[发明专利]振动拉曼激光雷达散射光处理系统及其处理方法

说明书

技术领域

本发明设计了一种振动拉曼激光雷达散射光处理系统及其处理方法，通过设计光路对拉 曼激光雷达系统接收的后向散射光进行分别处理，其中高空直接对通过窄带滤光片的信号进 行探测，而低空通道使大气后向散射信号两次经过窄带滤光片，进一步压缩拉曼激光雷达系 统的中的噪声，能够提高系统信噪比。在探测大气温度廓线信息过程中，本发明解决了激光 雷达信号动态范围大和低空拉曼散射信号受弹性散射信号影响两个问题。

背景技术

大气温度廓线在多个研究领域均有重要应用。在气候学研究方面，全球气候变暖越来越被 人们重视，全球气候变暖使海平面上升，将使很多岛国面临灾难；同时使极端温度天气频频 出现，极端天气的出现对人类生活、生产带来不利影响。温度廓线的长期观测则表明，虽然 对流层底部温度在降低，对流层顶部和平流层温度却在升高，因此，对大气温度廓线的长期 监测是研究气候变化的一个重要方面。

在气象学研究方面，大气温度是大气物理、天气分析与预报中的一个重要气象参数。在 大气动力学研究中，准确的大气温度信息对大气稳定性研究和动力学研究十分重要，同时准 确的大气温度信息能够有助解释自然中的天气现象，能够提高数值天气预报的准确性。在平 流层大气研究中，温度则与臭氧吸收太阳辐射加热有很大关系，该区温度变化间接反映了臭 氧的变化，同时，高空大气温度与高空重力波和大气环流结构相关。除地球物理学方面的研 究之外，大气温度廓线还是其他一些遥感手段的输入参数，例如使用拉曼激光雷达进行散射 和消光测量等。总之，多项研究迫切需要从边界层到中间层底部的大气温度廓线信息。

由于大气温度的重要性，对大气温度的测量由来已久，除传统的大气温度测量方式外， 随着光电子技术的发展，大气温度测量激光雷达逐渐发展为一种新兴的大气温度测量仪器。 大气温度测量激光雷达具有时空分辨率高的特点，一般分为下面几类：转动拉曼激光雷达、 振动拉曼激光雷达、瑞利激光雷达、金属离子荧光激光雷达。多种技术的激光雷达互相补充， 共同构成从地面到高空110Km处温度廓线的测量体系。其中，振动拉曼散射激光雷达使用积 分技术反演大气温度，探测的波长不同于发射波长，所以接收系统中不需要高分辨光谱部分， 简化了激光雷达系统，因此，在测量精度许可的情况下可以利用振动拉曼散射代替纯转动拉 曼散射。对于瑞利激光雷达，一般的探测区域是30Km以上气溶胶影响可以忽略的区域，对 于5-30Km的区域内，高于转动拉曼激光雷达探测的极限，低于瑞利激光雷达的探测极限， 只能使用转动拉曼激光雷达进行探测。法国国家研究中心Philippe Keckhut1990报道了综合使 用振动拉曼和瑞利技术的激光雷达系统，其振动拉曼通道最低的测量高度为12Km。美国宇 航局的Keith D.Evans 1997年报道的振动拉曼激光雷达测量高度最低为5Km，可以与转动拉 曼激光雷达重合，但其测量的最大高度仅为10Km，不能达到瑞利测温的最低高度。国内， 中科院安徽光机所报道的振动拉曼激光雷达测量结果显示该系统在9-15Km范围内温度测量 的准确度较高。综合分析多家研究单位的振动拉曼激光雷达的探测结果可以看出，限制振动 拉曼激光雷达测量范围增大的主要原因有两个：其一，转动拉曼激光雷达信号本身比较弱(比 米-瑞利信号小3-4个数量级)，其二，激光雷达方程距离平方因子的存在使激光雷达信号的 动态范围变化很大，高空信号很弱。上述两个原因存在一定的矛盾性，高空拉曼散射信号弱， 要求增强发射激光以获得更多的拉曼散射，但激光能量的增强，会使米-瑞利信号同时增强， 甚至使光电倍增管饱和，无益于提高系统的信噪比。

发明内容

本发明解决的技术问题：通过分高空和低空两个通道进行探测，解决激光雷达信号的动 态范围大的问题，并对低空通道设计光路，使光信号两次通过滤波，进一步压缩背景噪声和 弹性散射噪声，提高系统的信噪比，从而提高了拉曼激光雷达温度测量的准确性和扩大温度 测量范围。

本发明的技术解决方案如下：

振动拉曼激光雷达散射光处理系统，该系统包括：

(1)一台脉冲激光器；

(2)反射脉冲激光的第一反光镜和第二反光镜；

(3)收集大气的后向散射光信号的望远镜；

(4)限制接收系统视场角的小孔光阑和信号光准直透镜；

(5)第三反光镜；

(6)滤除光信号噪声的窄带滤光片；

(7)检测光信号的光电倍增管；