[发明专利]水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水汽Raman激光雷达紫外光栅光谱仪标定装置及方法，具体涉及激光雷达回波信号分光系统标定方法，通过对水汽Raman激光雷达紫外光栅光谱仪的调节，实现对大气中水汽含量的探测。

背景技术

水汽是水在大气中的气态形式，它在大气中的含量很小，但却是大气中最活跃的成分，因为水汽时大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分，所以它在天气过程，气候变化，地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。目前主要能够实现水汽立体观测的仪器主要有三种，气象探空，微波辐射计，水汽Raman激光雷达。

探空气球是目前最常用的方法，其中五九型转筒式电码探空仪（GZZ2型探空仪）是我国高空气象观测中使用的常规探空仪。这种探空仪发射机的频率一种为24.5MHz，另一种是400MHz。它通常由气球携带升入空中，将感应到的气象要素值转变为无线电信号，不断地向地面发送。地面上的接收设备将信号收录、处理，从而取得温、压、湿垂直分布的探测结果。这种观测方法的缺点很明显，探空气球会受到使用时间和空间的限制，是一次性的观测手段，受气象条件、航空管制、人为因素的影响比较大，无法实现对水汽连续观测自动。

微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，它主要是用天线来被动的接收天空一定频率的微波辐射，然后根据天线接收到的能量得到天空的亮度温度。将微波辐射计进行扫角观测，仰角由0°到90°之间变化，就可以观测到大气的亮度温度，通过一系列微波辐射计观测到的大气亮度温度Tb的值，将比湿随亮度分布反演出来。因此利用微波辐射计可以测得水汽随高度分布的廓线。微波辐射计在0-1.2km的距离分辨率为50m，1.2-10km的距离分辨率为50-2500m，此外微波辐射计成本比较高，观测参数单一，主要的缺点是水汽测的误差非常大，容易受到天气的影响。

水汽Raman激光雷达是是进行水汽探测的最有效工具之一，它具有很高的时间和空间分辨率，而且结构相对简单。自从20世纪六七十年代，国内外许多研究机构都在进行这方面的研究。

为了提高水汽Raman激光雷达的探测精度，必须在雷达系统构建完成之前，对水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪进行标定，确定光谱仪各光学元件的具体位置和精确角度。目前已有的标定技术基本上都是采用光学软件进行模拟确定光学元件的位置和角度,但一般与实际情况有一定的差距，进而会影响水汽廓线检测的精度。

发明内容

本发明技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置及方法，缩短了水汽Raman激光雷达光谱仪标定光路的长度，降低了标定的难度,提高了光谱仪标定的准确性。

本发明技术解决方案：水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置和方法，其特征在于包括：激光光源（1）、第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）。所述激光光源（1）发出355nm激光经第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）折返后入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口中心，入射光束与拉曼管中的H₂O或N₂相互作用，产生H₂O或N₂拉曼散射光从拉曼管（5）的出射窗口出来，经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）与水汽Raman紫外光栅光谱仪（8）的F数相匹配，最后进入光栅光谱仪（8）。

所述激光器光源（1）中心波长为355nm,工作波长稳定，波长随温度波动产生漂移小于0.05pm/℃。

所述激光器光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高；。

所述第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）对355nm光信号具有全反射性，对532nm的光信号具有全透过性，并且调整架调谐精度高，旋钮调整1°，光束指向性调整0.02mrad。

所述第一聚焦透镜（4）和第二聚焦透镜（6）焦距必须相同，构成共焦系统。