[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

说明书

技术领域

本发明属于激光大气遥感技术领域，具体涉及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。

背景技术

大气温度作为基本的气象参数之一在研究大气物理现象、物理机制以及演变规律过程中扮演着重要的角色。同时，全天时的大气温度结合气溶胶的空间分布和时间演化参数，有助于研究云雾降水、大气辐射和大气化学等过程。相对于无线电探空仪等传统测温设备，激光雷达具有时空分辨率高、探测范围大、探测精度高等优点，同时还可以实现定点连续自动测量大气温度，从而保证了数据的可靠性。

由于纯转动拉曼散射谱强度包含温度和气溶胶消光等重要信息，同时纯转动拉曼测温激光雷达在探测大气温度过程中不需要假设大气静力学平衡，即使在湍流最多的对流层也可以正常观测，易于提取目标信号且对工作环境要求较低，因此该类型的测温激光雷达在大气遥感领域得到广泛应用。纯转动拉曼测温激光雷达通过接收脉冲激光束与大气分子相互作用产生的纯转动拉曼散射谱信号，再利用算法反演得到大气温度的空间分布和时间演化参数。由于受到强烈的白天背景光影响，较低的系统信噪比在很大程度上限制了纯转动拉曼测温激光雷达的探测范围和探测精度，导致无法在白天正常工作，只能选择在夜间工作。因此，为了使纯转动拉曼测温激光雷达具备全天时的观测能力，必须通过窄带宽压缩白天天空背景噪声、增强信号强度等方式来提高激光雷达的系统信噪比。

目前国内外进行全天时常规观测的纯转动拉曼测温激光雷达主要包括以下几种：

1)德国亥姆霍兹中心大学物理与气象研究所在1996年研制的纯转动拉曼测温激光雷达采用日盲技术和带宽极窄的铊原子气体滤波器来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，该激光雷达采用波长为276.787nm的窄带拉曼频移KrF准分子激光器作为探测光源，由于激光束的波长位于太阳光谱的日盲波段范围，大大减弱了白天天空背景噪声，提高了系统信噪比。光学接收系统通过工作温度为950℃的铊原子气体滤波器滤除大气粒子产生的弹性散射信号，经过离轴抛物面镜准直入射至阶梯光栅，通过阶梯光栅提取N₂分子和O₂分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼谱线，最后根据谱线信号强度反演全天时大气温度数据。在该雷达系统中，铊原子气体滤波器需在950℃工作环境下才可以良好地实现对弹性散射信号的抑制，增加了系统的运行成本并存在安全隐患；通过两个离轴抛物面镜实现光束的准直和聚焦，增加了系统的复杂度，光路调节困难，且对操作环境提出较高的要求。

2)德国霍恩海姆大学物理与气象研究所在2013年研制的RRL测温激光雷达主要通过增加紫外脉冲激光器的功率方式来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，光学接收系统通过带宽为0.7nm的干涉滤光片分别提取N₂分子和O₂分子的多支反斯托克斯纯转动拉曼低、高阶谱线从而得到大气温度信息。在该雷达系统中，干涉滤光片的带宽为0.7nm，较大的系统带宽导致提取多支反斯托克斯纯转动拉曼谱线的同时也增加了白天天空背景噪声，对高空弱信号的探测带来了困难，大大限制了该激光雷达的探测范围。

太阳光谱中紫外光(190～400nm)范围内的辐照度小于可见光(400～750nm)范围，同时，紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面远大于可见光激光辐射，例如，波长在354.82nm附近的太阳光谱辐照度是532nm的0.6倍，354.82nm紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面是532nm可见光激光辐射的5倍，因此纯转动拉曼测温激光雷达采用紫外激光作为探测光源会大幅度提高探测信噪比，非常适用于全天时大气遥感探测。但是，在频谱上，紫外激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔远小于可见光激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔，且在转动量子数J相同的情况下，对应紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线距离弹性散射信号更近，尤其在提取纯转动拉曼低阶谱线的过程中更容易受到弹性散射信号的干扰。例如，在354.82nm紫外激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.1nm，而在532nm可见光激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.22nm。由于传统的全天时纯转动拉曼测温激光雷达的系统带宽均在0.5～0.8nm波长范围内，同时目前紫外波段滤光元件的工艺水平无法对距离中心波长1nm附近的波长产生很高的信号强度抑制，因此在谱线间隔为0.1nm的情况下，很难实现窄带宽提取纯转动拉曼谱线并对附近的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。