專(zhuān)利名稱(chēng)：一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高精度獲取大氣溫度的垂直分布廓線數(shù)據(jù)對(duì)多個(gè)行業(yè)有重要意義，對(duì)人們生活、 相關(guān)科學(xué)研究、軍事活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等有直接的影響。氣象部門(mén)測(cè)量大氣溫度高度分布廓線 的主要手段有聲雷達(dá)、無(wú)線電探空儀、火箭探空儀和衛(wèi)星載紅外或微波輻射計(jì)等。聲雷達(dá)主 要用于探測(cè)邊界層大氣溫度廓線，探測(cè)范圍有限；衛(wèi)星遙感能夠進(jìn)行全球范圍內(nèi)大氣溫度 廓線的測(cè)量，但他的垂直空間分辨率較低，且在對(duì)流層的探測(cè)精度較低。目前我國(guó)對(duì)大氣溫 度垂直分布廓線的探測(cè)一般仍用傳統(tǒng)的無(wú)線電探空儀，即通過(guò)氣球攜帶探測(cè)儀器進(jìn)行探空 測(cè)量。其探測(cè)速度慢、高度分辨率底、且為單線非同時(shí)探測(cè)，因而這些探測(cè)數(shù)據(jù)很難滿足人 們的需求。 溫度等大氣參數(shù)，它們的空間分布(特別是垂直方向)及其隨時(shí)間變化的快速測(cè) 量，是氣象學(xué)界和環(huán)境科學(xué)界急需解決的問(wèn)題。 針對(duì)目前氣象部門(mén)在大氣溫度垂直分布廓線探測(cè)上存在的問(wèn)題，我們提出了用于 大氣溫度探測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)方法。該技術(shù)能獲取近地面至對(duì)流層頂?shù)拇髿鉁囟却怪?分布信息，具有探測(cè)速度快、范圍大、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。能為氣象等部門(mén)及相關(guān)研究領(lǐng)域 提供目前難于獲得的、可靠的對(duì)流層溫度垂直分布廓線數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有大氣溫度垂直分布廓線探測(cè)方面存在的局限性問(wèn)
題，提出一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。 本發(fā)明的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制 機(jī)構(gòu)、激光器、激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡、多信道光譜儀機(jī)構(gòu)、準(zhǔn)直透鏡高J信號(hào)數(shù) 據(jù)獲取機(jī)構(gòu)、低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)；其中激光發(fā)射機(jī)構(gòu)包括光束擴(kuò)束器、 第一發(fā)射導(dǎo)光鏡和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡；大口徑接收望遠(yuǎn)鏡包含一個(gè)小孔光闌；多信道光譜儀 機(jī)構(gòu)包括第一焦平面、第一通道透鏡、第一通道衍射閃耀光柵、第二焦平面、第二通道透鏡 和第二通道衍射閃耀光柵；高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括光電探測(cè)器、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器； 低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括光電探測(cè)器、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器； 系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)與激光器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)相連，激光器依次與光束擴(kuò) 束器、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡和多信道光譜儀機(jī)構(gòu)相連，多 信道光譜儀機(jī)構(gòu)分別與準(zhǔn)直透鏡、光電探測(cè)器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)相連；
系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)控制激光器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器的時(shí)序信號(hào)并將系統(tǒng)的工作參數(shù)送給信 號(hào)處理機(jī)構(gòu)；激光器發(fā)射激光束，激光束依次進(jìn)入光束擴(kuò)束器、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡和第二發(fā)射 導(dǎo)光鏡后發(fā)出射向大氣的探測(cè)激光束；光束擴(kuò)束器對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束減小激光束的發(fā)散角，并通過(guò)調(diào)準(zhǔn)第一發(fā)射導(dǎo)光鏡和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡使激光束按要求的方向射向被測(cè)大氣， 被測(cè)大氣對(duì)探測(cè)激光束進(jìn)行散射，其后向散射回波光信號(hào)被大口徑接收望遠(yuǎn)鏡接收并將回 波光信號(hào)聚焦于小孔光闌，回波光信號(hào)傳送到多信道光譜儀機(jī)構(gòu)；多信道光譜儀機(jī)構(gòu)對(duì)回 波光信號(hào)進(jìn)行高光譜分辨率分光，形成高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)和低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子 數(shù)拉曼散射回波信號(hào)，并濾除通帶外的干擾光信號(hào)；高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)和 低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)通過(guò)透鏡準(zhǔn)直，依次進(jìn)入相應(yīng)的光電探測(cè)器、放大器和 模數(shù)轉(zhuǎn)化器，最后進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)構(gòu)；信號(hào)處理機(jī)構(gòu)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、平滑、去背景等 處理，并根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程對(duì)處理后的光電探測(cè)信號(hào)進(jìn)行反演，獲取大氣 溫度的垂直分布廓線資料； 其中，回波信號(hào)通過(guò)第一焦平面的回波信號(hào)輸入光孔進(jìn)入第一通道透鏡，并被準(zhǔn) 直成平行光，然后傳遞到第一通道衍射閃耀光柵上，使回波信號(hào)發(fā)生衍射反射，衍射反射回 波信號(hào)再次通過(guò)第一通道透鏡，并返回到第一焦平面上，不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)在第一焦平 面上處于不同的位置；不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)通過(guò)第一焦平面上的回波信號(hào)輸出光孔進(jìn)入第 二焦平面上，并通過(guò)回波信號(hào)輸入光孔進(jìn)入第二通道透鏡，并被準(zhǔn)直成平行光，然后傳遞到 第二通道衍射閃耀光柵上，使回波信號(hào)發(fā)生衍射反射，衍射反射回波信號(hào)再次通過(guò)第二通 道透鏡返回到第二焦平面上，不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)在第二焦平面上處于不同的輸出位置； 不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)通過(guò)第二焦平面上不同位置的兩個(gè)回波信號(hào)輸出光孔并借助光纖輸 出； 其中探測(cè)激光束與大口徑望遠(yuǎn)鏡的光軸平行或同軸；小孔光闌在大口徑接收望遠(yuǎn) 鏡的焦距上；通過(guò)改變小孔光闌孔徑的大小，改變大口徑接收望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)；小孔光 闌的孔徑為0. 08mm、0. 16mm、0. 24mm、0. 32mm、0. 40mm、0. 48mm或0. 60mm。
有益效果 本發(fā)明能夠?qū)Υ髿鈱?duì)流層大氣溫度進(jìn)行垂直分布廓線探測(cè)，精度高。


圖1為轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)圖； 圖2為多信道光譜儀機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖； 圖3為多信道光譜儀機(jī)構(gòu)的第一焦平面示意圖； 圖4為多信道光譜儀機(jī)構(gòu)的第二焦平面示意圖； 其中l(wèi)-系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)、2-激光器、3-光束擴(kuò)束器、4-第一發(fā)射導(dǎo)光鏡、5-第二發(fā) 射導(dǎo)光鏡、6-探測(cè)激光束、7-回波光信號(hào)、8-大口徑接收望遠(yuǎn)鏡、9-小孔光闌、10-信號(hào)傳送 光纖、11-多信道光譜儀機(jī)構(gòu)、12-第一焦平面、13-第一通道透鏡、14-第一通道衍射閃耀光 柵、15-第二焦平面、16-第二通道透鏡、17-第二通道衍射閃耀光柵、18-第一通道透鏡13 的光軸、19-第二通道透鏡16的光軸、20-回波信號(hào)輸入光孔、21-A工波段輸出光孔(A工表 示528. 8 529. 3nm) 、22- A 2波段輸出光孔(A 2表示530. 1 530. 7nm) 、23- A 3波段輸出 光孔(入3表示533. 5 534. 0nm) 、24-入4波段輸出光孔(入4表示534. 9 535. 4nm) 、25-第 一焦平面中心點(diǎn)、26- A工光纖、27- A 2光纖、28- A 3光纖、29- A 4光纖、30_ A工波段輸入光孔、 31- A 2波段輸入光孔、32- A 3波段輸入光孔、33- A 4波段輸入光孔、34-第二焦平面中心點(diǎn)、 35- A工A 4輸出光孔、36- A 2 A 3輸出光孔、37- A工A 4光纖、38- A 2 A 3光纖、39_ A工A 4準(zhǔn)直透鏡、40_ A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡、41_高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)、42_低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)、43_ A工入4 光電探測(cè)器、44- A工A 4放大器、45- A工A 4模數(shù)轉(zhuǎn)化器、46- A 2 A 3光電探測(cè)器、47- A 2 A 3放 大器、48- A 2 A 3模數(shù)轉(zhuǎn)化器、49-信號(hào)處理機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例 如圖1所示，本發(fā)明的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)1、激光器2、光束擴(kuò)束器3、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡4、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡5、探測(cè)激 光束6、回波光信號(hào)7、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8、小孔光闌9、信號(hào)傳送光纖10、多信道光譜儀機(jī) 構(gòu)11、第一焦平面12、第一通道透鏡13、第一通道衍射閃耀光柵14、第二焦平面15、第二通 道透鏡16、第二通道衍射閃耀光柵17、第一通道透鏡13的光軸18、第二通道透鏡16的光軸 19、回波信號(hào)輸入光孔20、、波段輸出光孔(、表示528.8 529. 3nm) 21、 A 2波段輸出 光孔(入2表示530. 1 530. 7nm) 22、入3波段輸出光孔(入3表示533. 5 534. 0nm) 23、入4 波段輸出光孔(入4表示534. 9 535. 4nm) 24、第一焦平面中心點(diǎn)25、 A !光纖26、 A 2光纖 27、 A 3光纖28、 A 4光纖29、 A工波段輸入光孔30、 A 2波段輸入光孔31、 A 3波段輸入光孔 32、入4波段輸入光孔33、第二焦平面中心點(diǎn)34、、入4輸出光孔35、入2入3輸出光孔36、 入i入4光纖37、 A 2 A 3光纖38、 A工A 4準(zhǔn)直透鏡39、 A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡40、高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取 機(jī)構(gòu)41 、低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)42、 A工A 4光電探測(cè)器43、 A工A 4放大器44、 A工A 4模數(shù)轉(zhuǎn) 化器45、 A 2 A 3光電探測(cè)器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2 A 3模數(shù)轉(zhuǎn)化器48、信號(hào)處理機(jī)構(gòu)49。
系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)1用于各部分的工作時(shí)序控制和系統(tǒng)各部分的軟硬件控制；通過(guò)該 部分，系統(tǒng)將根據(jù)指令有序、協(xié)調(diào)地工作；激光器2為輸出波長(zhǎng)為532nm、脈沖能量為300mJ、 脈寬為5ns、光束直徑為9mm、光束發(fā)散角為0. 5mrad的Nd:YAG激光器；在激光器2的輸出 光路上設(shè)置有激光發(fā)射機(jī)構(gòu)；激光發(fā)射機(jī)構(gòu)由光束擴(kuò)束器3、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡4和第二發(fā)射 導(dǎo)光鏡5組成，其中光束擴(kuò)束器3的擴(kuò)束倍率為5倍，第一發(fā)射導(dǎo)光鏡4和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡 5為532nm波段高反鏡；激光束通過(guò)激光發(fā)射機(jī)構(gòu)后發(fā)出射向大氣的探測(cè)激光束6 ;探測(cè)激 光束6路徑上的大氣將對(duì)探測(cè)激光進(jìn)行散射，其后向散射回波光信號(hào)7將被大口徑接收望 遠(yuǎn)鏡8接收；大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8為牛頓型望遠(yuǎn)鏡，并包含一個(gè)小孔光闌9，以限制大口徑 接收望遠(yuǎn)鏡8的接收視場(chǎng)；小孔光闌9的通光孔中心與大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8的主鏡焦點(diǎn)重 合，并且其通光孔平面與大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8的光軸垂直；小孔光闌9的孔徑為0. 32mm ;大 口徑接收望遠(yuǎn)鏡8的光軸與探測(cè)激光束6的光軸同軸，其口徑為400mm，焦距為800mm，視場(chǎng) 取值為0. 4mrad ;信號(hào)傳送光纖10為單芯石英光纖，其芯徑為0. 6mm，數(shù)值孔徑為0. 22 ;信 號(hào)傳送光纖10的一端安裝在小孔光闌9的上方，離小孔光闌0. 5mm，該端面的中心在大口徑 接收望遠(yuǎn)鏡8的光軸上，并且端面與大口徑接收望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直；信號(hào)傳送光纖10的另 一端連接到多信道光譜儀機(jī)構(gòu)11上；多信道光譜儀機(jī)構(gòu)11的示意圖如圖2所示，該機(jī)構(gòu)包 含第一焦平面12、第一通道透鏡13、第一通道衍射閃耀光柵14及第二焦平面15、第二通道 透鏡16、第二通道衍射閃耀光柵17 ;第一通道透鏡13和第二通道透鏡16的焦距為200mm， 直徑為95mm，第一通道透鏡13與第一焦平面12和第二通道透鏡16與第二焦平面15的距 離都為200mm ;第一通道衍射閃耀光柵14和第二通道衍射閃耀光柵17的外形光柵尺寸為135mm (高)X 165mm (長(zhǎng))X30mm(厚)，刻劃面積為128mmX 154mm，光柵閃耀角(532nm，第 5級(jí))為52. 94° ，光柵常數(shù)為6001/mm ;第一通道衍射閃耀光柵14中心點(diǎn)與第一焦平面12 和第二通道衍射閃耀光柵17中心點(diǎn)與第二焦平面15的垂直距離都為310mm ;第一通道透 鏡13的光軸18與第一通道衍射閃耀光柵14刻劃面的夾角為37. 06° ，并且與刻劃面的短 邊對(duì)稱(chēng)軸垂直，和通過(guò)其刻劃表面的中心；第二通道透鏡16的光軸19與第二通道衍射閃 耀光柵17刻劃面的夾角為37.06° ，并且與刻劃面的短邊對(duì)稱(chēng)軸垂直，和通過(guò)其刻劃表面 的中心；信號(hào)傳送光纖10被固定在多信道光譜儀機(jī)構(gòu)11的第一焦平面12的回波信號(hào)輸 入光孔20上，其中回波信號(hào)輸入光孔的直徑為0. 6mm ;該光孔輸出的光信號(hào)通過(guò)第一通道 透鏡13被準(zhǔn)直成近平行光，然后傳遞到第一通道衍射閃耀光柵14 ;第一通道衍射閃耀光柵 14對(duì)抵達(dá)的光信號(hào)進(jìn)行衍射反射，衍射反射光再次通過(guò)第一通道透鏡13，并且返回到第一 焦面12 ;此時(shí)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在第一焦平面12上將處于不同的位置；在第一焦平面12 的528. 8 529. 3nm、530. 1 530. 7nm、533. 5 534. 0nm、534. 9 535. 4nm波段的光信號(hào) 返回位置分別開(kāi)有直徑為0. 6mm的A工波段輸出光孔21、 A 2波段輸出光孔22、 A 3波段輸 出光孔23和A 4波段輸出光孔24，如圖3所示；其中，第一通道透鏡13的光軸18與第一 焦平面垂直，其相交點(diǎn)是第一焦平面中心點(diǎn)25 ;回波信號(hào)輸入光孔20的中心在第一焦平面 中心點(diǎn)25的下方，與第一焦平面中心點(diǎn)25的距離為2mm ;光孔21、22、23、24的中心在一直 線上，該直線與第一焦平面中心點(diǎn)25和回波輸入光孔20中心的連線垂直，并與第一通道衍 射閃耀光柵14的刻劃面短邊的對(duì)稱(chēng)軸垂直；光孔21、22、23、24的中心連線在第一焦平面中 心點(diǎn)25的上方，與第一焦平面中心點(diǎn)25的距離為2mm ;光孔21和光孔22在第一焦平面中 心點(diǎn)和輸入光孔20中心連線的左邊，光孔23和24在第一焦平面中心點(diǎn)和輸入光孔20中 心連線的右邊；光孔21和22的中心到第一焦平面中心點(diǎn)與回波信號(hào)輸入光孔20中心連 線的距離分別為2. 91mm和1. 59mm，光孔23和光孔24到第一焦平面中心點(diǎn)和回波信號(hào)輸 入光孔20中心連線的距離分別為1. 77mm和3. 15mm ;芯徑為0. 6mm、數(shù)值孔徑為0. 22的單 芯石英A工光纖26、 A 2光纖27、 A 3光纖28、 A 4光纖29的一端分別被固定在光孔21、22、 23、24上，其另一端分別被固定在第二焦平面的A工波段輸入光孔30、 A 2波段輸入光孔31、 入3波段輸入光孔32、入4波段輸入光孔33上；輸入光孔30、31、32、33的直徑都為0. 6mm， 如圖4所示；圖4中第二通道透鏡16的光軸19與第二焦平面垂直，其相交點(diǎn)是第二焦平面 中心點(diǎn)34 ;在第二焦平面上還開(kāi)有A工A 4輸出光孔35和A 2 A 3輸出光孔36，其直徑也為 0. 6mm，兩光孔中心的連線通過(guò)第二焦平面中心點(diǎn)34 ;輸入光孔31和32的中心連線與輸入 光孔30和33的中心連線平行，其中輸入光孔31、32和輸出光孔35在第二焦平面中心點(diǎn)34 的上方，輸入光孔30、33和輸出光孔36在第二焦平面中心點(diǎn)34的下方；輸入光孔31和32 的中心連線到第二焦平面中心點(diǎn)34的距離為2mm，輸入光孔30和33的中心連線到第二焦 平面中心點(diǎn)34的距離為4mm，而輸出光孔35和36的中心到第二焦平面中心點(diǎn)34的距離分 別4mm和2mm ;輸出光孔35和36中心點(diǎn)的連線與輸入光孔31和32的中心連線及輸入光 孔30和33的中心連線垂直，并且輸入光孔30和31在輸出光孔35和光孔36中心點(diǎn)連線 的左側(cè)，輸入光孔32和33在輸出光孔35和36中心點(diǎn)連線的右側(cè)；輸入光孔30、31、32、33 到輸出光孔35和36中心點(diǎn)連線的距離分別為2.91、1.59、1.77、3. 15 ;由輸入光孔30、31、 32、33輸入的光信號(hào)通過(guò)第二通道透鏡16被準(zhǔn)直成近平行光，然后傳遞到第二通道衍射閃 耀光柵17，其中第二通道衍射閃耀光柵17的刻劃面短邊的對(duì)稱(chēng)軸與輸出光孔35和36的中心連線平行；第二通道衍射閃耀光柵17對(duì)抵達(dá)的光信號(hào)進(jìn)行衍射反射，衍射反射光再次通 過(guò)第二通道透鏡16，并且返回到第二焦面15，其中530. 1 530. 7nm禾口 533. 5 534. 0nm波 段的光信號(hào)被聚焦到輸出光孔36，而528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段的光信號(hào) 被聚焦到輸出光孔35 ;芯徑為0. 6mm、數(shù)值孔徑為0. 22的單芯石英A工A 4光纖37和A 2入3 光纖38的一端分別被固定在輸出光孔35和36上，其另一端分別被固定在A工A 4準(zhǔn)直透鏡 39和A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡40的焦點(diǎn)處；其中A工A 4準(zhǔn)直透鏡39和A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡40的通光 口徑、焦距分別都為25mm和54mm ;單芯石英光纖37和38輸出的光信號(hào)通過(guò)準(zhǔn)直透鏡39 和40后被準(zhǔn)直成近平行光，然后分別進(jìn)入高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)41和低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取 機(jī)構(gòu)42 ;其中，高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括A工A 4光電探測(cè)器43、 A工A 4放大器44、 A工入4 模數(shù)轉(zhuǎn)化器45，低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括A 2 A 3光電探測(cè)器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2入3 模數(shù)轉(zhuǎn)化器48 ;高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)41和低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)42分別對(duì)通過(guò)準(zhǔn)直透 鏡39和40的光信號(hào)進(jìn)行高靈敏度和低噪聲光電轉(zhuǎn)換探測(cè)、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將獲取 的高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)和低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)傳送到信號(hào)處理 機(jī)構(gòu)49 ;信號(hào)處理機(jī)構(gòu)49對(duì)輸入的高J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線光信號(hào)和低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉 曼散射回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、平滑、去背景等處理，并根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程對(duì)處 理后的數(shù)字化探測(cè)信號(hào)進(jìn)行反演，輸出可靠的大氣溫度垂直分布廓線數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的工作原理為 系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)1根據(jù)預(yù)先設(shè)置的系統(tǒng)各部分的工作時(shí)序數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行 工作時(shí)序控制，及系統(tǒng)的軟硬件控制；激光器2根據(jù)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)發(fā)出的激光發(fā)射指令發(fā) 射脈沖激光束，激光脈沖的波長(zhǎng)為532nm、能量為300mJ、脈寬為5ns、重復(fù)頻率為20Hz ;該脈 沖激光束通過(guò)光束擴(kuò)束器3，及第一發(fā)射導(dǎo)光鏡4和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡5后向被測(cè)大氣發(fā)射 探測(cè)激光束6 ;探測(cè)激光束的橫截面直徑和發(fā)散角分別約為45mm和0. lmrad ;探測(cè)激光束 6在大氣中傳輸時(shí)將被路徑上的大氣散射，其部分后向散射光，即回波光信號(hào)7將被直徑為 400mm、焦距為800mm的大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8接收；大口徑接收望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)可通過(guò)調(diào) 節(jié)其中的小孔光闌9改變，其變化值分別為0. lmrad、0. 2mrad、0. 3mrad、0. 4mrad、0. 5mrad、 0. 6mrad、0. 75mrad ;測(cè)量時(shí)要求探測(cè)激光束6的光軸與大口徑接收望遠(yuǎn)鏡8的光軸同軸或 平行，該同軸或平行可通過(guò)調(diào)節(jié)第一發(fā)射導(dǎo)光鏡4和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡5來(lái)實(shí)現(xiàn)；大口徑接收 望遠(yuǎn)鏡8接收到的光信號(hào)通過(guò)芯徑為0. 6mm、數(shù)值孔徑為0. 22的單芯石英信號(hào)光傳送光纖 IO，被傳送到多信道光譜儀機(jī)構(gòu)11的第一焦平面12上的回波信號(hào)輸入光孔20 ;從輸入光 孔20出射的信號(hào)光通過(guò)焦距和直徑分別為200mm和95mm的第一通道透鏡13被準(zhǔn)直為平 行光后到達(dá)刻劃面積為128mmX 154mm、光柵閃耀角(532nm，第5級(jí))為52. 94° 、光柵常數(shù) 為6001/mm的第一通道衍射閃耀光柵14 ;第一通道衍射閃耀光柵14對(duì)抵達(dá)的光信號(hào)進(jìn)行 衍射反射，衍射反射光再次通過(guò)第一通道透鏡13，并且返回到第一焦面12，其中對(duì)應(yīng)于氮 (或氧)分子高J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線的528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段光信 號(hào)將分別被聚焦到第一焦面12上的、波段輸出光孔21和、波段輸出光孔24，對(duì)應(yīng)于 氮(或氧)分子低J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線的530. 1 530. 7nm和533. 5 534. Onm波段光 信號(hào)將分別被聚焦到第一焦面12上的A 2波段輸出光孔22和A 3波段輸出光孔23 ;芯徑 為0. 6mm和數(shù)值孔徑為0. 22的單芯石英A工光纖26、 A 2光纖27、 A 3光纖28、 A 4光纖29 分別把第一焦面12上A工波段輸出光孔21、 A 2波段輸出光孔22、 A 3波段輸出光孔23和入4波段輸出光孔24輸出的光信號(hào)傳遞到第二焦平面15，而其它波段的干擾光則被抑制； 、光纖26、、光纖27、、光纖28、、光纖29在第二焦平面上的對(duì)應(yīng)輸入光孔分別為 入！波段輸入光孔30、 A 2波段輸入光孔31、 A 3波段輸入光孔32、 A 4波段輸入光孔33 ;從 入工波段輸入光孔30、 A 2波段輸入光孔31、 A 3波段輸入光孔32、 A 4波段輸入光孔33出射 的信號(hào)光通過(guò)焦距和直徑分別為200mm和95mm的第二通道透鏡16被準(zhǔn)直為平行光后到達(dá) 刻劃面積為128mmX 154mm、光柵閃耀角(532nm，第5級(jí))為52. 94° 、光柵常數(shù)為6001/mm 的第二通道衍射閃耀光柵17 ;第二通道衍射閃耀光柵17對(duì)抵達(dá)的光信號(hào)進(jìn)行衍射反射，衍 射反射光再次通過(guò)第一通道透鏡16，并且返回到第二焦面15 ;其中，對(duì)應(yīng)于氮(或氧)分子 高J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線的528. 8 529. 3nm和534. 9 535. 4nm波段光信號(hào)將被聚焦到 第二焦面15上的、、輸出光孔35，對(duì)應(yīng)于氮(或氧)分子低J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線的 530. 1 530. 7nm和533. 5 534. Onm波段光信號(hào)將分別被聚焦到第二焦面15上的A 2入3 輸出光孔36，而其它波段的干擾光則再次被抑制；芯徑為0. 6mm和數(shù)值孔徑為0. 22的單芯 石英A工A 4光纖37和A 2 A 3光纖38分別把第二焦面15上A工A 4輸出光孔35和A 2 A 3輸 出光孔36輸出的光信號(hào)傳遞到通光口徑和焦距分別為25mm和54mm的A工A 4準(zhǔn)直透鏡39 和A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡40的焦點(diǎn)處；氮(或氧)分子高J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線光信號(hào)和低J純 轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線光信號(hào)分別通過(guò)A工A 4準(zhǔn)直透鏡39和A 2 A 3準(zhǔn)直透鏡40后，被準(zhǔn)直成 近平行光，然后分別進(jìn)入高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)41和低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)42 ;高J信號(hào) 數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)41中的A工A 4光電探測(cè)器43、 A工A 4放大器44、 A工A 4模數(shù)轉(zhuǎn)化器45以及 低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)42中的A 2 A 3光電探測(cè)器46、 A 2 A 3放大器47、 A 2 A 3模數(shù)轉(zhuǎn)化器 48根據(jù)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)發(fā)出的時(shí)序控制信號(hào)，分別對(duì)輸入的氮(或氧)分子高J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼 散射譜線光信號(hào)和低J純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線光信號(hào)進(jìn)行高靈敏度和低噪聲光電轉(zhuǎn)換探測(cè)、 放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將獲取的氮(或氧)分子高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)和低 J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)傳送到信號(hào)處理機(jī)構(gòu)49 ;信號(hào)處理機(jī)構(gòu)49對(duì)輸入的高J純 轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線光信號(hào)和低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、累加、平滑、去背 景等處理，并根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程對(duì)處理后的數(shù)字化探測(cè)信號(hào)進(jìn)行反演，輸 出可靠的大氣溫度垂直分布廓線數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)、激光器(2)、激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡(8)、多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)、λ1λ4準(zhǔn)直透鏡(39)、λ2λ3準(zhǔn)直透鏡(40)、高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(41)、低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(42)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)；其中激光發(fā)射機(jī)構(gòu)包括光束擴(kuò)束器(3)、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡(4)和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡(5)；大口徑接收望遠(yuǎn)鏡(8)包含一個(gè)小孔光闌(9)；多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)包括第一焦平面(12)、第一通道透鏡(13)、第一通道衍射閃耀光柵(14)、第二焦平面(15)、第二通道透鏡(16)和第二通道衍射閃耀光柵(17)；高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(41)包括λ1λ4光電探測(cè)器(43)、λ1λ4放大器(44)和λ1λ4模數(shù)轉(zhuǎn)化器(45)；低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(42)包括λ2λ3光電探測(cè)器(46)、λ2λ3放大器(47)和λ2λ3模數(shù)轉(zhuǎn)化器(48)；其特征在于系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)與激光器(2)、λ1λ4模數(shù)轉(zhuǎn)化器(45)、λ2λ3模數(shù)轉(zhuǎn)化器(48)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)相連，激光器(2)依次與光束擴(kuò)束器(3)、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡(4)、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡(5)、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡(8)和多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)相連，多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)分別與λ1λ4準(zhǔn)直透鏡(39)和λ2λ3準(zhǔn)直透鏡(40)相連，λ1λ4準(zhǔn)直透鏡(39)依次與λ1λ4光電探測(cè)器(43)、λ1λ4放大器(44)、λ1λ4模數(shù)轉(zhuǎn)化器(45)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)相連；λ2λ3準(zhǔn)直透鏡(40)依次與λ2λ3光電探測(cè)器(46)、λ2λ3放大器(47)、λ2λ3模數(shù)轉(zhuǎn)化器(48)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)相連；系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)控制激光器(2)發(fā)射激光束的時(shí)間，激光器(2)發(fā)射的激光束依次進(jìn)入光束擴(kuò)束器(3)、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡(4)和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡(5)后發(fā)出射向大氣的探測(cè)激光束(6)；光束擴(kuò)束器(3)對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束，并通過(guò)調(diào)準(zhǔn)第一發(fā)射導(dǎo)光鏡(4)和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡(5)使激光束按要求的方向射向被測(cè)大氣，被測(cè)大氣對(duì)探測(cè)激光束(6)進(jìn)行散射，其后向散射回波光信號(hào)(7)被大口徑接收望遠(yuǎn)鏡(8)接收并將回波光信號(hào)(7)聚焦于小孔光闌(9)，回波光信號(hào)(7)傳送到多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)；多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)對(duì)回波光信號(hào)(7)進(jìn)行高光譜分辨率分光，形成高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)和低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)，并濾除通帶外的干擾光信號(hào)；高J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)通過(guò)λ1λ4準(zhǔn)直透鏡(39)準(zhǔn)直成平行光，同時(shí)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)控制高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(41)采集信號(hào)的時(shí)序；回波信號(hào)依次進(jìn)入λ1λ4光電探測(cè)器(43)、λ1λ4放大器(44)和λ1λ4模數(shù)轉(zhuǎn)化器(45)，最后進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)；低J轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼散射回波信號(hào)通過(guò)λ2λ3準(zhǔn)直透鏡(40)準(zhǔn)直成平行光，同時(shí)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)控制低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)(42)采集信號(hào)的時(shí)序，回波信號(hào)依次進(jìn)入λ2λ3光電探測(cè)器(46)、λ2λ3放大器(47)和λ2λ3模數(shù)轉(zhuǎn)化器(48)，最后進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)，同時(shí)系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)(1)將已經(jīng)設(shè)定好的系統(tǒng)的工作參數(shù)送給信號(hào)處理機(jī)構(gòu)(49)，然后根據(jù)系統(tǒng)的工作參數(shù)對(duì)λ1λ4模數(shù)轉(zhuǎn)化器(45)和λ2λ3模數(shù)轉(zhuǎn)化器(48)傳來(lái)的回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、平滑、去背景處理，并根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程對(duì)處理后的光電探測(cè)信號(hào)進(jìn)行反演，獲取大氣溫度的垂直分布廓線資料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，其特征在于小孔光闌(9)的孔徑為0. 08mm、0. 16mm、0. 24mm、0. 32mm、0. 40mm、0. 48mm或0. 60mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，其特征在于在多信道光譜儀機(jī)構(gòu)(11)中，回波信號(hào)(7)通過(guò)第一焦平面(12)的回波信號(hào)輸入光孔(20)進(jìn)入第一通道透鏡(13)，并被準(zhǔn)直成平行光，然后傳遞到第一通道衍射閃耀光柵(14)上，使回波信號(hào)發(fā)生衍射反射，衍射反射回波信號(hào)再次通過(guò)第一通道透鏡(13)，并返回到第 一焦平面(12)上，不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)在第一焦平面(12)上處于不同的位置；不同波長(zhǎng)的 回波信號(hào)通過(guò)第一焦平面上的回波信號(hào)輸出光孔進(jìn)入第二焦平面(15)上，并通過(guò)回波信 號(hào)輸入光孔進(jìn)入第二通道透鏡(16)，并被準(zhǔn)直成平行光，然后傳遞到第二通道衍射閃耀光 柵(17)上，使回波信號(hào)發(fā)生衍射反射，衍射反射回波信號(hào)再次通過(guò)第二通道透鏡(16)返回 到第二焦平面(15)上，不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)在第二焦平面(15)上處于不同的輸出位置；不 同波長(zhǎng)的回波信號(hào)通過(guò)第二焦平面上不同位置的兩個(gè)回波信號(hào)輸出光孔并借助光纖輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，其特征在 于探測(cè)激光束(6)與大口徑望遠(yuǎn)鏡(8)的光軸平行或同軸；小孔光闌(9)在大口徑接收望 遠(yuǎn)鏡(8)的焦距上。
全文摘要
本發(fā)明的一種使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)、激光器、激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、大口徑接收望遠(yuǎn)鏡、多信道光譜儀機(jī)構(gòu)、準(zhǔn)直透鏡高J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)、低J信號(hào)數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)和信號(hào)處理機(jī)構(gòu)；激光束依次進(jìn)入光束擴(kuò)束器、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡后形成探測(cè)激光束，其后向散射回波光信號(hào)被大口徑接收望遠(yuǎn)鏡接收并聚焦于小孔光闌，回波光信號(hào)被送到多信道光譜儀機(jī)構(gòu)并分光并濾除干擾信號(hào)；然后進(jìn)入光電探測(cè)器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、信號(hào)處理機(jī)構(gòu)；根據(jù)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)方程對(duì)光電探測(cè)信號(hào)進(jìn)行反演，獲取大氣溫度的垂直分布廓線資料。本發(fā)明能夠?qū)Υ髿鈱?duì)流層大氣溫度進(jìn)行垂直分布廓線探測(cè)，精度高。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101718871SQ20091023742
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者倪國(guó)強(qiáng), 孔衛(wèi)國(guó), 張寅超, 王玉詔, 蘇嘉, 邱宗甲, 陳思穎 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)