
具体实施例方式
如图l所示，本发明基于新颖光路的振动拉曼温度测量激光雷达，它使用三棱镜将拉曼散射光信号分为高空和低空两个通道，高空光信号直接探测，低空光信号两次通过窄带滤光片，可以提高拉曼激光雷达温度测量的准确性和温度测量范围。
7如图2所示，窄带滤光片的透过光谱，81为单次通过滤光片的归一化后透过率光谱，82 为两次通过滤光片的归一化透过率光谱。两次通过滤光片后通过率为单次通过的平方，具有 更高的噪声信号压縮能力和更窄的通带带宽。
如图3所示，三棱镜入射面91镀有607nm增透膜，第一个反射面92的镀有607nm波 长半反半透膜，第二个反射面93镀有607nm的全反膜。光信号走向如图所示，其中箭头表 示光的走向，虚线框宽度表示光信号强度，粗细如图所示。
该系统由激光器l、第一反光镜2、第二反光镜3、望远镜4、小孔光阑5、准直镜6、 第三全反镜7、窄带滤光片8、三棱镜9、第一光电倍增管10、第二光电倍增管11、数据采 集处理系统12组成。其中第一、第二反光镜的作用将激光器的激光导向大气、并且能够方便 的调节激光的光轴与望远镜的光轴平行。望远镜4用于收集大气的后向散射信号光信号，其 口径大小体现了对散射光的接收能力大小。小孔光阑5的作用在于限制望远镜视场角， 一般 望远镜的视场角远远大于激光雷达的视场角，因此需要在望远镜的焦平面附件放置一个小孔 光阑，小孔光阑挡掉一部散射光，因此能够限制系统的视场角。准直镜6的作用在于将望远 镜接收到的后向散射光变为平行光。窄带滤光片8的作用在于滤除噪声光信号，压縮背景噪 声和弹性散射噪声引起的噪声，是拉曼激光雷达的核心部件。三棱镜9的作用在于将一部分 光送入探测器直接探测，而将另一部分光再次送入窄带滤光片进一步压縮噪声。第一、第二 光电倍增管的作用在于探测不同高度返回的拉曼散射信号，并将光信号转化为电信号。数据 采集处理系统12的主控计算机的作用在于对整个系统的工作时序进行控制，并采集两个光电 倍增管的输出信号。高空信号噪声信号相对比较弱，其信号经过一次窄带滤光片8后送入光 电探测系统进行探测。而低空噪声信号很强，使用特殊光学设计，使大气的后向散射光两次 经过同一个窄带滤光片8，总的透过率光谱相当于单次透过率光谱的平方，极大限度的压制 了光噪声。发射波长的弹性散射和背景光被压缩后，在倍增管不饱和的情况下，可以通过增 加发射激光的单脉冲能量，提高拉曼散射信号的回波强度，进而达到提高温度测量准确度和 扩大温度测量范围。
下面结合
拉曼激光雷达系统的具体实现过程。
系统开机工作，首先是对主控计算机进行设置，即通过设置延时门控的方法设定第一、 第二倍增管对应的探测范围。激光雷达工作时，主控计算机给出激光器1出光信号，激光器 l发出532nm的激光通过第一、第二反光镜全反进入大气。激光与大气相互作用产生瑞利散 射、米散射、和振动拉曼散射，其中前两种散射不改变激光的波长一般称为弹性散射，振动 拉曼散射改变波长，使激光变为607nm的光信号，弹性散射的光能量远远大于拉曼散射的光
8信号的能量。三种散射光均被望远镜4收集，进入激光雷达接收系统，位于望远镜4焦平面 上的小孔光阑5限制了接收系统的视场角，使视场角在包含激光发射光束的情况下，尽量减 小发射角，有利于减少背景光的影响。
为便于后续光学处理，由望远镜4收集的光信号首先经小孔光阑5，经过准直镜6准直， 再经第三全反镜7后送入窄带滤光片8。窄带滤光片8滤除大部分噪声光信号后，信号光在 三棱镜9第一反射面92发生1: 1的透射和反射，透射光由第一光电倍增管IO进行探测(即 高空探测通道)，通过设置光电倍增管门控的方式，即在激光器1出发脉冲发出一定时间后使 光电倍增管工作，使第一光电倍增管IO仅探测高空的拉曼散射光。在第一反射面92的反射 的光，经三棱镜9的第二反射面93发生全反射后，从窄带滤光片8的下半部再次送入窄带滤 光片8,进一步压缩弹性散射引入的噪声。不可否认，两次通过窄带滤光片8，对系统有益的 607nm的光信号也受到衰减，但其衰减程度远远小于对弹性散射的衰减。因此，两次经过窄 带滤光片8后的信号有益于提高系统总的信噪比。两次经过窄带滤光片8后的光信号由第二 光电倍增管ll进行探测，同样，通过设置光电倍增管门控的方式，使第二光电倍增管ll仅 仅探测低空的拉曼光信号。光电倍增管的门控和光电倍增管后信号的探测均由数据采集处理 12的主控计算机监控，其中光电信号的探测，使用单光子计数卡。这样，激光器l每发射一 个激光脉冲，主控计算机均得到不同高度返回的光子数廓线，由于只发一个激光脉冲，系统 收集的光子个数很少，系统必须经过多个激光脉冲的积分后(例如10000个激光脉冲)，获取 的光子个数才可以用来反演大气温度廓线，因此，激光雷达系统每经过一段时间的积分后将 不同高度对应的光子个数数据保护，并更新所得到的大气温度廓线。
权利要求
1、振动拉曼激光雷达散射光处理系统，该系统包括(1)一台脉冲激光器(1)；(2)反射脉冲激光的第一反光镜(2)和第二反光镜(3)；(3)收集大气的后向散射光信号的望远镜(4)；(4)限制接收系统视场角的小孔光阑(5)和信号光准直透镜(6)；(5)第三反光镜(7)；(6)滤除光信号噪声的窄带滤光片(8)；(7)检测光信号的光电倍增管；(8)数据采集处理系统(12)，主要(包)括主控计算机和光子计数卡，该系统与激光器1和光电倍增管相连；其特征是(9)所述光电倍增管包括第一光电倍增管(10)和第二光电倍增管(11)，两光电倍增管分别设置在窄带滤波片(8)的两侧检测光信号；(10)系统还包括一个三棱镜(9)，它设置在第一光电倍增管(10)与窄带滤光片(8)之间，将透射部分光送入第一光电倍增管(10)，反射部分光再经窄带滤光片(8)后送入第二光电倍增管(11)。
2、 根据权利要求1所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，激光器(1)采用 Nd:YAG激光器，输出波长532nm,单脉冲能量可调，最大250mJ。
3、 根据权利要求1所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，望远镜(4)为卡塞 格林望远镜，焦距2m;准直镜的口径为lcm，信号光经准直后光斑大小lcm。
4、 根据权利要求1所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，窄带滤光片(8)中 心波长为607nm，直径为2.54cm， 200-1200nm波段压制率为107。
5、 根据权利要求1所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，三棱镜(9)为等腰 直角棱镜，第一反射面(92)镀有半反膜，第二反射面(93)镀有全反膜。
6、 根据权利要求5所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，所述三棱镜(9)的 第一反射面(92)与第一光电倍增管(10)对应窄带滤波片(8)的上半部位置；三棱镜(9)的第二反 射面(93)与第二光电倍增管(11)对应窄带滤波片(8)的下半部位置。
7、 根据权利要求1所述的振动拉曼激光雷达散射光处理系统，其中，光子计数卡采样速 率为200MHz，计数阈值电压可调。
8、 振动拉曼激光雷达散射光处理方法，其特征在于它包括以下步骤(1) 主控计算机控制激光器(l)发射脉冲激光，通过两个反光镜全反射进入大气；(2) 大气的后向散射通过望远镜(4)收集，通过小孔光阑(5)限制接收系统视场角，经 准直镜(6)将信号光准直；(3) 准直后的散射光信号经过窄带滤光片(8)的上半部，滤除背景噪声和激光的弹性散射；(4) 经过一次窄带滤光片(8)的光信号进入三棱镜(9)，在第一反射面(92)上信号光的透过和反射比值为l: 1，(5) 透射光部分进入第一光电倍增管(10)进行高空探测；(6) 反射部分的光信号经过三棱镜(9)的第二反射面(92)全反射，由窄带滤光片(8)的下半 部第二次进入所述窄带滤光片(8)，并由第二光电倍增管(ll)探测；(7) 第一、第二光电倍增管探测到的信号由数据采集处理系统(12)进行采集和处理。
9、 根据权利要求8所述的振动拉曼激光雷达散射光处理方法，其中，三棱镜(9)为等腰直 角棱镜，第一反射面(92)镀有半反膜，第二反射面(93)镀有全反膜。
10、 根据权利要求8所述的振动拉曼激光雷达散射光处理方法，其中，窄带滤光片(8)中 心波长为607nm，直径为2.54cm， 200-1200nm波段压制率为107。
全文摘要
一种基于窄带滤光片和反射三棱镜的振动拉曼激光雷达散射光处理系统及其处理方法，本发明针对激光雷达信号强度动态范围大、噪声信号相对拉曼散射信号强两个问题，通过将后向散射光分成高、低空两个通道进行探测，并充分利用窄带滤光片，提高了温度测量准确度，扩大了温度测量范围。高空信号噪声信号相对比较弱，其信号经过一次窄带滤光片后送入光电探测系统进行探测，而低空噪声信号很强，使用特殊光学设计，使大气的后向散射光两次经过同一个滤光片，总的透过率光谱相当于单次透过率光谱的平方，极大限度的压制了光噪声。发射波长的弹性散射和背景光被压缩后，在倍增管不饱和的情况下，可以通过增加发射激光的单脉冲能量，提高拉曼散射信号的回波强度，进而达到提高温度测量准确度和扩大温度测量范围的目的。
文档编号G01S7/48GK101477196SQ20091002814
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者卜令兵, 曹念文 申请人:南京信息工程大学