一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及测溫激光雷达领域，尤其设及一种基于双波长单接收通道的转动拉曼 测溫激光雷达。
【背景技术】
[0002] 溫度是大气状态的重要参数。溫度数据在大气动力学、气候学和大气化学领域，在 研究全球气候变暖、中间逆溫层、地球重力波科学等问题上扮演着重要角色。另外，大气溫 度还是众多遥感手段的必要输入参数，如：拉曼激光雷达测量气溶胶后向散射系数和气溶 胶消光系数时；拉曼激光雷达测量气溶胶的偏振态和水汽混合比时；差分吸收激光雷达测 量气体的密度时；多普勒瑞利激光雷达探测大气风场时。
[0003] 激光雷达作为最有前景的遥感探测设备之一，在开展大气领域研究方面具有独特 优势，如高的空间分辨率和高的时间分辨率；探测范围可覆盖从地表边界层到中间层；可 同时探测多个大气参数等。目前，可实现日常大气溫度观测的激光雷达有=种：转动拉曼激 光雷达、瑞利积分激光雷达和共振巧光激光雷达。其中，转动拉曼激光雷达可实现地面至平 流层的溫度探测。自1972年，Cooney首次提出利用转动拉曼信号测量大气溫度W来，转动 拉曼测溫激光雷达已经成为大气溫度遥感的重要手段。
[0004] 目前，转动拉曼测溫激光雷达中分光方式大致分四种。第一，利用干设滤光片形成 多色仪提取纯转动拉曼信号；第二，利用干设滤光片提取转动拉曼信号；第=，利用双光栅 分光的办法提取转动拉曼信号；第四，利用双光栅和F-P提取转动拉曼信号。无一例外，该 四种方式都是采用单一光源，通过滤光器件分别提取两份转动拉曼信号，运两份转动拉曼 信号的强度与溫度的依赖关系相反，即接近入射光波长的转动拉曼线的强度随着溫度升高 而降低，远离入射光波长的转动拉曼线强度随着溫度升高而增强。大气溫度通过运两信号 的比值反演。 阳0化]上述的转动拉曼测溫激光雷达均采用单一光源和双接收通道的方式，该工作方式 需要两个滤光器件、两个探测器和两个采集卡，运就无法避免的引入了滤光器件带宽和滤 波器差异、探测器响应度不一致、采集卡采集性能不同所引入的系统误差。例如，环境溫度 不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器的输入电压不同将导致探测器的响应不同；激 光雷达处于振动环境下时，两个探测器的禪合效率不同；另外，光学污染和探测器老化问题 也无法避免引起探测器的差异，从而需要周期定标。并且，双接收通道导致光路调节困难、 制造成本高和系统校准复杂等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达，该激 光雷达相比于经典的单工作波长双接收通道的系统而言，结构紧凑、减低了光路调节难度、 减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工 作性能差异，提高了探测精度、系统稳定性和环境适应性。
[0007] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0008] 一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达，包括：连续种子激光器1、 连续种子激光器2、光开3、激光振荡器5、激光放大器5、光学收发装置6、滤波器7、探测器 8、采集卡9、计算机10和信号发生器11，其中各器件连接关系为：
[0009] 连续种子激光器1、连续种子激光器2的输出端分别对应的与光开关3的输入端A、输入端B连接，光开关3的输出端与激光振荡器5的输入端连接，激光振荡器5的输出端 与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与光学收发装置6的输入端连接，光 学收发装置6的输出端与滤波器7的输入端连接，滤波器7的输出端与探测器8的输入端 连接，探测器8的输出端与采集卡9的输入端连接，采集卡9的输出端与计算机10连接；
[0010] 信号发生器11分别与光开关3、激光振荡器5及采集卡9相连，用于输出使其协同 工作的=路时序控制信号。
[0011] 进一步的，连续种子激光器1与连续种子激光器2输出的激光脉冲波长分别为入。 与A1;运两个波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，A。与A1的间隔为用于溫度探测的低量 子数转动拉曼分支与高量子数转动拉曼分支的频率差；
[0012] 光开关3根据信号发生器11输入的时序控制信号，开启对应的输入端A及输入端 B;采集卡9根据信号发生器11输入的时序控制信号采用时分复用的方法交替探测采集运 两个波长产生的转动拉曼信号。
[0013] 进一步的，滤波器7和探测器8在时域上分别提取波长A。的激光脉冲与大气相 互作用产生的低量子数转动拉曼信号，和提取波长A1的激光脉冲与大气相互作用产生的 高量子数转动拉曼信号；
[0014] 由计算机10通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算大气溫度。
[0015] 由上述本发明提供的技术方案可W看出，该方案采用双波长的方式，该两个激光 波段可W是用于激光雷达的所有波段，运两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，在 工作时序上，采用时分复用的方法交替探测采集。由于高量子数的转动拉曼散射截面较低 量子数的转动拉曼散射截面小，因此，在经典的单工作波长的转动拉曼测溫激光雷达中，测 溫误差主要由于高量子数的转动拉曼信号的信噪比低引起；相反，本发明提供的双波长转 动拉曼测溫激光雷达中，可通过调节波长为A1激光能量提高高量子数的转动拉曼信号，从 而提高探测信噪比，减低测溫误差；本发明采用单接收通道的方式，仅使用了单个滤波器、 单个探测器、单个采集卡实现转动拉曼测溫，相比于双接收通道的转动拉曼激光雷达，该发 明结构紧凑、减低了光路调节难度、减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不 一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异，提高了探测精度、系统稳定性和环境适应 性。
【附图说明】
[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他 附图。
[0017] 图1为本发明实施例提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷 达不意图；
[0018] 图2为本发明实施例提供的经典的转动拉曼测溫激光雷达原理图；
[0019] 图3为本发明提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达原理 图；
[0020] 图4为本发明提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达的工 作时序图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。 阳0巧实施例
[0023] 一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达，如图1所示，其主要包括： 连续种子激光器1、连续种子激光器2、光开3、激光振荡器4、激光放大器5、光学收发装置 6、滤波器7、探测器8、采集卡9、计算机10和信号发生器11，其中各器件连接关系为：
[0024] 连续种子激光器1、连续种子激光器2的输出端分别对应的与光开关3的输入端 A、输入端B连接，光开关3的输出端与激光振荡器4的输入端连接，激光振荡器4的输出端 与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与光学收发装置6的输入端连接，光 学收发装置6的输出端与滤波器7的输入端连接，滤波器7的输出端与探测器8的输入端 连接，探测器8的输出端与采集卡9的输入端连接，采集卡9的输出端与计算机10连接；信 号发生器11分别与光开关3、激光振荡器4及采集卡9相连，用于输出使其协同工作的=路 时序控制信号。信号发生器11控制连续激光器1和连续激光器2的交替工作，控制采集卡 9的采集时序，控制激光振荡器4输出激光脉冲的重复频率。另外，图1中的实线表示为光 纤，连接中的虚线表示电信号线。
[00巧]为了便于理解，下面针对转动拉曼测溫激光雷达的原理做详细的说明。
[00%] 转动拉曼测溫激光雷达通常采用