CN102096068A - 基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达中的光子晶体分光系统，尤其是基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征是，包括光纤(1)，该光纤(1)的一端设有第一凸透镜(2)，在第一凸透镜(2)后设有分束镜(3)，从而将光线分为两路，其中第一路上依次设有第一光子晶体(4)、第二光子晶体(5)、第二凸透镜(6)、和第一光电探测器件(7)，而在第二路上依次设有第三光子晶体(8)、第四光子晶体(9)、第三凸透镜(10)、和第二光电探测器件(11)。本发明提出一种基于光子晶体分光系统，将其用于转动拉曼测温激光雷达系统中，能够对大气温度进行高精度探测。

Description

基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统

技术领域

本发明涉及激光雷达中的光子晶体分光系统，尤其是基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统。

背景技术

激光雷达(Lidar：Light detection and ranging)作为一种主动遥感探测工具，已经广泛应用于气象参数探测、环境监测等领域。作为一种高新技术，激光雷达技术实用性及应用前景越来越受到广泛的关注。目前，激光雷达探测大气温度的主要方式有：(1)瑞利散射测温激光雷达、(2)振动拉曼测温激光雷达、(3)差分吸收测温雷达、(4)瑞利散射光谱法测温激光雷达、(5)转动拉曼光谱原理的转动拉曼测温激光雷达等。其中，利用转动拉曼光谱探测温度的原理主要是由于大气分子(N₂和O₂)的产生的高、低量子数转动拉曼光谱的谱线信号强度与大气温度之间存在着依赖性。自从Cooney1972年提出利用这种原理探测大气温度的原理以来，国内外在利用转动拉曼激光雷达对底层大气的温度进行探测方面取得了明显的进步，并开始逐步走向实用。

但是，由于转动拉曼散射的截面积相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起的瑞利散射截面积要小3-4个数量级，因此，高精度大气温度的探测一方面需要大的激光能量和望远镜接收系统，另一方面需要对强烈的米-瑞利散射信号进行10^-7个数量级以上的抑制，从而提取出微弱的转动拉曼谱线，这就要求转动拉曼测温激光雷达的分光系统具有极高的带外抑制能力和很高的光谱分辨能力。因此，设计具有高精度，高可靠性的分光系统一直是拉曼测温激光雷达技术的核心问题。目前，拉曼激光雷达在分光系统设计上具有非常高的技术难度。国内外的转动拉曼激光雷达除了采用较高的激光能量和较大的望远镜接收系统，主要在分光系统方面进行了大量研究，常用分光系统采用双光栅单色仪、双光栅多色仪、窄带干涉滤波片等分光方法来剔除强背景噪音，提取有效的拉曼信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，能够实现对转动拉曼散射信号地高精度提取。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特别之处在于，包括光纤，该光纤的一端设有第一凸透镜，在第一凸透镜后设有分束镜，从而将光线分为两路，其中第一路上依次设有第一光子晶体、第二光子晶体、第二凸透镜、和第一光电探测器件，而在第二路上依次设有第三光子晶体、第四光子晶体、第三凸透镜、和第二光电探测器件。

其中第一光子晶体和第二光子晶体串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶体和第二光子晶体的中心波长均为λ₁＝530.6nm，对应以量子数6为中心的低量子数转动拉曼散射信号；第三光子晶体和第四光子晶体串联构成第二组滤波器，设计第三光子晶体和第四光子晶体的中心波长均为λ₂＝528.8nm，对应以量子数14为中心的高量子数拉曼散射信号；设计两组光子晶体对上述选定的波长分别具有99.998-99.999％的透射率，同时设计两组光子晶体对米-瑞利散射波长532.25nm分别具有10^-7数量级的透射率。

本发明借鉴光子晶体滤波器所具有的优良的波长选择性、高的光谱分辨率以及较强的带外抑制能力等特点，提出一种基于光子晶体分光系统，将其用于转动拉曼测温激光雷达系统中，能够对大气温度进行高精度探测。该分光系统结构紧凑、简单易行、性能稳定，成本较低，为转动拉曼激光雷达探测大气温度提供了一种重要的解决方案，具有重要的科学研究和实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的光子晶体分光系统原理图；

图2是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统原理图；

图3是本发明的分光系统的透射谱与大气分子N₂、O₂的转动拉曼散射光谱之间的关系；

图4是本发明的光子晶体分光系统的透射率特性曲线；

图5是通过激光雷达方程和系统参数计算出的光子晶体分光系统分光后的各种散射信号和太阳背景光的强度分布随探测高度的分布；

图6是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统仿真得到的大气温度分布廓线以及后向散射比廓线；

图7是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统仿真得到的系统信噪比、温度误差的高度分布曲线。

图1中，1.光纤(1)，2.第一凸透镜(2)，3.分束镜(3)，4.第一光子晶体(4)，5.第二光子晶体(5)，6.第二凸透镜(6)，7.第一光电探测器件(7)，8.第三光子晶体(8)，9.第四光子晶体(9)，10.第三凸透镜(10)，11.第二光电探测器件(11)。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明：

(1)、如图1所示，本发明是一种由光子晶体构成的用于拉曼测温激光雷达的分光系统，该分光系统的作用是将回波信号中的用于温度探测的高、低量子数转动拉曼谱线与米-瑞利散射谱线等进行分离，在温度探测通道中最大程度上抑制米-瑞利散射信号以及太阳背景光的干扰。分光系统构成如附图1所示，包括光纤1、第一凸透镜2、分束镜3，分束镜3将光束分为两路，一条光路上依次设置有第一光子晶体4、第二光子晶体5、第二凸透镜6、第一光电探测器件7；分束镜3的另一条光路上依次设置有第三光子晶体8、第四光子晶体9，第三凸透镜10、第二光电探测器件11。

图1中，第一光子晶体4、第二光子晶体5串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶体4、第二光子晶体5的中心波长均为λ₁＝530.6nm，对应以量子数6为中心的低量子数转动拉曼散射信号；第三光子晶体8、第四光子晶体9串联构成第二组滤波器，设计第三光子晶体8、第四光子晶体9的中心波长均为λ₂＝528.8nm，对应以量子数14为中心的高量子数拉曼散射信号。通过设计使两组光子晶体上述选定的波长分别具有99.998％或以上的透射率；同时，通过设计使两组光子晶体对米-瑞利散射波长532.25nm分别具有10^-7数量级的透射率。

采用本发明光子晶体分光系统对转动拉曼激光雷达回波信号中的转动拉曼散射信号进行高精度提取的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：转动拉曼测温激光雷达发射的激光束与大气中的分子和粒子相互作用，产生的后向散射回波信号由转动拉曼测温激光雷达接收后，被耦合进光纤1内，由光纤1传输后，经过第一凸透镜2准直，射向分束镜3，分束镜3将回波光信号分为两路：其中一路光信号射向第一光子晶体4、第二光子晶体5，透射后的光信号经过第二凸透镜6聚焦后，由第一光电探测器件7进行接收，这样便实现对米-瑞利散射波长532.25nm进行10^-7数量级的抑制，同时分离出中心波长为530.6nm的低量子数转动散射拉曼光谱信号，此为通道一；

步骤2：另一路光信号射向第三光子晶体8、第四光子晶体9，透射后的光信号经过第三凸透镜10聚焦后，由第二光电探测器件11进行接收，这样便实现对米-瑞利散射波长532.25nm进行10^-7数量级的抑制，同时分离出中心波长为528.8nm的高量子数转动拉曼散射光谱信号，此为通道二。

至此，分光系统在对米-瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对用于测温的低、高量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。

以下从原理方面对使用本发明光子晶体滤波器分光的转动拉曼激光雷达系统进行说明：

(2)、如图2所示，图2是利用光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统原理图。图中，脉冲激光器发出某一固定波长的脉冲激光，经准直扩束系统、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜转向后垂直射向大气，激光与大气中的分子和粒子相互作用而产生的后向散射回波信号由望远镜系统接收后，经过第四凸透镜会聚后被耦合进光纤1内，经过光纤1传输后，进入附图1所示的光子晶体分光系统中进行分光处理，提取出低、高量子数转动拉曼散射谱线，最后，将这两个通道的转动拉曼散射光谱信号分别送入数据采集与处理系统进行分析处理。

数据采集与处理系统将接收到的两个拉曼通道的回波信号进行预处理后，并求取这两个通道的拉曼回波信号强度的比值，然后利用同步探测的无线电探空数据对系统进行拟合标定，求出系统参数，此后便可以根据系统参数反演求得大气的温度廓线。

根据激光雷达方程，望远镜接收到的转动拉曼散射光谱信号的光子数为：

$n=C(E_0/\mathrm{hv})(A/Z^2){\mathrm{\ΔZ\β}}_{\mathrm{RRS},J}\exp \{-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z^{\′}\right))\left]d{z}^{\′}\right\}---\left(1\right)$

式中，J为转动拉曼谱的量子数，n是距离z处的量子数为J的激光回波信号光子数；E₀是激光发射能量；C是标定系统常数，包括发射、接收系统的光学损失等；A是接收系统的有效接收面积；α(z)是距离z处大气分子、气溶胶粒子产生的消光系数；β_RRS，J是N₂和O₂产生的后向散射系数。

如果已知分光系统中与高低量子数对应的两组光子晶体的透射率函数G_i(v)(i＝1，2)、归一化的转动拉曼散射光谱h_r(v，T)，则这两个拉曼通道的透过函数为：

f_ir(v，T)＝∫h_r(v`-v，T)G<sub>i</sub>(v`)dv`  i＝1，2    (2)

因此，通过两组光子晶体并被探测到的转动拉曼信号的光子数为：

n_i(v，T)＝f_ir·n  i＝1，2    (3)

通过分析两个拉曼通道接收到的大气中N₂和O₂的Anti-Stokes支上转动拉曼散射信号的比值，便可以反演出大气温度分布。设两个通道接收到的转动拉曼散射的光子数n₁(v，T)、n₂(v，T)的比率为

$R\left(T\right)=\frac{n_1(v,T)}{n_2(v,T)}\&ap;\exp \{-[\frac{A}{T^2\left(z\right)}+\frac{B}{T\left(z\right)}+C\left]\right\}---\left(4\right)$

式中，z为探测高度，A、B、C为系统参数。通常可以利用无线电探空数据对上式进行拟合标定，得到常数A、B、C后，利用下式便可以计算高度z处的大气温度T(z)：

$T\left(z\right)=-\frac{2A}{B\&PlusMinus;\sqrt{B^{2}4A(C^2+\ln H(T,z))}}---\left(5\right)$

(3)、如图3所示，图3是本发明分光系统的透射谱与大气分子N₂、O₂的转动拉曼散射光谱之间的关系。

转动拉曼激光雷达探测温度的基本原理主要是依据转动拉曼散射截面强度与大气温度之间存在依赖性。由于转动拉曼光谱Stokes支中存在荧光散射谱的干扰^[24]，因此，选择Anti-Stokes支的拉曼谱线来探测反演大气温度。根据转动拉曼信号的后向散射截面公式，激励波长为532.25nm时N₂分子在Anti-Stokes支的转动拉曼散射截面变化如图3所示，图3中也表示出了两组光子晶体的透射率曲线。

由于低层大气温度范围在200K-300K内，这里分别取T＝200K和T＝300K计算。由于在530.6nm光谱处(对应低转动量子数为J₁＝6)，拉曼信号随温度的负变化率最大，而在528.8nm光谱处(对应高转动量子数为J₂＝14)，拉曼信号随温度的正变化率为最大，因此，两组光子晶体滤光器的中心波长分别选用这两个波长来提取温度变化率最大的两条拉曼谱线，可以改善系统的整体温度探测灵敏度。

但在实际中，如果只选择J₁＝6、J₂＝14两条拉曼谱线反演大气温度，由于其信号强度太低，将造成系统信噪比很低，因此，为了保证探测到的高低量子数转动拉曼信号均具有一定的强度，所选用的光子晶体滤光器需要保证一定的带宽，这样可以选择更多量子数的谱线。

(4)、如图4所示，图4是本发明光子晶体分光系统的透射率特性曲线。

通常，一维光子晶体有高、低两种介电材料按照一定规律交替排列组成。当在一维光子晶体中引入单层或周期性缺陷层，或者使某一晶格参数有规律的变化，便可以很容易可以制作出符合要求的窄带滤光器，以实现对光信号的滤波。此外，光子晶体可以通过镀膜来实现，因此工艺上容易制备，因此成本较低。

通常，对光子晶体特性进行分析的方法有平面波法、时域有限差分法、传输矩阵法等。其中，传输矩阵法是较为简便的一种方法。本发明采用传输矩阵法对所用光子晶体的传输特性进行分析。

假设光子晶体由高折射率材料A、低折射率材料B，缺陷层材料C构成，即采用(AB)^NC^M(AB)^N(M、N为整数，表示周期数)的结构来构成，三种介质材料的折射率和厚度分别为n_A、n_B、n_C和d_A、d_B、d_C。各介质均为各向同性均匀介质且具有非磁性，介电常数ε、磁导率μ和折射率n都是常量，且存在如下关系：

当仅考虑TE模时，电磁波在各层介质中的传输特性表示如下：

$M_i=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_i\right)& -\frac{j}{p}\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_i\right)\\ -j{p}_i\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_i\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_i\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中，δ_i＝k₀n_iz_icosθ_i，k₀＝2π/λ₀，λ₀为真空中的入射光波长，对于TE波而言，θi表示第i层中电磁场的传播方向与介质表面法线方向的夹角。此外，下标i表示第i层，j是虚数。当光波依次通过各层介质时，总的特性矩阵可以写为：

$M=M_1\left(z_1\right)M_2(z_2-z_1)L{M}_n(z_n-z_{n-1})=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right]---\left(7\right)$

因此可以得到光子晶体的透射率和反射率如下：

$T=\frac{p_n}{p_1}{\left(\frac{m_{11}{p}_1+m_{12}{p}_1{p}_n-m_{21}-m_{22}{p}_n}{m_{11}{p}_1+m_{12}{p}_1{p}_n+m_{21}+m_{22}{p}_n}\right)}^2---\left(8\right)$

$R={\left(\frac{2p_1}{m_{11}{p}_1+m_{12}{p}_1{p}_n+m_{21}+m_{22}{p}_n}\right)}^2---\left(9\right)$

式中，下标1、n分别表示第一层和最后一层。

在本发明中，第一组光子晶体滤波器主要用于提取J₁＝6为中心的低量子数转动拉曼散射信号，因此，第一光子晶体4、第二光子晶体5中心波长设计为λ₁＝530.6nm。它们的透射谱的半高全宽度均为Δλ_FWHM1＝0.101nmnm，透射率均为T₁(λ₁)＝1，其透射率曲线如图4所示。可以看出，第一光子晶体4、第二光子晶体5在激光发射波长λ₀处的透射率均为T₁(λ₀)＝9.77×10^-4，所以串联后的第一光子晶体4、第二光子晶体5对激光波长λ₀的透射率为T_T1(λ₀)＝T₁(λ₀)·T₁(λ₀)＜10^-7，即第一组光子晶体滤波器对米-瑞利信号的抑制率达到了7个数量级，保证了对低量子数拉曼谱线地高精度提取。

第二组光子晶体滤波器主要用于提取J₂＝14为中心的高量子数转动拉曼散射信号，因此，第三光子晶体8、第四光子晶体9中心波长设计为λ₂＝528.8nm。它们的透射谱的半高全宽度均为Δλ_FWHM1＝0.214nm，透射率均为T₁(λ₂)＝1，其透射率曲线如图4所示。可以看出，第三光子晶体8、第四光子晶体9在激光发射波长λ₀处的透射率均为T₂(λ₀)＝9.8798×10^-4，所以串联后的第三光子晶体8、第四光子晶体9对激光波长λ₀的透射率为T_T2(λ₀)＝T₂(λ₀)·T₂(λ₀)＜10^-7，即第二组光子晶体滤波器对米-瑞利信号的抑制率达到了7个数量级，保证了对高量子数拉曼谱线地高精度提取。

(5)、如图5所示，本发明利用实际测得的大气气溶胶米散射信号结合美国标准大气模型，根据雷达回波方程，对各散射信号的强度分布、温度廓线和探测信噪比等进行了仿真计算。仿真计算时，取激光器的波长为λ₀＝532.25nm，脉冲频率为20Hz，脉冲能量为300mJ；取望远镜的直径为250nm，等效焦距为1000mm，多模光纤芯径取0.2mm，因此望远镜系统的视场角为0.2mrad；；取测量时间约9分钟，共累计10000个脉冲；取采样周期为300ns，相应的探测高度分辨力为45m。此外，还考虑到白天探测，因此假设波长λ₀附近的太阳背景光的辐射度为3×10⁸Wm^-2sr^-1nm^-1，根据激光雷达的系统参数，可以估算出在波长λ_b3和λ_b4光谱线附近，系统探测到的太阳背景光强度为3.251×10^-11W。

仿真计算时，还设计第一光子晶体4、第二光子晶体5的中心波长均为λ₁＝530.6nm，其结构均为(AB)⁷C(BA)⁷，在周期材料的选取上，高折射率介质的折射率均选为n_A＝1.4，低折射率介质的折射率选为n_B＝2.57，缺陷层介质的折射率选为n_C＝2；高折射率介质的厚度均选为d_A＝0.25λ₁/n_A，低折射率介质的折射率选为d_B＝0.25λ₁/n_B，缺陷层介质的折射率选为d_C＝0.5λ₁/n_C；此外，光子晶体两边均为空气(n₀＝1.0)，ε₁＝ε_n，μ₁＝μ_n，μ_A＝μ_B＝μ_C＝1；光回波信号的入射角度θ₀＝0。

此外，设计第三光子晶体8、第四光子晶体9的中心波长均为λ₂＝528.8nm，其结构均为(AB)⁷C(BA)⁷，在周期材料的选取上，高折射率介质的折射率选为n_A＝1.4，低折射率介质的折射率选为n_B＝2.42，缺陷层介质的折射率选为n_C＝2；高折射率介质的厚度均选为d_A＝0.25λ₂n_A，低折射率介质的折射率选为d_B＝0.25λ₂n_B，缺陷层介质的折射率选为d_C＝0.5λ₂n_C；此外，光子晶体两边均为空气(n₀＝1.0)，ε₁＝ε_n，μ₁＝μ_n，μ_A＝μ_B＝μ_C＝1；光回波信号的入射角度θ₀＝0。

图5所示为通过激光雷达方程和系统参数计算出的经过光子晶体滤波器分光后的各种散射信号和太阳背景光的强度分布随探测高度的分布。可以看出，光子晶体滤波器对米、瑞利信号的抑制达到了7个数量级以上。此外，在高度2.7km以下，回波信号的强度要高于太阳背景光，因而可以实现白天低空大气温度探测。

(6)、如图6所示，图6是利用光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统仿真得到的大气温度分布廓线以及后向散射比廓线。图6中，虚线为标准大气模型温度分布，实线为根据实际测得的大气气溶胶米散射数据结合标准大气模型仿真计算而得到的温度廓线分布。从图中可以看出，在高度5.25km以下，仿真得到的温度分布与标准大气模型温度分布一致性依然较好；但是高度5.25km以上，由于大气的后向散射比较大，达到了25左右，因此在此高度以上，仿真得到的温度分布与标准大气模型温度分布一致性变差。

(7)、如图7所示，图7是利用光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达仿真得到的系统信噪比、温度误差的高度分布曲线。由于望远镜的视场角为0.2mrad，并且两组光子晶体滤波器带宽也分别为0.101nm、0.214nm，由此，可以计算出在波长λ₁、λ₂附近两个拉曼通道所探测到的太阳背景光强度分别为4.662×10^-11W、9.878×10^-11W，因此，分光系统对太阳背景光进行了有效地滤除。从图中可以看出，在白天太阳背景光影响的情况下，当要求探测温度误差小于1K时，白天的激光雷达探测高度可达2.5km左右；夜晚时可以忽略太阳背景光的影响，此时的激光雷达探测高度可达3.4km左右。

Claims (2)

1.一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征在于：包括光纤(1)，该光纤(1)的一端设有第一凸透镜(2)，在第一凸透镜(2)后设有分束镜(3)，从而将光线分为两路，其中第一路上依次设有第一光子晶体(4)、第二光子晶体(5)、第二凸透镜(6)、和第一光电探测器件(7)，而在第二路上依次设有第三光子晶体(8)、第四光子晶体(9)、第三凸透镜(10)、和第二光电探测器件(11)。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征在于：其中第一光子晶体(4)和第二光子晶体(5)串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶体(4)和第二光子晶体(5)的中心波长均为λ₁＝530.6nm，对应以量子数6为中心的低量子数转动拉曼散射信号；

第三光子晶体(8)和第四光子晶体(9)串联构成第二组滤波器，设计第三光子晶体(8)和第四光子晶体(9)的中心波长均为λ₂＝528.8nm，对应以量子数14为中心的高量子数拉曼散射信号；

设计两组光子晶体对上述选定的波长分别具有99.998-99.999％的透射率，同时设计两组光子晶体对米-瑞利散射波长532.25nm分别具有10^-7数量级的透射率。

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