[发明专利]一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测方法

说明书

本发明公开了一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测方法，系统包括激光发射单元、后继光学接收单元和信号采集与控制单元。激光发射单元由高重频半导体激光器和扩束镜组成。工控机控制激光器出光，激光经扩束镜扩束后经过三片反射镜反射后穿透窗口玻璃后发射到大气中，激光束与N₂分子产生的转动拉曼分离谱线的后向散射光经过大气衰减后由后继光路接收单元接收，并由信号采集与控制单元进行数据采集和存储。本发明通过双光栅光谱、宽带滤光片组合，采用线阵光电倍增管接收，实现了N₂分子谱线的全提取，有利于实现不同纯转动拉曼谱线的最优组合，实现温度廓线高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种气象光学遥测系统，具体涉及一种温度廓线高精度测量激光雷达系统。

背景技术

大气温度是表征大气能量平衡的基本参数之一，高精度探测大气温度的时空变化规律具有重要的应用价值和科研价值。传统的无线电探空仪为当前大气温度垂直分布的常用手段，然而无线电探空仪测量数据的时间分辨率差，很多站点，一天中只有早晚两次数据。微波辐射遥感是利用大气中氧的吸收带反演大气温度分布，微波波长较长，穿透能力强，几乎不受天气条件干扰，但是其反演需要当地长期探空数据进行修正，并且垂直分辨率较差。

激光雷达是一种使用光学频段的主动遥感设备，激光具有高亮度、大功率、单色性好、相干性强和准直性高等特性，激光雷达被广泛应用于大气参数、环境监测等遥感探测中。相比较传统大气温度探测方法，激光雷达探测范围可以覆盖从近地面到60km高度。纯转动拉曼技术主要用于探测对流层大气温度，根据N₂和O₂分子的纯转动拉曼散射谱线强度与大气温度的依赖关系反演大气温度。纯转动拉曼技术的优点在于可以有效抑制激光发射米散射弹性信号，避免对流层气溶胶的干扰。纯转动拉曼激光雷达系统不仅要求激光光源频率稳定，还由于弹性散射波长与拉曼散射波长相隔很近，因此对分光系统的光谱分辨能力和抑制弹性散射信号能力要求较高，要求拉曼通道对弹性散射信号的抑制比至少在7个数量级以上。

目前国内外研制的纯转动拉曼测温激光雷达典型系统主要包括：

(1)德国霍恩海姆大学以Nd:YAG二倍频激光器为光源，输出532.4nm波长激光，通过按照一定角度和顺序的干涉滤光片进行分光，干涉滤光片采用了两片带宽为0.7nm的干涉滤光片分别提取提取N₂分子和O₂分子的多支反斯托克斯纯转动低、高阶谱线，多条谱线相互混合，在增加了白天天空背景噪声的同时，也对大气温度反演带来了一定困难，需要不定时利用探空数据进行系数订正和拟合。

(2)武汉大学在申请号为201710198611.5中提出了基于紫外准单支转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，系统通过FP标准具提取出N₂和O₂单支反斯托克斯纯转动拉曼特征谱线，压缩白天天空背景噪声，实现温度廓线的全天时测量。这种技术对激光器线宽要求高，需要种子注入的Nd:YAG激光器，并且用于温度反演的高阶反斯托克的最优波长是随温度变化的，选定高阶反斯托克斯波长不利于温度的高精度反演。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，通过双光栅光谱、窄带滤光片组合，采用线阵光电倍增管接收，实现了N₂分子谱线的全提取，有利于实现不同纯转动拉曼谱线的最优组合，实现温度廓线高精度测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元包括高重频半导体激光器、扩束镜、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，高重频半导体激光器、扩束镜、第一反射镜紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；