[发明专利]一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统有效

专利信息
申请号: 202110265941.8 申请日: 2021-03-11
公开(公告)号: CN113093222B 公开(公告)日: 2023-08-01
发明(设计)人: 易帆;彭亮;柳付超;张云鹏;余长明;周军;易洋;何芸;殷振平 申请(专利权)人: 武汉大学
主分类号: G01S17/95 分类号: G01S17/95;G01S7/481
代理公司: 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 代理人: 许莲英
地址: 430072 湖*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 布拉格 光栅 单支谱 测温 激光雷达 系统
【说明书】:

发明公开了一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统,本发明由种子激光器、固体激光器、扩束镜、第一45supgt;0/supgt;反射镜、第二45supgt;0/supgt;反射镜、第三45supgt;0/supgt;反射镜、第四45supgt;0/supgt;反射镜、望远镜、可调光阑、准直透镜、第一温度控制系统、第一体布拉格光栅、第一反射镜、第三干涉滤光片、第三会聚透镜、第三探测器、第二温度控制系统、第二体布拉格光栅、第二反射镜、第二干涉滤光片、第二会聚透镜、第二探测器、第一干涉滤光片、第一会聚透镜、第一探测器、三通道瞬态记录仪、计算机组成。本发明具备全天时工作能力,发射光束与望远镜同轴有效减少了探测高度盲区,体布拉格光栅的高衍射效率提高了信号信噪比能有效减小大气温度和气溶胶参数测量误差。

技术领域

本发明属于激光大气遥感技术领域,具体涉及一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统。

背景技术

当激光照射在大气气溶胶或大气分子上时,会发生散射过程,散射光包括Mie散射光(由气溶胶粒子产生)、Rayleigh散射光(由大气分子产生)和Raman散射光(由大气分子产生)。弹性散射光的频率与入射激光频率无差异,Raman散射光的频率与入射激光频率不同。Raman散射谱包括振转谱和纯转动谱,振转谱的频率远离弹性谱频率,纯转动谱分为斯托克斯谱和反斯托克斯谱两种,对称分布在弹性谱两边,频率高于弹性谱的为反斯托克斯谱,频率低于弹性谱的为斯托克斯谱。在532.083nm激光照射下,大气N2和O2分子产生的斯托克斯纯转动Raman谱的频谱分布。其中N2分子相邻阶谱线间隔为~0.22nm,O2分子偶数阶谱线缺失相邻谱线间隔为~0.32nm,两者谱线在频谱上呈交替分布状。单支谱测温激光雷达能实现两支纯转动Raman谱线的提取,根据激光雷达方程可以严格地推算出大气温度T(z)和进而在不引入任何假设的情况下反演后向散射系数βa(z)(或后散比R(z))和消光系数αa(z)。

目前国内外关于纯转动Raman测温激光雷达主要为:

混合Raman谱提取激光雷达,即各Raman通道提取的纯转动Raman谱线为多支O2和N2分子纯转动谱线组成。混合谱探测装置多采用0.5nm-1nm带宽的滤波器件获取纯转动Raman谱,在反演大气温度时会引入系统误差且不具备白天测温能力。

基于法布里-玻罗干涉仪的全天时测温激光雷达,在532.23nm激光辐射下,提取N2分子反斯托克斯纯转动拉曼J=6和16单谱线信号。该雷达系统采用Fabry-Perot标准具加超窄滤光片作为滤波器件,由于Fabry-Perot标准具极小的工作角度范围(1.4mrad)使得测温激光雷达望远镜通光孔径受限(~200mm)、雷达视场小(~0.4mrad),导致回波信号能量弱、完全进视场高度高;同时,该雷达系统发射单元和接收单元采用离轴方式,雷达探测完全进视场高度难以下降,大大增加了雷达探测盲区;由于Fabry-Perot标准具为透射式滤波器件,中心波长透过率低(~50%),在采用双Raman通道同时工作时需采用5:5分光棱镜分光,这样会继续降低每组Raman通道的能量降低50%,降低系统信噪比。

在测温激光雷达方面,纯转动Raman单支谱测温激光雷达反演温度时不需要引入各种假设,理论上具备更高的精度。由于纯转动Raman单支谱线信号强度是极其微弱的,信噪比是能否实现全天时大气分子纯转动Raman单支谱线提取的关键;同时,减小雷达探测盲区是获取更完整的大气温度和气溶胶参数高度剖面的关键。

发明内容

为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:

一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统,包括:

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