一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法与流程

本发明属于遥感测温系统技术领域，涉及一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，本发明还涉及上述自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法。

背景技术：

大气温度是重要的大气状态参数之一，目前，由于转动拉曼激光雷达利用大气的拉曼散射信号反演大气温度，可消除大气底层气溶胶消光影响，因此特别适用于探测对流层大气温度廓线。但是，现有转动拉曼激光雷达系统都需要无线电探空仪等并行设备的实验数据进行数据校正，这不利于转动拉曼激光雷达作为独立仪器进行大气温度探测，限制了转动拉曼激光雷达的实用化进程。

而目前绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达技术，将并行仪器校正转换为室内实验调整校正，利用多路转动拉曼光谱信号，通过转动拉曼光谱包络直接反演大气温度。虽然解决了转动拉曼激光雷达需要并行仪器校正的问题，但是由于该系统采用单模光纤的光纤光栅技术，很难将探测距离延伸至对流层顶。另外，由于该系统没有高效率地滤除太阳背景噪声，不能开展白天温度廓线的遥感探测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，能够独立进行全天时的大气温度遥感探测。

本发明所采用的技术方案是，一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，包括依次连接的脉冲激光器和准直扩束器，沿准直扩束器的光路出射方向依次设置有分光镜、反射镜，分光镜反射光路方向上设置有光电检测器，

还包括有望远镜，望远镜的输出光口固定有光纤耦合器，反射镜位于望远镜的筒口处，光纤耦合器依次连接有一级光谱分光系统、二级光谱分光的相对探测系统、系统控制处理平台，一级光谱分光系统和系统控制处理平台之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统，系统控制处理平台分别与脉冲激光器、光电检测器连接。

本发明的特点还在于，

光纤耦合器通过接收光纤与一级光谱分光系统连接，一级光谱分光系统通过第一连接光纤与二级光谱分光的相对探测系统连接，一级光谱分光系统通过第二连接光纤与二级光谱分光的绝对探测系统连接；系统控制处理平台通过第一连接电缆与二级光谱分光的绝对探测系统连接；系统控制处理平台通过第二连接电缆与二级光谱分光的相对探测系统连接，系统控制处理平台通过第三连接电缆与光电检测器连接，系统控制处理平台通过第四连接电缆与脉冲激光器连接。

接收光纤、第一连接光纤及第二连接光纤均为多模光纤，且其纤芯直径为0.4mm，数值孔径为0.22mm。

一级光谱分光系统包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜、F-P光谱梳滤光器、第一会聚透镜、小孔光阑、第二准直透镜及第一衍射光栅，第一准直透镜位于一级光谱分光系统上靠近接收光纤的位置，第一连接光纤和第二连接光纤的输入端面与小孔光阑均位于第二准直透镜的焦平面上。

第一连接光纤和第二连接光纤的纤芯中心呈对称设置，小孔光阑中心与第二准直透镜焦点连线的延长线为第一连接光纤和第二连接光纤的对称线。

一级光谱分光系统包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜、F-P光谱梳滤光器、长波通二向色镜及第二会聚透镜，长波通二向色镜反射光路方向上设置有第三会聚透镜；

第一准直透镜位于一级光谱分光系统上靠近接收光纤的位置，第二会聚透镜位于一级光谱分光系统上靠近第二连接光纤的位置，第三会聚透镜位于一级光谱分光系统上靠近第一连接光纤的位置。

二级光谱分光的相对探测系统包括沿出射光路方向依次设置的第三准直透镜、第一窄带干涉滤光片、第四会聚透镜、第一光电倍增管检测系统，沿第一窄带干涉滤光片反射光路方向依次设置有第二窄带干涉滤光片、第五会聚透镜、第二光电倍增管检测系统；

第二连接电缆包括电缆a和电缆b，第一光电倍增管检测系统通过电缆a与系统控制处理平台连接，第二光电倍增管检测系统通过电缆b与系统控制处理平台连接，第三准直透镜位于二级光谱分光的相对探测系统上靠近第一连接光纤的位置。

二级光谱分光的绝对探测系统包括沿出射光路方向依次设置的第四准直透镜、第二衍射光栅，第四准直透镜远离第二衍射光栅一侧的焦平面上设置有光纤密排线阵列，且光纤密排线阵列位于二级光谱分光的绝对探测系统上靠近第二连接光纤的位置，光纤密排线阵列连接有线阵光电倍增探测系统，第一连接电缆连接在线阵光电倍增探测系统上。

本发明的另一目的在于提供一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，能够对探测的大气温度进行自校正。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，具体包括以下步骤：

步骤1、先将均匀光谱密度的宽带光源信号接入接收光纤，再在光纤密排线阵列中提取波长分别为533.34nm、534.24nm、534.70nm、535.60nm、536.51nm及536.97nm的六条谱线，并分别对上述六条谱线的拉曼通道转换效率ηi进行校正；

其中，i为拉曼通道序号，i＝1，2，3，4，5，6；

步骤2、将激光雷达回波信号接入接收光纤，根据二级光谱分光的绝对探测系统测得步骤1中六路转动拉曼信号通道的输出信号功率Pi(z，T)，并结合步骤1的通道效率ηi对接收信号进行归一化，则

P′i(z，T)＝Pi(z，T)/ηi (1)；

式(1)中，z为探测高度，T表示大气温度；

步骤3、根据步骤2得到的输出信号功率Pi(z，T)，并利用最小二乘原理，结合激光雷达方程与转动拉曼信号的散射截面积σi(Jn，T)进行匹配，直接反演最佳的温度廓线Ta(z)；

激光雷达方程为

P′i(z，T)＝K(z)·σ′i(Jn，T) (2)；

式中，K(z)为拟合P′i(z)的系统因子，Jn表示拉曼通道i对应的转动量子数，σ′i(Jn，T)为温度T时转动量子数Jn的转动拉曼信号的散射截面积；

步骤4、根据二级光谱分光的相对探测系统测得的两路同步转动拉曼信号通道的输出信号功率PL(z，T)和PH(z，T)，其中，H表示高转动量子数拉曼通道，L表示低转动量子数拉曼通道，计算得到两路转动拉曼信号之比R(T，z)，

R(T，z)＝PH(z，T)/PL(z，T) (3)；

步骤5：利用步骤3中算得的温度廓线Ta(z)，基于最小二乘原理选取不同高度处测量的温度T，结合相对探测的温度反演算法，校正相对探测的温度反演算法中的系统因子A、B和C，即完成大气温度探测激光雷达系统的自校正，相对探测的温度反演算法的公式为

R(T，z)＝exp[A·T(z)^-2+B·T(z)^-1+C] (4)；

步骤6：利用式(4)，反演对流层内的大气温度廓线T(z)，即得到大气温度廓线T(z)。

本发明的有益效果在于：

本发明自校正转动拉曼激光雷达测温系统，能够独立开展大气温度遥感探测，兼具相对探测距离远和绝对探测无需校正的优势，具备白天探测的能力，能实现自校正全天时的大气温度遥感探测。

附图说明

图1是本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的结构示意图；

图2a及图2b是本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内一级光谱分光系统的结构示意图；

图3是本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内一级光谱分光系统的另一种方式的结构示意图；

图4是本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内二级光谱分光的相对探测系统的结构示意图；

图5是本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统内二级光谱分光的绝对探测系统的结构示意图；

图6是本发明一级光谱分光系统中F-P光谱梳滤光器的光谱特性与氮气分子拉曼谱的匹配示意图。

图中，1.脉冲激光器，2.准直扩束器，3.分光镜，4.光电检测器，5.反射镜，6.发射激光束，7.大气回波光，8.望远镜，9.光纤耦合器，10.接收光纤，11.一级光谱分光系统，12.第一连接光纤，13.二级光谱分光的相对探测系统，14.第二连接光纤，15.二级光谱分光的绝对探测系统，16.第一连接电缆，17.第二连接电缆，17-1.电缆a，17-2.电缆b，18.第三连接电缆，19.第四连接电缆，20.系统控制处理平台，21.第一准直透镜，22.F-P光谱梳滤光器，23.第一会聚透镜，24.小孔光阑，25.第二准直透镜，26.第一衍射光栅，27.长波通二向色镜，28.第二会聚透镜，29.第三会聚透镜，30.第三准直透镜，31.第一窄带干涉滤光片，32.第四会聚透镜，33.第一光电倍增管检测系统，34.第二窄带干涉滤光片，35.第五会聚透镜，36.第二光电倍增管检测系统，37.第四准直透镜，38.第二衍射光栅，39.光纤密排线阵列，40.线阵光电倍增探测系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，如图1所示，包括依次连接的脉冲激光器1和准直扩束器2，沿准直扩束器2的光路出射方向依次设置有分光镜3、反射镜5，分光镜3反射光路方向上设置有光电检测器4，

还包括有望远镜8，望远镜8的输出光口固定有光纤耦合器9，反射镜5位于望远镜8的筒口处，光纤耦合器9依次连接有一级光谱分光系统11、二级光谱分光的相对探测系统13、系统控制处理平台20，一级光谱分光系统11和系统控制处理平台20之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统15，系统控制处理平台20分别与脉冲激光器1、光电检测器4连接。

光纤耦合器9通过接收光纤10与一级光谱分光系统11连接，一级光谱分光系统11通过第一连接光纤12与二级光谱分光的相对探测系统13连接，一级光谱分光系统11通过第二连接光纤14与二级光谱分光的绝对探测系统15连接；系统控制处理平台20通过第一连接电缆16与二级光谱分光的绝对探测系统15连接；系统控制处理平台20通过第二连接电缆17与二级光谱分光的相对探测系统13连接，系统控制处理平台20通过18与光电检测器4连接，系统控制处理平台20通过第四连接电缆21与脉冲激光器1连接。

接收光纤10、第一连接光纤12及第二连接光纤14均为多模光纤，且其纤芯直径为0.4mm，数值孔径为0.22mm。

一级光谱分光系统11为衍射光栅方案或二向色镜方案，衍射光栅方案如图2a及图2b所示，一级光谱分光系统11包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜21、F-P光谱梳滤光器22、第一会聚透镜23、小孔光阑24、第二准直透镜25及第一衍射光栅26，第一准直透镜21位于一级光谱分光系统11上靠近接收光纤10的位置，第一连接光纤12和第二连接光纤14的输入端面与小孔光阑24同处于第二准直透镜25的焦平面上，小孔光阑24的直径为0.4mm。第一衍射光栅26可采用一阶或二阶闪耀光栅，能将反射回的Stokes与Anti-Stokes分支的转动拉曼信号经第二准直透镜25会聚后，分别耦合进入第一连接光纤12和第二连接光纤14的纤芯中。

第一连接光纤12和第二连接光纤14的纤芯中心呈对称设置，小孔光阑24中心与第二准直透镜25焦点连线的延长线为第一连接光纤12和第二连接光纤14的对称线。

二向色镜方案如图3所示，一级光谱分光系统11包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜21、F-P光谱梳滤光器22、长波通二向色镜27及第二会聚透镜28，长波通二向色镜27反射光路方向上设置有第三会聚透镜29；长波通二向色镜27的截止波长为532.09nm，跳变沿宽度小于0.65nm。

第一准直透镜21位于一级光谱分光系统11上靠近接收光纤10的位置，第二会聚透镜28位于一级光谱分光系统11上靠近第二连接光纤14的位置，第三会聚透镜29位于一级光谱分光系统11上靠近第一连接光纤12的位置。

如图4所示，二级光谱分光的相对探测系统13包括沿出射光路方向依次设置的第三准直透镜30、第一窄带干涉滤光片31、第四会聚透镜32、第一光电倍增管检测系统33，沿第一窄带干涉滤光片31反射光路方向依次设置有第二窄带干涉滤光片34、第五会聚透镜35、第二光电倍增管检测系统36，第一窄带干涉滤光片31的中心波长为529.07nm，带宽为1.0nm；第二窄带干涉滤光片34的中心波长为530.41nm，带宽为0.5nm；第二连接电缆17包括电缆a17-1和电缆b17-2，第一光电倍增管检测系统33通过电缆a17-1与系统控制处理平台20连接，第二光电倍增管检测系统36通过电缆b17-2与系统控制处理平台20连接，第三准直透镜30位于二级光谱分光的相对探测系统13上靠近第一连接光纤12的位置。

如图5所示，二级光谱分光的绝对探测系统15包括沿出射光路方向依次设置的第四准直透镜37、第二衍射光栅38，第四准直透镜37远离第二衍射光栅38一侧的焦平面上设置有光纤密排线阵列39，且光纤密排线阵列39位于二级光谱分光的绝对探测系统15上靠近第二连接光纤14的位置，光纤密排线阵列39连接有线阵光电倍增探测系统40，第一连接电缆16连接在线阵光电倍增探测系统40上。

本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将均匀光谱密度的宽带光源信号接入接收光纤10，在光纤密排线阵列39中提取波长分别为533.34nm、534.24nm、534.70nm、535.60nm、536.51nm及536.97nm的六条谱线，并分别对上述六条谱线的拉曼通道转换效率ηi进行校正(其中，i为拉曼通道序号，i＝1，2，3，4，5，6)；

步骤2、将激光雷达回波信号接入接收光纤10，根据二级光谱分光的绝对探测系统15测得步骤1中六路转动拉曼信号通道的输出信号功率Pi(z，T)，并结合步骤1的通道效率ηi对接收信号进行归一化，则

P′i(z，T)＝Pi(z，T)/ηi (1)；

式(1)中，z为探测高度，T表示大气温度；

步骤3、根据步骤2得到的输出信号功率Pi(z，T)，并利用最小二乘原理，结合激光雷达方程与转动拉曼信号的散射截面积σi(Jn，T)进行匹配，直接反演最佳的温度廓线Ta(z)；

激光雷达方程为

P′i(z，T)＝K(z)·σ′i(Jn，T) (2)；

式中，K(z)为拟合P′i(z)的系统因子，Jn表示拉曼通道i对应的转动量子数，σ′i(Jn，T)为温度T时转动量子数Jn的转动拉曼信号的散射截面积；

步骤4、根据二级光谱分光的相对探测系统13测得的两路同步转动拉曼信号通道的输出信号功率PL(z，T)和PH(z，T)，计算得到两路转动拉曼信号之比R(T，z)，

R(T，z)＝PH(z，T)/PL(z，T) (3)；

式中，H表示高转动量子数拉曼通道，L表示低转动量子数拉曼通道；

步骤5、利用步骤3中算得的温度廓线Ta(z)，基于最小二乘原理选取不同高度处测量的温度T，结合相对探测的温度反演算法，校正相对探测的温度反演算法中的系统因子A、B和C，即完成大气温度探测激光雷达系统的自校正，相对探测的温度反演算法的公式为

R(T，z)＝exp[A·T(z)^-2+B·T(z)^-1+C] (4)；

步骤6、利用式(4)，反演对流层内的大气温度廓线T(z)，即得到大气温度廓线T(z)。

本发明一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的工作原理如下：

脉冲激光器1发射激光的波长为532.118nm，脉冲能量为500mJ，脉冲宽度为8ns，脉冲重复率为20Hz，光束直径为9mm，发散角为5mrad，脉冲激光器1发射的激光束先经过准直扩束器2扩束后，形成光束直径为45mm，发散角为1mrad的激光束，再依次经过分光镜3、反射镜5后发出射向大气的脉冲激光束6，且脉冲激光束6与望远镜8的光轴平行；经过准直扩束器2扩束后的激光束小部分能量由分光镜3反射后，射向光电检测器4，进而实现光电转换，光电检测器4实时监测激光脉冲发射时刻，并将监测到的信号返回系统控制处理平台20。

脉冲激光束6在传输过程中，将与大气物质产生相互作用，形成大气散射，其部分后向散射光被口径为400mm、焦距为1829mm的望远镜8收集；望远镜8收集的大气回波光7，即为激光雷达回波信号，将经高效耦合器11进入多模光纤12，从而传输至一级光谱分光系统11，一级光谱分光系统11输出两路光纤信号：一路经第一连接光纤12传输至二级光谱分光的相对探测系统13，实现光电转换后通过第二连接电缆17输出至系统控制处理平台20；另一路经第二连接光纤14传输至二级光谱分光的绝对探测系统15，实现光电转换后通过第一连接电缆16输出至系统控制处理平台20。

系统控制处理平台20不仅需要完成八个通道并行信号的模数转换，而且还要实现自校正探测大气温度的反演算法。

如图6所示，F-P光谱梳滤光器的透过率峰值与氮气转动拉曼谱线匹配，大气回波光7的弹性散射信号恰好位于F-P光谱梳滤光器22的最大抑制率处，F-P光谱梳滤光器22的最大抑制率大于35dB，因此F-P光谱梳滤光器22不仅能够抑制弹性散射信号，而且能够高效滤除氮气转动拉曼谱线间的天空背景噪声，可提供很好的白天探测能力。

通过以上方式，本发明自校正转动拉曼激光雷达测温系统，能够独立开展大气温度遥感探测，兼具相对探测距离远和绝对探测无需校正的优势，具备白天探测的能力，能实现自校正全天时的大气温度遥感探测。