专利名称：一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统的制作方法
技术领域：
本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，属于光学技术领域。
背景技术：
高精度获取大气温度的垂直分布廓线数据对多个行业有重要意义，对人们生活、 相关科学研究、军事活动、经济活动等有直接的影响。气象部门测量大气温度高度分布廓线 的主要手段有声雷达、无线电探空仪、火箭探空仪和卫星载红外或微波辐射计等。声雷达主 要用于探测边界层大气温度廓线，探测范围有限；卫星遥感能够进行全球范围内大气温度 廓线的测量，但他的垂直空间分辨率较低，且在对流层的探测精度较低。目前我国对大气温 度垂直分布廓线的探测一般仍用传统的无线电探空仪，即通过气球携带探测仪器进行探空 测量。其探测速度慢、高度分辨率底、且为单线非同时探测，因而这些探测数据很难满足人 们的需求。 温度等大气参数，它们的空间分布(特别是垂直方向)及其随时间变化的快速测 量，是气象学界和环境科学界急需解决的问题。 针对目前气象部门在大气温度垂直分布廓线探测上存在的问题，我们提出了用于 大气温度探测的转动拉曼激光雷达方法。该技术能获取近地面至对流层顶的大气温度垂直 分布信息，具有探测速度快、范围大、数据精度高等优点。能为气象等部门及相关研究领域 提供目前难于获得的、可靠的对流层温度垂直分布廓线数据。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有大气温度垂直分布廓线探测方面存在的局限性问
题，提出一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，该系统包括系统控制 机构、激光器、激光发射机构、大口径接收望远镜、多信道光谱仪机构、准直透镜高J信号数 据获取机构、低J信号数据获取机构和信号处理机构；其中激光发射机构包括光束扩束器、 第一发射导光镜和第二发射导光镜；大口径接收望远镜包含一个小孔光阑；多信道光谱仪 机构包括第一焦平面、第一通道透镜、第一通道衍射闪耀光栅、第二焦平面、第二通道透镜 和第二通道衍射闪耀光栅；高J信号数据获取机构包括光电探测器、放大器和模数转化器； 低J信号数据获取机构包括光电探测器、放大器和模数转化器； 系统控制机构与激光器、模数转化器和信号处理机构相连，激光器依次与光束扩 束器、第一发射导光镜、第二发射导光镜、大口径接收望远镜和多信道光谱仪机构相连，多 信道光谱仪机构分别与准直透镜、光电探测器、放大器、模数转化器和信号处理机构相连；
系统控制机构控制激光器和模数转化器的时序信号并将系统的工作参数送给信 号处理机构；激光器发射激光束，激光束依次进入光束扩束器、第一发射导光镜和第二发射 导光镜后发出射向大气的探测激光束；光束扩束器对激光束进行扩束减小激光束的发散角，并通过调准第一发射导光镜和第二发射导光镜使激光束按要求的方向射向被测大气， 被测大气对探测激光束进行散射，其后向散射回波光信号被大口径接收望远镜接收并将回 波光信号聚焦于小孔光阑，回波光信号传送到多信道光谱仪机构；多信道光谱仪机构对回 波光信号进行高光谱分辨率分光，形成高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子 数拉曼散射回波信号，并滤除通带外的干扰光信号；高J转动量子数拉曼散射回波信号和 低J转动量子数拉曼散射回波信号通过透镜准直，依次进入相应的光电探测器、放大器和 模数转化器，最后进入信号处理机构；信号处理机构对回波信号进行存储、平滑、去背景等 处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的光电探测信号进行反演，获取大气 温度的垂直分布廓线资料； 其中，回波信号通过第一焦平面的回波信号输入光孔进入第一通道透镜，并被准 直成平行光，然后传递到第一通道衍射闪耀光栅上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回 波信号再次通过第一通道透镜，并返回到第一焦平面上，不同波长的回波信号在第一焦平 面上处于不同的位置；不同波长的回波信号通过第一焦平面上的回波信号输出光孔进入第 二焦平面上，并通过回波信号输入光孔进入第二通道透镜，并被准直成平行光，然后传递到 第二通道衍射闪耀光栅上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回波信号再次通过第二通 道透镜返回到第二焦平面上，不同波长的回波信号在第二焦平面上处于不同的输出位置； 不同波长的回波信号通过第二焦平面上不同位置的两个回波信号输出光孔并借助光纤输 出； 其中探测激光束与大口径望远镜的光轴平行或同轴；小孔光阑在大口径接收望远 镜的焦距上；通过改变小孔光阑孔径的大小，改变大口径接收望远镜的接收视场；小孔光 阑的孔径为0. 08mm、0. 16mm、0. 24mm、0. 32mm、0. 40mm、0. 48mm或0. 60mm。
有益效果 本发明能够对大气对流层大气温度进行垂直分布廓线探测，精度高。
图1为转动拉曼激光雷达探测系统图； 图2为多信道光谱仪机构系统图； 图3为多信道光谱仪机构的第一焦平面示意图； 图4为多信道光谱仪机构的第二焦平面示意图； 其中l-系统控制机构、2-激光器、3-光束扩束器、4-第一发射导光镜、5-第二发 射导光镜、6-探测激光束、7-回波光信号、8-大口径接收望远镜、9-小孔光阑、10-信号传送 光纤、11-多信道光谱仪机构、12-第一焦平面、13-第一通道透镜、14-第一通道衍射闪耀光 栅、15-第二焦平面、16-第二通道透镜、17-第二通道衍射闪耀光栅、18-第一通道透镜13 的光轴、19-第二通道透镜16的光轴、20-回波信号输入光孔、21-A工波段输出光孔(A工表 示528. 8 529. 3nm) 、22- A 2波段输出光孔(A 2表示530. 1 530. 7nm) 、23- A 3波段输出 光孔(入3表示533. 5 534. 0nm) 、24-入4波段输出光孔(入4表示534. 9 535. 4nm) 、25-第 一焦平面中心点、26- A工光纤、27- A 2光纤、28- A 3光纤、29- A 4光纤、30_ A工波段输入光孔、 31- A 2波段输入光孔、32- A 3波段输入光孔、33- A 4波段输入光孔、34-第二焦平面中心点、 35- A工A 4输出光孔、36- A 2 A 3输出光孔、37- A工A 4光纤、38- A 2 A 3光纤、39_ A工A 4准直透镜、40_ A 2 A 3准直透镜、41_高J信号数据获取机构、42_低J信号数据获取机构、43_ A工入4 光电探测器、44- A工A 4放大器、45- A工A 4模数转化器、46- A 2 A 3光电探测器、47- A 2 A 3放 大器、48- A 2 A 3模数转化器、49-信号处理机构。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例 如图1所示，本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，该系统 包括系统控制机构1、激光器2、光束扩束器3、第一发射导光镜4、第二发射导光镜5、探测激 光束6、回波光信号7、大口径接收望远镜8、小孔光阑9、信号传送光纤10、多信道光谱仪机 构11、第一焦平面12、第一通道透镜13、第一通道衍射闪耀光栅14、第二焦平面15、第二通 道透镜16、第二通道衍射闪耀光栅17、第一通道透镜13的光轴18、第二通道透镜16的光轴 19、回波信号输入光孔20、、波段输出光孔(、表示528.8 529. 3nm) 21、 A 2波段输出 光孔(入2表示530. 1 530. 7nm) 22、入3波段输出光孔(入3表示533. 5 534. 0nm) 23、入4 波段输出光孔(入4表示534. 9 535. 4nm) 24、第一焦平面中心点25、 A !光纤26、 A 2光纤 27、 A 3光纤28、 A 4光纤29、 A工波段输入光孔30、 A 2波段输入光孔31、 A 3波段输入光孔 32、入4波段输入光孔33、第二焦平面中心点34、、入4输出光孔35、入2入3输出光孔36、 入i入4光纤37、 A 2 A 3光纤38、 A工A 4准直透镜39、 A 2 A 3准直透镜40、高J信号数据获取 机构41 、低J信号数据获取机构42、 A工A 4光电探测器43、 A工A 4放大器44、 A工A 4模数转 化器45、 A 2 A 3光电探测器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2 A 3模数转化器48、信号处理机构49。
系统控制机构1用于各部分的工作时序控制和系统各部分的软硬件控制；通过该 部分，系统将根据指令有序、协调地工作；激光器2为输出波长为532nm、脉冲能量为300mJ、 脉宽为5ns、光束直径为9mm、光束发散角为0. 5mrad的Nd:YAG激光器；在激光器2的输出 光路上设置有激光发射机构；激光发射机构由光束扩束器3、第一发射导光镜4和第二发射 导光镜5组成，其中光束扩束器3的扩束倍率为5倍，第一发射导光镜4和第二发射导光镜 5为532nm波段高反镜；激光束通过激光发射机构后发出射向大气的探测激光束6 ;探测激 光束6路径上的大气将对探测激光进行散射，其后向散射回波光信号7将被大口径接收望 远镜8接收；大口径接收望远镜8为牛顿型望远镜，并包含一个小孔光阑9，以限制大口径 接收望远镜8的接收视场；小孔光阑9的通光孔中心与大口径接收望远镜8的主镜焦点重 合，并且其通光孔平面与大口径接收望远镜8的光轴垂直；小孔光阑9的孔径为0. 32mm ;大 口径接收望远镜8的光轴与探测激光束6的光轴同轴，其口径为400mm，焦距为800mm，视场 取值为0. 4mrad ;信号传送光纤10为单芯石英光纤，其芯径为0. 6mm，数值孔径为0. 22 ;信 号传送光纤10的一端安装在小孔光阑9的上方，离小孔光阑0. 5mm，该端面的中心在大口径 接收望远镜8的光轴上，并且端面与大口径接收望远镜的光轴垂直；信号传送光纤10的另 一端连接到多信道光谱仪机构11上；多信道光谱仪机构11的示意图如图2所示，该机构包 含第一焦平面12、第一通道透镜13、第一通道衍射闪耀光栅14及第二焦平面15、第二通道 透镜16、第二通道衍射闪耀光栅17 ;第一通道透镜13和第二通道透镜16的焦距为200mm， 直径为95mm，第一通道透镜13与第一焦平面12和第二通道透镜16与第二焦平面15的距 离都为200mm ;第一通道衍射闪耀光栅14和第二通道衍射闪耀光栅17的外形光栅尺寸为135mm (高)X 165mm (长)X30mm(厚)，刻划面积为128mmX 154mm，光栅闪耀角(532nm，第 5级)为52. 94° ，光栅常数为6001/mm ;第一通道衍射闪耀光栅14中心点与第一焦平面12 和第二通道衍射闪耀光栅17中心点与第二焦平面15的垂直距离都为310mm ;第一通道透 镜13的光轴18与第一通道衍射闪耀光栅14刻划面的夹角为37. 06° ，并且与刻划面的短 边对称轴垂直，和通过其刻划表面的中心；第二通道透镜16的光轴19与第二通道衍射闪 耀光栅17刻划面的夹角为37.06° ，并且与刻划面的短边对称轴垂直，和通过其刻划表面 的中心；信号传送光纤10被固定在多信道光谱仪机构11的第一焦平面12的回波信号输 入光孔20上，其中回波信号输入光孔的直径为0. 6mm ;该光孔输出的光信号通过第一通道 透镜13被准直成近平行光，然后传递到第一通道衍射闪耀光栅14 ;第一通道衍射闪耀光栅 14对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通过第一通道透镜13，并且返回到第一 焦面12 ;此时不同波长的光信号在第一焦平面12上将处于不同的位置；在第一焦平面12 的528. 8 529. 3nm、530. 1 530. 7nm、533. 5 534. 0nm、534. 9 535. 4nm波段的光信号 返回位置分别开有直径为0. 6mm的A工波段输出光孔21、 A 2波段输出光孔22、 A 3波段输 出光孔23和A 4波段输出光孔24，如图3所示；其中，第一通道透镜13的光轴18与第一 焦平面垂直，其相交点是第一焦平面中心点25 ;回波信号输入光孔20的中心在第一焦平面 中心点25的下方，与第一焦平面中心点25的距离为2mm ;光孔21、22、23、24的中心在一直 线上，该直线与第一焦平面中心点25和回波输入光孔20中心的连线垂直，并与第一通道衍 射闪耀光栅14的刻划面短边的对称轴垂直；光孔21、22、23、24的中心连线在第一焦平面中 心点25的上方，与第一焦平面中心点25的距离为2mm ;光孔21和光孔22在第一焦平面中 心点和输入光孔20中心连线的左边，光孔23和24在第一焦平面中心点和输入光孔20中 心连线的右边；光孔21和22的中心到第一焦平面中心点与回波信号输入光孔20中心连 线的距离分别为2. 91mm和1. 59mm，光孔23和光孔24到第一焦平面中心点和回波信号输 入光孔20中心连线的距离分别为1. 77mm和3. 15mm ;芯径为0. 6mm、数值孔径为0. 22的单 芯石英A工光纤26、 A 2光纤27、 A 3光纤28、 A 4光纤29的一端分别被固定在光孔21、22、 23、24上，其另一端分别被固定在第二焦平面的A工波段输入光孔30、 A 2波段输入光孔31、 入3波段输入光孔32、入4波段输入光孔33上；输入光孔30、31、32、33的直径都为0. 6mm， 如图4所示；图4中第二通道透镜16的光轴19与第二焦平面垂直，其相交点是第二焦平面 中心点34 ;在第二焦平面上还开有A工A 4输出光孔35和A 2 A 3输出光孔36，其直径也为 0. 6mm，两光孔中心的连线通过第二焦平面中心点34 ;输入光孔31和32的中心连线与输入 光孔30和33的中心连线平行，其中输入光孔31、32和输出光孔35在第二焦平面中心点34 的上方，输入光孔30、33和输出光孔36在第二焦平面中心点34的下方；输入光孔31和32 的中心连线到第二焦平面中心点34的距离为2mm，输入光孔30和33的中心连线到第二焦 平面中心点34的距离为4mm，而输出光孔35和36的中心到第二焦平面中心点34的距离分 别4mm和2mm ;输出光孔35和36中心点的连线与输入光孔31和32的中心连线及输入光 孔30和33的中心连线垂直，并且输入光孔30和31在输出光孔35和光孔36中心点连线 的左侧，输入光孔32和33在输出光孔35和36中心点连线的右侧；输入光孔30、31、32、33 到输出光孔35和36中心点连线的距离分别为2.91、1.59、1.77、3. 15 ;由输入光孔30、31、 32、33输入的光信号通过第二通道透镜16被准直成近平行光，然后传递到第二通道衍射闪 耀光栅17，其中第二通道衍射闪耀光栅17的刻划面短边的对称轴与输出光孔35和36的中心连线平行；第二通道衍射闪耀光栅17对抵达的光信号进行衍射反射，衍射反射光再次通 过第二通道透镜16，并且返回到第二焦面15，其中530. 1 530. 7nm禾口 533. 5 534. 0nm波 段的光信号被聚焦到输出光孔36，而528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段的光信号 被聚焦到输出光孔35 ;芯径为0. 6mm、数值孔径为0. 22的单芯石英A工A 4光纤37和A 2入3 光纤38的一端分别被固定在输出光孔35和36上，其另一端分别被固定在A工A 4准直透镜 39和A 2 A 3准直透镜40的焦点处；其中A工A 4准直透镜39和A 2 A 3准直透镜40的通光 口径、焦距分别都为25mm和54mm ;单芯石英光纤37和38输出的光信号通过准直透镜39 和40后被准直成近平行光，然后分别进入高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取 机构42 ;其中，高J信号数据获取机构包括A工A 4光电探测器43、 A工A 4放大器44、 A工入4 模数转化器45，低J信号数据获取机构包括A 2 A 3光电探测器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2入3 模数转化器48 ;高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取机构42分别对通过准直透 镜39和40的光信号进行高灵敏度和低噪声光电转换探测、放大和模数转换处理，并将获取 的高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号传送到信号处理 机构49 ;信号处理机构49对输入的高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J转动量子数拉 曼散射回波信号进行存储、平滑、去背景等处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处 理后的数字化探测信号进行反演，输出可靠的大气温度垂直分布廓线数据。
本发明的工作原理为 系统控制机构1根据预先设置的系统各部分的工作时序数据，对系统各部分进行 工作时序控制，及系统的软硬件控制；激光器2根据系统控制机构发出的激光发射指令发 射脉冲激光束，激光脉冲的波长为532nm、能量为300mJ、脉宽为5ns、重复频率为20Hz ;该脉 冲激光束通过光束扩束器3，及第一发射导光镜4和第二发射导光镜5后向被测大气发射 探测激光束6 ;探测激光束的横截面直径和发散角分别约为45mm和0. lmrad ;探测激光束 6在大气中传输时将被路径上的大气散射，其部分后向散射光，即回波光信号7将被直径为 400mm、焦距为800mm的大口径接收望远镜8接收；大口径接收望远镜的接收视场可通过调 节其中的小孔光阑9改变，其变化值分别为0. lmrad、0. 2mrad、0. 3mrad、0. 4mrad、0. 5mrad、 0. 6mrad、0. 75mrad ;测量时要求探测激光束6的光轴与大口径接收望远镜8的光轴同轴或 平行，该同轴或平行可通过调节第一发射导光镜4和第二发射导光镜5来实现；大口径接收 望远镜8接收到的光信号通过芯径为0. 6mm、数值孔径为0. 22的单芯石英信号光传送光纤 IO，被传送到多信道光谱仪机构11的第一焦平面12上的回波信号输入光孔20 ;从输入光 孔20出射的信号光通过焦距和直径分别为200mm和95mm的第一通道透镜13被准直为平 行光后到达刻划面积为128mmX 154mm、光栅闪耀角(532nm，第5级)为52. 94° 、光栅常数 为6001/mm的第一通道衍射闪耀光栅14 ;第一通道衍射闪耀光栅14对抵达的光信号进行 衍射反射，衍射反射光再次通过第一通道透镜13，并且返回到第一焦面12，其中对应于氮 (或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线的528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段光信 号将分别被聚焦到第一焦面12上的、波段输出光孔21和、波段输出光孔24，对应于 氮(或氧)分子低J纯转动拉曼散射谱线的530. 1 530. 7nm和533. 5 534. Onm波段光 信号将分别被聚焦到第一焦面12上的A 2波段输出光孔22和A 3波段输出光孔23 ;芯径 为0. 6mm和数值孔径为0. 22的单芯石英A工光纤26、 A 2光纤27、 A 3光纤28、 A 4光纤29 分别把第一焦面12上A工波段输出光孔21、 A 2波段输出光孔22、 A 3波段输出光孔23和入4波段输出光孔24输出的光信号传递到第二焦平面15，而其它波段的干扰光则被抑制； 、光纤26、、光纤27、、光纤28、、光纤29在第二焦平面上的对应输入光孔分别为 入！波段输入光孔30、 A 2波段输入光孔31、 A 3波段输入光孔32、 A 4波段输入光孔33 ;从 入工波段输入光孔30、 A 2波段输入光孔31、 A 3波段输入光孔32、 A 4波段输入光孔33出射 的信号光通过焦距和直径分别为200mm和95mm的第二通道透镜16被准直为平行光后到达 刻划面积为128mmX 154mm、光栅闪耀角(532nm，第5级)为52. 94° 、光栅常数为6001/mm 的第二通道衍射闪耀光栅17 ;第二通道衍射闪耀光栅17对抵达的光信号进行衍射反射，衍 射反射光再次通过第一通道透镜16，并且返回到第二焦面15 ;其中，对应于氮(或氧)分子 高J纯转动拉曼散射谱线的528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段光信号将被聚焦到 第二焦面15上的、、输出光孔35，对应于氮(或氧)分子低J纯转动拉曼散射谱线的 530. 1 530. 7nm和533. 5 534. Onm波段光信号将分别被聚焦到第二焦面15上的A 2入3 输出光孔36，而其它波段的干扰光则再次被抑制；芯径为0. 6mm和数值孔径为0. 22的单芯 石英A工A 4光纤37和A 2 A 3光纤38分别把第二焦面15上A工A 4输出光孔35和A 2 A 3输 出光孔36输出的光信号传递到通光口径和焦距分别为25mm和54mm的A工A 4准直透镜39 和A 2 A 3准直透镜40的焦点处；氮(或氧)分子高J纯转动拉曼散射谱线光信号和低J纯 转动拉曼散射谱线光信号分别通过A工A 4准直透镜39和A 2 A 3准直透镜40后，被准直成 近平行光，然后分别进入高J信号数据获取机构41和低J信号数据获取机构42 ;高J信号 数据获取机构41中的A工A 4光电探测器43、 A工A 4放大器44、 A工A 4模数转化器45以及 低J信号数据获取机构42中的A 2 A 3光电探测器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2 A 3模数转化器 48根据系统控制机构发出的时序控制信号，分别对输入的氮(或氧)分子高J纯转动拉曼 散射谱线光信号和低J纯转动拉曼散射谱线光信号进行高灵敏度和低噪声光电转换探测、 放大和模数转换处理，并将获取的氮(或氧)分子高J转动量子数拉曼散射回波信号和低 J转动量子数拉曼散射回波信号传送到信号处理机构49 ;信号处理机构49对输入的高J纯 转动拉曼散射谱线光信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号进行存储、累加、平滑、去背 景等处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的数字化探测信号进行反演，输 出可靠的大气温度垂直分布廓线数据。
权利要求
一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，包括系统控制机构(1)、激光器(2)、激光发射机构、大口径接收望远镜(8)、多信道光谱仪机构(11)、λ1λ4准直透镜(39)、λ2λ3准直透镜(40)、高J信号数据获取机构(41)、低J信号数据获取机构(42)和信号处理机构(49)；其中激光发射机构包括光束扩束器(3)、第一发射导光镜(4)和第二发射导光镜(5)；大口径接收望远镜(8)包含一个小孔光阑(9)；多信道光谱仪机构(11)包括第一焦平面(12)、第一通道透镜(13)、第一通道衍射闪耀光栅(14)、第二焦平面(15)、第二通道透镜(16)和第二通道衍射闪耀光栅(17)；高J信号数据获取机构(41)包括λ1λ4光电探测器(43)、λ1λ4放大器(44)和λ1λ4模数转化器(45)；低J信号数据获取机构(42)包括λ2λ3光电探测器(46)、λ2λ3放大器(47)和λ2λ3模数转化器(48)；其特征在于系统控制机构(1)与激光器(2)、λ1λ4模数转化器(45)、λ2λ3模数转化器(48)和信号处理机构(49)相连，激光器(2)依次与光束扩束器(3)、第一发射导光镜(4)、第二发射导光镜(5)、大口径接收望远镜(8)和多信道光谱仪机构(11)相连，多信道光谱仪机构(11)分别与λ1λ4准直透镜(39)和λ2λ3准直透镜(40)相连，λ1λ4准直透镜(39)依次与λ1λ4光电探测器(43)、λ1λ4放大器(44)、λ1λ4模数转化器(45)和信号处理机构(49)相连；λ2λ3准直透镜(40)依次与λ2λ3光电探测器(46)、λ2λ3放大器(47)、λ2λ3模数转化器(48)和信号处理机构(49)相连；系统控制机构(1)控制激光器(2)发射激光束的时间，激光器(2)发射的激光束依次进入光束扩束器(3)、第一发射导光镜(4)和第二发射导光镜(5)后发出射向大气的探测激光束(6)；光束扩束器(3)对激光束进行扩束，并通过调准第一发射导光镜(4)和第二发射导光镜(5)使激光束按要求的方向射向被测大气，被测大气对探测激光束(6)进行散射，其后向散射回波光信号(7)被大口径接收望远镜(8)接收并将回波光信号(7)聚焦于小孔光阑(9)，回波光信号(7)传送到多信道光谱仪机构(11)；多信道光谱仪机构(11)对回波光信号(7)进行高光谱分辨率分光，形成高J转动量子数拉曼散射回波信号和低J转动量子数拉曼散射回波信号，并滤除通带外的干扰光信号；高J转动量子数拉曼散射回波信号通过λ1λ4准直透镜(39)准直成平行光，同时系统控制机构(1)控制高J信号数据获取机构(41)采集信号的时序；回波信号依次进入λ1λ4光电探测器(43)、λ1λ4放大器(44)和λ1λ4模数转化器(45)，最后进入信号处理机构(49)；低J转动量子数拉曼散射回波信号通过λ2λ3准直透镜(40)准直成平行光，同时系统控制机构(1)控制低J信号数据获取机构(42)采集信号的时序，回波信号依次进入λ2λ3光电探测器(46)、λ2λ3放大器(47)和λ2λ3模数转化器(48)，最后进入信号处理机构(49)，同时系统控制机构(1)将已经设定好的系统的工作参数送给信号处理机构(49)，然后根据系统的工作参数对λ1λ4模数转化器(45)和λ2λ3模数转化器(48)传来的回波信号进行存储、平滑、去背景处理，并根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对处理后的光电探测信号进行反演，获取大气温度的垂直分布廓线资料。
2. 根据权利要求1所述的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，其特征在于小孔光阑(9)的孔径为0. 08mm、0. 16mm、0. 24mm、0. 32mm、0. 40mm、0. 48mm或0. 60mm。
3. 根据权利要求1所述的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，其特征在于在多信道光谱仪机构(11)中，回波信号(7)通过第一焦平面(12)的回波信号输入光孔(20)进入第一通道透镜(13)，并被准直成平行光，然后传递到第一通道衍射闪耀光栅(14)上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回波信号再次通过第一通道透镜(13)，并返回到第 一焦平面(12)上，不同波长的回波信号在第一焦平面(12)上处于不同的位置；不同波长的 回波信号通过第一焦平面上的回波信号输出光孔进入第二焦平面(15)上，并通过回波信 号输入光孔进入第二通道透镜(16)，并被准直成平行光，然后传递到第二通道衍射闪耀光 栅(17)上，使回波信号发生衍射反射，衍射反射回波信号再次通过第二通道透镜(16)返回 到第二焦平面(15)上，不同波长的回波信号在第二焦平面(15)上处于不同的输出位置；不 同波长的回波信号通过第二焦平面上不同位置的两个回波信号输出光孔并借助光纤输出。
4.根据权利要求1所述的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，其特征在 于探测激光束(6)与大口径望远镜(8)的光轴平行或同轴；小孔光阑(9)在大口径接收望 远镜(8)的焦距上。
全文摘要
本发明的一种使用转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统，属于光学技术领域。该系统包括系统控制机构、激光器、激光发射机构、大口径接收望远镜、多信道光谱仪机构、准直透镜高J信号数据获取机构、低J信号数据获取机构和信号处理机构；激光束依次进入光束扩束器、第一发射导光镜和第二发射导光镜后形成探测激光束，其后向散射回波光信号被大口径接收望远镜接收并聚焦于小孔光阑，回波光信号被送到多信道光谱仪机构并分光并滤除干扰信号；然后进入光电探测器、放大器、模数转化器、信号处理机构；根据纯转动拉曼散射激光雷达方程对光电探测信号进行反演，获取大气温度的垂直分布廓线资料。本发明能够对大气对流层大气温度进行垂直分布廓线探测，精度高。
文档编号G01S7/481GK101718871SQ20091023742
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者倪国强, 孔卫国, 张寅超, 王玉诏, 苏嘉, 邱宗甲, 陈思颖 申请人:北京理工大学