[发明专利]基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达

摘要

本发明公开了一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，由激光发射单元、光学接收单元和信号采集与控制单元组成。激光发射单元采用354.82nm紫外激光作为探测光源向大气发射脉冲激光束；脉冲激光束与大气粒子相互作用产生一系列分立的谱线散射信号；光学接收单元通过望远镜接收散射信号并采用三通道分别同时提取弹性散射信号和准单支反斯托克斯纯转动拉曼谱线信号；信号采集与控制单元实现对信号的实时采集、反演以及保障整个激光雷达系统正常有序的工作。本发明增强了系统信噪比，优化了接收光路，提高了系统稳定性，实现全天时探测大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数。

主权项

一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，其特征在于：由激光发射单元(1)、光学接收单元(2)和信号采集与控制单元(3)组成；所述激光发射单元(1)包括沿出射光路方向依次排列的Nd:YAG激光器(101)、激光扩束器(102)、第一发射导光镜(103)、第二发射导光镜(104)；Nd:YAG激光器(101)的光轴与激光扩束器(102)的光轴重合，且激光扩束器(102)的小口径光入射端靠近Nd:YAG激光器(101)出光口一侧，第一发射导光镜(103)的镜面与激光扩束器(102)的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜(103)的镜面中心，第二发射导光镜(104)的镜面与第一发射导光镜(103)的镜面相互平行，且第二发射导光镜(104)能通过电动双轴倾斜台精密控制镜面角度；所述光学接收单元(2)包括望远镜(201)、视场光阑(202)、第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)、第二能量分光镜(206)、第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)、第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry‑Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)、第二反射镜(217)、第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry‑Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)；望远镜(201)的光轴与天顶方向保持平行，视场光阑(202)端面设置在望远镜(201)的像方焦平面，且视场光阑(202)的中心轴线与望远镜(201)的光轴重合；视场光阑(202)的出射光路方向上依次设置有第一反射镜(203)、长焦准直透镜(204)、第一能量分光镜(205)，第一反射镜(203)的镜面与望远镜(201)的光轴成45°角并相交于第一反射镜(203)的镜面中心，长焦准直透镜(204)设置在第一反射镜(203)的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜(201)的像方焦平面重合，第一能量分光镜(205)与第二能量分光镜(206)的工作角度均为45°且镜面相互垂直；第二能量分光镜(206)的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)，第一会聚透镜(208)的像方会聚点与第一双透镜组(209)的物方焦点重合；第二能量分光镜(206)的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry‑Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)，第一Fabry‑Perot标准具(213)工作角度为θ1，且第一Fabry‑Perot标准具(213)放置在第一恒温箱(212)内，第二会聚透镜(214)的像方会聚点与第二双透镜组(215)的物方焦点重合；第一能量分光镜(205)的反射光路方向上依次设置有第二反射镜(217)、两片相同的第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry‑Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)，第二反射镜(217)的工作角度为45°且镜面与第一能量分光镜(205)的镜面相互平行，第二Fabry‑Perot标准具(220)的工作角度为θ2，且第二Fabry‑Perot标准具(220)放置在第二恒温箱(219)内，第三会聚透镜(221)的像方会聚点与第三双透镜组(222)的物方焦点重合；所述信号采集与控制单元(3)包括数据采集器(301)和计算机(302)，第一光电探测器(210)、第二光电探测器(216)和第三光电探测器(223)的信号输出端通过BNC信号传输线一一对应接入数据采集器(301)三个采集通道的数据输入端，数据采集器(301)的数据输出端通过一根网线连接至计算机(302)，计算机(302)通过串口线和时序控制电路与Nd:YAG激光器(101)连接；沿光轴依次排列的第一超窄带滤光片(207)、第一会聚透镜(208)、第一双透镜组(209)、第一光电探测器(210)组成弹性通道，提取并探测波长为354.82nm的弹性散射信号；沿光轴依次排列的第二超窄带滤光片(211)、第一恒温箱(212)、第一Fabry‑Perot标准具(213)、第二会聚透镜(214)、第二双透镜组(215)、第二光电探测器(216)组成低阶拉曼通道，提取并探测354.82nm紫外激光辐射时的N2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线和O2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10‑6；第三超窄带滤光片(218)、第二恒温箱(219)、第二Fabry‑Perot标准具(220)、第三会聚透镜(221)、第三双透镜组(222)、第三光电探测器(223)组成高阶拉曼通道，提取并探测354.82nm紫外激光辐射时的N2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线和O2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10‑6。