[发明专利]基于波分复用技术分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明属于气象与环境观测技术领域，涉及一种对气象与大气环境进行观测的激光雷达系统，特别涉及一种利用波分复用(WDM)技术的解复用器(Demultiplexer)进行分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统。

背景技术

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光雷达(Lidar：Lightdetection and ranging)系统主要由激光发射系统，接收系统，分光系统与光电探测部件以及计算机系统等组成。基本原理为：由激光器发出的脉冲激光束射向大气，经与大气中的物质作用后产生的散射信号被接收系统收集下来，并经光学分光系统的分光处理后，由光电探测部件转换为电信号，送入计算机进行数据处理。

激光遥感的基础是光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的各种物理过程。米散射(Mie scattering)是一种散射谱的中心波长与入射激光波长相同，散射谱的谱宽近似于入射激光谱宽的弹性散射，它是由粒径相当或大于激光波长的气溶胶粒子引起的散射。瑞利散射(Rayleigh scattering)也是一种中心波长与入射激光波长相同，谱宽依存大气温度变化的弹性散射，它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象。拉曼散射(Raman scattering)可分为转动拉曼和振动拉曼散射，是一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，散射谱分布于入射激光谱线的两侧，其散射截面是各种散射机理中较小的一种，很适合用来探测大气温度和大气成分。

气象观测主要是进行大气温度的测量，大气环境观测主要进行如气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度参数的测量。通常，气象观测激光雷达与大气环境观测激光雷达都是使用各自独立的系统，因为大气环境激光雷达使用的是大气回波信号中的米—瑞利散射信号，这与气象观测激光雷达中所利用的散射信号不同。为了使同一个激光雷达系统既能观测气象参数，又能观测大气环境，就必须有效分离大气回波信号中的各个散射信号光谱成分，并检测出来，还要有效利用其相互关系进行分析求解。

但是，由于拉曼散射的截面相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起的瑞利散射要小3-4个数量级，这就需要对米和瑞利散射信号具有7个数量级以上的抑制，并且从强烈的米、瑞利散射信号中提取出微弱的拉曼谱线，还需要激光雷达的分光系统有带外抑制能力和很高的光谱分辨能力。另外，白天探测时，还需要考虑对太阳背景光进行有效地滤除。目前，转动拉曼激光雷达提取转动拉曼散射光谱的分光方案中普遍采用干涉滤波片、单光栅单色仪结合原子共振吸收滤光片，或者双光栅单色仪的分光方法。

近年来，随着光纤通信技术地飞速发展，光纤通信中普遍采用WDM技术已经非常成熟。WDM技术所采用的方案是在同一根光纤中使用相同的速率来传输多个波长的光信号。WDM系统的核心光学器件是复用/解复用器(Multiplexer/Demultiplexer)其功能是采用光学方法将密集间隔的各波长(信道)分开，或实现光波长(信道)的上下话路，后者通常称为光上下话路复用器(Optical Add/Drop Multilexer)。即它们分别是组合(耦合)和分开(分离)不同波长的光信号的装置，Multiplexer组合几个波长的信道到一根光纤上，Demultiplexer正好与此相反，实际中，往往一个WDM装置既做Demultiplexer又做Multiplexer。由于WDM技术具有优良的波长选择性，光谱分辨率高，光谱响应函数旁瓣小，半峰值宽度小，同时具有多端口，体积小、插入损耗低、结构简单紧凑、性能稳定以及易于实现全光纤连接的特点。

因此，本发明借鉴光纤通信的WDM技术的解复用器及其严格的波长选择特性、高的光谱分辨能力以及带外抑制能力，提出一种基于WDM技术的解复用器分光技术的进行气象观测和大气环境观测的全光纤拉曼激光雷达。

发明内容

本发明的目的是提出一种全光纤拉曼散射激光雷达系统，利用WDM的解复用器进行分光，一套激光雷达系统同时进行气象与大气环境观测，最终实现大气温度气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度等大气环境参数的测量。

本发明所采用的技术方案是，基于WDM技术的解复器分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统与光电探测部件以及计算机系统，该系统包括