如下比值反演
[0027]
…
[00測 化Z)表示激光雷达接收到的高量子数转动拉曼信号的光子数，化Z)表示 激光雷达接收到的低量子数转动拉曼信号的光子数，T为大气溫度，Z为激光雷达站点距探 测点的距离。其中，SuK2化Z)和Suki(T，z)具有相反的溫度依赖性，因此，大气溫度T廓形可 通过Q值反演。
[0029] 转动拉曼通道探测到的光子数Su?(T，Z)可表示为
[0030]
馈
[00川式中，S。为出射光子数，e为探测器效率，A为望远镜接收面积，0(z)为几何重叠 因子，Az为距离n，N(z)为对应空气分子的密度，Tkk(Ji)为波长对应的接收机透过率， Til为氮气和氧气的相对体积，
为转动拉曼后向微分散射截面，
'献气 往返透过率。
[0032] 假定两个通道具有相同的雷达效率，并且由于两个通道的接收波长非常接近，可 认为具有相同的大气透过率l3tm(Ze，Z)。因此，Q可化简为
[0033]
。）
[0034] 根据Q(T)与大气溫度的对应关系，当获得测量值SuKi(z)后，大气溫度通过Q(T)反 演。
[0035] 请参见图2所示，经典的转动拉曼测溫激光雷达采用单工作波长、双接收通道的 工作方式。激光器发射工作波长A。的激光到大气，激光与大气相互作用产生纯转动拉曼信 号，其中，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，该特性请参见图2中大气溫度为200K和300K时，氮气 的转动拉曼信号强度分布所示。其中氮气的溫度特性与氧气的溫度特性相同，因此图2仅 画出了氮气的转动拉曼线。经典的转动拉曼测溫激光雷达的接收端布置两个滤波器，其中 滤波器2提取高量子数的转动拉曼信号，滤波器1提取低量子数的转动拉曼信号，经过系统 校准后，大气溫度通过该两个信号的比值反演。
[0036] 然而，经典的转动拉曼测溫激光雷达由于采用双接收通道的工作方式，需配置两 个滤波器、两个探测器和两个采集卡，系统校准参数多，光路调节繁琐，系统成本高，并且无 法避免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所引入的误差。
[0037] 针对经典转动拉曼测溫激光雷达所面临的挑战，本发明实施例提出了一种基于双 波长单接收通道的转动拉曼测溫激光雷达，请参见图3所示。该激光雷达中，连续种子激光 器1与连续种子激光器2输出激光脉冲的工作波长分别为A。与A1，运两个工作波长分别 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；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。接收通道仅采用一个滤波器7与一个探测器8,滤波器7与探测 器8在时域上可W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，再由计算 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。另外，如图4所示，采集卡9 则根据信号发生器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。
[0038]另外，请参见图3所示，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，在经典的转动拉曼测溫激光雷达中，测溫误差主要来源于高量子数的转动 拉曼信号的低信噪比。针对该问题，本发明提供了双波长转动拉曼测溫激光雷达，通过调节 波长A1的激光能量使高量子数的转动拉曼信号增加，从而减低测量误差。
[0039] 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具有 如下有益效果：
[0040] 1)本发明采用双波长的方式，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。请参见图3所示，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。
[OOW。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，提高了系统稳定性和环境适应性。
[0042]W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征在于，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： 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； 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 协同工作的三路时序控制信号。2. 根据权利要求1所述一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征 在于， 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X。与A1;这 两个波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，A<：与Ai的间隔为用于温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； 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 集这两个波长产生的转动拉曼信号。3. 根据权利要求2所述一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征 在于， 滤波器（7)和探测器⑶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Ai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； 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温度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达。该激光雷达采用双波长和单接收通道的方式，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，接收通道提取其中一个工作波长的低量子数转动拉曼信号和另外一个工作波长高量子数的转动拉曼信号，该两工作波长通过时分复用的方法交替工作，大气温度则通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算。本发明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温，相比于单工作波长双接收通道的转动拉曼激光雷达，其结构紧凑、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。
【IPC分类】G01S17/95
【公开号】CN105182365
【申请号】CN201510536323
【发明人】上官明佳, 夏海云, 窦贤康, 薛向辉, 王冲, 裘家伟
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月25日