[发明专利]基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法

说明书

本发明公开了一种基于频率下转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法，本发明技术方案采用短波激光，从而提高瑞利散射和转动拉曼散射的后向散射系数，在激光雷达接收端，采用频率下转换技术，将探测光的波长转换到光通讯波段，再利用光通讯波段的滤波器和探测器处理和探测温度相关的大气回波信号，进而反演大气温度信息。这一方面克服了近红外激光瑞利和转动拉曼后向散射信号弱的难点，另外一方面，解决了在短波长上，空间光滤波器的带宽大，价格昂贵和稳定性差的问题。

技术领域

本发明涉及测温激光雷达技术领域，更具体的说，涉及一种基于频率下 转换的大气测温激光雷达以及大气测温方法。

背景技术

温度是大气状态的重要参数，在大气动力学、气候学和大气化学领域， 在研究全球气候变暖、中间逆温层、地球重力波等科学问题上具有重要的意 义。现有的大气测温激光雷达包括转动拉曼激光雷达、瑞利积分激光雷达和 共振荧光激光雷达，这三种雷达的联合观测可覆盖地面至热层底。其中，转 动拉曼激光雷达可覆盖从地面至平流层顶，瑞利积分激光雷达可覆盖从平流 层底至中气层顶，共振荧光激光雷达可覆盖从中气层顶至热层底。

转动拉曼激光雷达利用转动拉曼信号进行大气温度探测，瑞利激光雷达 利用分子瑞利信号进行大气温度探测，共振荧光激光雷达采用激光激发金属 离子产生的共振荧光信号进行大气温度探测。其中，转动拉曼信号和瑞利散 射信号与波长的负四次方成正比，因此这两类雷达一般采用短波长激光作为 光源，如紫外355nm或者绿色532nm的激光。当激光雷达采用1550纳米的激光 时，其转动拉曼和瑞利散射的强度是532nm的1.4％，是355nm的0.27％。因此， 1.5微米激光无法进行转动拉曼和瑞利信号的有效探测。

然而，在短波长区域，空间光滤波器的带宽受限，并且价格昂贵，稳定 性差。例如，当采用窄带的空间光法布里-帕罗干涉仪时，由于入射波长短， 对干涉仪表面的面型精度要求高，并且空间光路容易受到周围温度、压强和 湿度变化的影响，稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种基于频率下转换的大气测温激光 雷达以及大气测温方法，可以通过短波激光脉冲进行大气温度测量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于频率下转换的大气测温激光雷达，所述大气测温激光雷达包括：

激光模块，所述激光模块用于产生短波长的激光脉冲；

激光发射模块，所述激光发射模块用于将所述激光脉冲发射到大气中；

激光接收模块，所述激光接收模块用于收集所述激光信号与大气相互作 用后形成的后向散射信号；

频率下转换模块，所述频率下转换模块用于将所述后向散射信号进行频 率下转换，形成待处理光信号；

光学接收机，所述光学接收机用于提取所述待处理光信号中的特征光信 息；

探测处理模块，所述探测处理模块用于将所述特征光信号转换为电信号， 通过对所述电信号进行采集并处理获取大气温度信息。

优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光模块出射的激光脉冲的 波长为近紫外到近红外波段。

优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光模块包括：种子激光器、 脉冲发生器以及激光放大器；所述种子激光器用于发射连续激光信号，所述 脉冲发生器用于将所述连续激光信号斩成激光脉冲，所述放大器用于对入射 激光脉冲进行放大处理，出射满足大气探测条件的激光脉冲；

或，所述激光模块为满足探测要求的脉冲激光器。

优选的，在上述大气测温激光雷达中，所述激光发射模块与所述激光接 收模块为收发分离式结构；