一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及激光雷达装置领域，尤其是一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统。包括第一凸透镜，在第一凸透镜后设有光处理电路；所述光处理电路包括依次连接的光滤波器、分光聚光装置及光电探测器件；其特征在于，所述光滤波器由对称设置的第一光滤波部及第二光滤波部组成，其中第一光滤波部与第二光滤波部分别用于将指定波长的激光透过；所述分光聚光装置分别将自第一光滤波部、第二光滤波部射出的激光分为第一路激光、第二路激光后由第一光电探测器件、第二光电探测器件接收；本发明通过巧妙的设置光滤波器的结构，使一个光滤波器分为两个部分，同时过滤不同波长的光线，从而使得系统不采用分光装置，简化了系统光路，减小了系统体积。
【专利说明】
一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统
技术领域
[0001] 本发明涉及激光雷达装置领域，尤其是一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统。
【背景技术】
[0002] 激光雷达(Lidar:Light detection and ranging)作为一种主动遥感探测工具， 已经广泛应用于气象参数探测、环境监测等领域。作为一种高新技术，激光雷达技术实用性 及应用前景越来越受到广泛的关注。目前，激光雷达探测大气温度的主要方式有：（1)瑞利 散射测温激光雷达、（2)振动拉曼测温激光雷达、（3)差分吸收测温雷达、（4)瑞利散射光谱 法测温激光雷达、（5)拉曼光谱原理的拉曼测温激光雷达等。其中，利用拉曼光谱探测温度 的原理主要是由于大气分子(N 2和02)的产生的高、低量子数拉曼光谱的谱线信号强度与大 气温度之间存在着依赖性。自从C 〇〇neyl972年提出利用这种原理探测大气温度的原理以 来，国内外在利用拉曼激光雷达对底层大气的温度进行探测方面取得了明显的进步，并开 始逐步走向实用。
[0003] 但是，由于拉曼散射的截面积相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起的瑞利 散射截面积要小3-4个数量级，因此，高精度大气温度的探测一方面需要大的激光能量和望 远镜接收系统，另一方面需要对强烈的米一瑞利散射信号进行ΚΓ 7个数量级以上的抑制，从 而提取出微弱的拉曼谱线，这就要求拉曼测温激光雷达的分光系统具有极高的带外抑制能 力和很高的光谱分辨能力。因此，设计具有高精度，高可靠性的分光系统一直是拉曼测温激 光雷达技术的核心问题。目前，拉曼激光雷达在分光系统依然不能很好的实现一方面提取 出微弱的拉曼谱线，一方面对强烈的米一瑞利散射信号进行10- 7个数量级以上的抑制的要 求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可以一方面提取出微弱的拉曼谱线，一方面对强烈的 米一瑞利散射信号进行ΠΓ7个数量级以上的抑制的拉曼测温激光雷达的分光系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种新型拉曼测温激光雷达的分光系统，包括第一凸透镜，在第一凸透镜后设有 光处理电路；
[0007] 所述光处理电路包括依次连接的光滤波器、分光聚光装置及光电探测器件；
[0008] 其特征在于，所述光滤波器由对称设置的第一光滤波部及第二光滤波部组成，其 中第一光滤波部与第二光滤波部分别用于将指定波长的激光透过；
[0009] 所述分光聚光装置分别将自第一光滤波部、第二光滤波部射出的激光分为第一路 激光、第二路激光后，分别将所述第一路激光聚焦至第一光电探测器件，将所述第二路激光 聚焦至第二光电探测器件。
[0010]进一步的，所述分光聚光装置由对称设置的第一半聚光镜及第二半聚光镜组成， 所述第一半聚光镜及第二半聚光镜背离倾斜设置，从而使得透过第一半聚光镜的第一路激 光和透过第二半聚光镜的第二路激光互相远离。
[0011] 进一步的，所述分光聚光装置包括分光装置、第一聚光镜及第二聚光镜；
[0012] 所述分光装置将第一路激光及第二路激光互相远离反射，经分光装置远离反射后 的第一路激光及第二路激光分别经第一聚光镜、第二聚光镜聚焦后发射至第一光电探测器 件、第二光电探测器件。
[0013] 进一步的，所述分光聚光装置还包括第三反射镜、第四反射镜；所述第三反射镜、 第四反射镜对称设置，用于分别将第一路激光、第二路激光反射为平行射出，第一路激光、 第二路激光平行射出的好处是可以减小分光系统的整体体积。
[0014] 进一步的，所述光滤波器的第一光滤波部与第二光滤波部之间还设置有挡光部。
[0015] 进一步的，所述光滤波器为两个以上，两个以上的光滤波器平行设置。
[0016] -些实施例中，所述第一光滤波部允许通过的激光中心波长λ: = 530.6nm，对应以 量子数6为中心的低量子数拉曼散射信号；
[0017] 所述第二光滤波部允许通过的激光中心波*λ2 = 528.8ηπι，对应以量子数14为中 心的高量子数拉曼散射信号。
[0018] 优选的，所述第一光电探测器件、第二光电探测器件为光电倍增管。
[0019] 优选的，所述光滤波器为光子晶体或薄膜光学滤波器。
[0020] 进一步的，所述光滤波器对指定波长激光具有99.998-99.999%的透射率，同时所 述光滤波器对米-瑞利散射波长532.25nm具有10- 7数量级的透射率。
[0021] 本发明的有益效果是:本发明提供一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统，其通 过巧妙的设置光滤波器的结构，使一个光滤波器分为两个部分，同时过滤不同波长的光线， 从而使得系统不采用分光装置，简化了系统光路，减小了系统体积。
[0022] 另外本发明还可以一方面提取出微弱的拉曼谱线，一方面对强烈的米一瑞利散射 信号进行ΚΓ7个数量级以上的抑制的拉曼测温激光雷达的分光系统，该分光系统结构紧凑、 简单易行、性能稳定，成本较低，为拉曼激光雷达探测大气温度提供了一种重要的解决方 案，具有重要的科学研究和实际应用价值。
[0023] 在一些具体实施例中，本发明借鉴光子晶体滤波器所具有的优良的波长选择性、 高的光谱分辨率以及较强的带外抑制能力等特点，提出一种基于光子晶体分光系统，将其 用于拉曼测温激光雷达系统中，其能够对大气温度进行高精度探测。
【附图说明】
[0024]图1是典型的拉曼测温激光雷达系统原理图。
[0025]图2是本发明提供的拉曼测温激光雷达分光系统原理图的具体实施例。
[0026]图3是本发明提供的拉曼测温激光雷达分光系统原理图的另一具体实施例。
[0027]附图标记：1-分光系统；10-光纤；11-第一凸透镜；12-光滤波器；121-第一光滤波 部；122-第二光滤波部；123-挡光部；131-第一半聚光镜；132-第二半聚光镜；141-第一光电 探测器件；142-第二光电探测器件；151-第一分光部；152-第二分光部；161-第三反射镜； 162-第四反射镜；171 -第一聚光镜；172-第二聚光镜;2-第四凸透镜;3-第七反射镜;4-第六 反射镜;5-第五反射镜;6-准直扩束系统;7-脉冲激光器。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明 的范围。
[0029]图1是典型的拉曼测温激光雷达系统原理图，我们可以看到，拉曼测温激光雷达系 统中的脉冲激光器7发出某一固定波长的脉冲激光，经准直扩束系统6、第五反射镜5、第六 反射镜4、第七反射镜3转向后垂直射向大气，激光与大气中的分子和粒子相互作用而产生 的后向散射回波信号由望远镜系统接收后，经过第四凸透镜2后耦合入一光纤10后进入分 光系统1，分光系统1对光纤10传入的光线通过分光处理，提取出低、高量子数拉曼散射谱线 后送入数据采集与处理系统0进行分析处理。本发明即是提供了一种用于拉曼测温激光雷 达系统的分光系统1，【具体实施方式】如下。
[0030] 实施例1:如图2所示，本实施例提供一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统1，所 述分光系统1将回波信号中的用于温度探测的高、低量子数拉曼谱线与米一瑞利散射谱线 等进行分离，所述分光系统1还用于在温度探测通道中最大程度上抑制米一瑞利散射信号 以及太阳背景光的干扰。
[0031] 其包括第一凸透镜11，在第一凸透镜11后设有光处理电路；
[0032] 所述光处理电路包括依次连接的光滤波器12、分光聚光装置及光电探测器件；
[0033] 所述光滤波器12由对称设置的第一光滤波部121及第二光滤波部122组成，其中第 一光滤波部121与第二光滤波部122分别用于将指定波长的激光透过；
[0034] 所述分光聚光装置由对称设置的第一半聚光镜131及第二半聚光镜132组成，其中 第一半聚光镜131用于将第一光滤波部121透射的激光聚焦至第一光电探测器件141;第二 半聚光镜132用于将第二光滤波部122透射的激光聚焦至第二光电探测器件142;实际应用 中，第一半聚光镜141及第二半聚光镜142均可采用半圆凸透镜实现，为了避免第一半聚光 镜141及第二半聚光镜142聚焦的光互相干扰，如图2所示，将第一半聚光镜141及第二半聚 光镜142分别倾斜设置，从而使得两者聚焦后的光线远离。
[0035]为了防止第一光滤波部121与第二光滤波部122过滤的光线互相干扰，所述光滤波 器12的第一光滤波部121与第二光滤波部122之间还设置有挡光部123,这样，第一光滤波部 121与第二光滤波部122靠近的位置不会有光通过，避免了不同波长的激光的互相串扰。
[0036]同时，本实施例中，所述光滤波器12为两个，两个光滤波器12平行设置，多次对光 线进行滤波，增加光线的滤波效率;通过设置两个光滤波器12，本实施例中的光滤波器12对 指定波长激光具有99.998-99.999%的透射率，同时所述光滤波器12对米-瑞利散射波长 532.25nm具有10- 7数量级的透射率。
[0037]本实施例中，所述第一光滤波部121允许通过的激光中心波长λ: = 530.6nm，对应 以量子数6为中心的低量子数拉曼散射信号；
[0038] 所述第二光滤波部122允许通过的激光中心波长λ2 = 528.8ηπι，对应以量子数14为 中心的高量子数拉曼散射信号。
[0039] 本实施例中个，所述第一光电探测器件141、第二光电探测器件142均为光电倍增 管。
[0040] 所述光滤波器12为光子晶体或薄膜光学滤波器。当光滤波器12为光子晶体时，本 实施例中，第一光滤波部121及第二光滤波部122分别为允许中心波长1: = 530.611111的激光 通过的第一光子晶体及允许中心波长λ2 = 528.8ηπι的激光通过的第二光子晶体，本实施例 中，两个光子晶体通过一挡光部123连接，第一光子晶体和第二晶体如，可以是两个大小相 同半圆或两个大小相同的长方体，当第一光子晶体及第二光子晶体为两个大小的半圆时， 其通过一挡光部123连接后形成一圆形光滤波器12,而当第一光子晶体及第二光子晶体为 长方体时，两者可以形成一长方体或正方体的光滤波器12。
[0041] 实施例2:如图3所示，本实施例提供的分光系统与实施例1不同点在于，本实施例 中，所述分光聚光装置包括分光装置、第三反射镜161、第四反射镜162、第一聚光镜171及第 二聚光镜172;
[0042]本实施例中，分光装置由与光滤波器12顺时针呈45度设置的第一反射镜151，及与 光滤波器12逆时针呈45度设置的第二反射镜152构成;第一反射镜151将经过第一光滤波部 121透射的激光垂直向上反射；同时，第二反射镜152将经过第二光滤波部122透射的激光垂 直向下反射;而第三反射镜161与第一反射镜151平行设置;第四反射镜162与第二反射镜 152平行设置，其分别将第一路激光、第二路激光反射为平行射出；平行射出的第一路激光 及第二路激光分别经第一聚光镜171、第二聚光镜172聚焦至第一光电探测器件141、第二光 电探测器件142。一些实施例中，第一反射镜151和第二反射镜152与光滤波器12的角度可根 据需要设置，如第一反射镜151与光滤波器12的顺时针夹角大于45度至小于80度之间，同时 第二反射镜152与光滤波器12逆时针夹角设置为同样角度，或稍有不同时，均可起到将两路 激光原理反射的目的。
[0043] 具体的，以光子晶体滤波器为例，以上两个实施例提供的分光系统1按照以下步骤 实施：
[0044] 步骤1:拉曼测温激光雷达发射的激光束与大气中的分子和粒子相互作用，产生的 后向散射回波信号由拉曼测温激光雷达接收后，被耦合进一光纤10内，并通过该光纤10传 输至第一凸透镜11处，经第一凸透镜11准直射向光滤波器12,光滤波器12中的第一光滤波 部121及第二光滤波部122将回波光信号分为两路:其中第一路光信号射向第一半聚光镜 131;第二路光信号射向第二半聚光镜132。
[0045] 步骤2:经第一半聚光镜131聚光后的第一路光信号由第一光电探测器件141进行 接收，这样便实现对米-瑞利散射波长532.25nm进行10- 7数量级的抑制，同时分离出中心波 长为530.6nm的低量子数转动散射拉曼光谱信号；
[0046] 同时，经第二半聚光镜132聚光后的第二路光信号由第二光电探测器件142进行接 收，这样便实现对米-瑞利散射波长532.25nm进行10- 7数量级的抑制，同时分离出中心波长 为528.8nm的高量子数拉曼散射光谱信号，此为通道二。
[0047] 至此，分光系统1在对米一瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的低、高量子数拉曼散射谱线高精度提取。
[0048] 具体应用时，经过分光系统1中的光电探测器件(本实施例中，包括第一光电探测 器件141和第二光电探测器件142)接收的光信号会被送入数据采集与处理系统进一步处 理，具体过程为：
[0049]数据采集与处理系统将接收到的两个拉曼通道的回波信号进行预处理后，并求取 这两个通道的拉曼回波信号强度的比值，然后利用同步探测的无线电探空数据对系统进行 拟合标定，求出系统参数，此后便可以根据系统参数反演求得大气的温度廓线。
[0050]根据激光雷达方程，望远镜接收到的拉曼散射光谱信号的光子数为：
[0052]式中，J为拉曼谱的量子数，I是距离z处的量子数为J的激光回波信号光子数;Eo是 激光发射能量;G是标定系统常数，包括发射、接收系统的光学损失、接收系统的有效接收面 积等;h为普朗克常数;v为光子频率;α(ζ)是距离z处大气分子、气溶胶粒子产生的消光系 数;0RRSJ是Ν2和〇2产生的拉曼后向散射系数。
[0053]如果已知分光系统1中与高低量子数对应的两种光滤波器的透射率函数61~)(1 =1，2)、归一化的拉曼散射光谱hr( V，Τ)，则这两个拉曼通道的透过函数为：
[0054] fir(v,T)=/hr(v'-v,T)Gi(v')dv' 1 = 1,2 (2)
[0055] 因此，通过两种光滤波器并被探测到的拉曼信号的光子数为：
[0056] Ii(v,T) = fir . I i = l,2 (3)
[0057]通过分析两个拉曼通道接收到的大气中N2和〇2的Anti-Stokes支上拉曼散射信号 的比值，便可以反演出大气温度分布。设两个通道接收到的拉曼散射的光子数?Κν,Τ)、^ (ν，Τ)的比率为
[0059]式中，ζ为探测高度，0、P、Q为系统参数。通常可以利用无线电探空数据对上式进行 拟合标定，得到常数〇、P、Q后，利用下式便可以计算高度z处的大气温度T(z):
【主权项】
1. 一种新型拉曼测温激光雷达的分光系统，包括第一凸透镜，在第一凸透镜后设有光 处理电路； 所述光处理电路包括依次连接的光滤波器、分光聚光装置及光电探测器件； 其特征在于，所述光滤波器由对称设置的第一光滤波部及第二光滤波部组成，其中第 一光滤波部与第二光滤波部分别用于将指定波长的激光透过； 所述分光聚光装置分别将自第一光滤波部、第二光滤波部射出的激光分为第一路激 光、第二路激光后，分别将所述第一路激光聚焦至第一光电探测器件，将所述第二路激光聚 焦至第二光电探测器件。2. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述分光聚光装置由对称设置的第一半 聚光镜及第二半聚光镜组成，所述第一半聚光镜及第二半聚光镜背离倾斜设置，从而使得 透过第一半聚光镜的第一路激光和透过第二半聚光镜的第二路激光互相远离。3. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述分光聚光装置包括分光装置、第一 聚光镜及第二聚光镜； 所述分光装置将第一路激光及第二路激光互相远离反射，经分光装置远离反射后的第 一路激光及第二路激光分别经第一聚光镜、第二聚光镜聚焦后发射至第一光电探测器件、 第二光电探测器件。4. 如权利要求3所述的分光系统，其特征在于，所述分光聚光装置还包括第三反射镜、 第四反射镜;所述第三反射镜、第四反射镜对称设置，用于分别将第一路激光、第二路激光 反射为平行射出。5. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述光滤波器的第一光滤波部与第二光 滤波部之间还设置有挡光部。6. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述光滤波器为两个以上，两个以上的 光滤波器平行设置。7. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述第一光滤波部允许通过的激光中心 波长七=530.6nm，对应以量子数6为中心的低量子数拉曼散射信号； 所述第二光滤波部允许通过的激光中心波长=528.8nm，对应以量子数14为中心的 高量子数拉曼散射信号。8. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述第一光电探测器件、第二光电探测 器件为光电倍增管。9. 如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述光滤波器为光子晶体或薄膜光学滤 波器。
【文档编号】G02B27/10GK106093915SQ201610635642
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月1日 公开号201610635642.8, CN 106093915 A, CN 106093915A, CN 201610635642, CN-A-106093915, CN106093915 A, CN106093915A, CN201610635642, CN201610635642.8
【发明人】毛建东, 张白
【申请人】北方民族大学