CN102323596A - 基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统、光电检测系统以及信息处理系统；分光系统包括正透镜、闪耀光栅、光纤阵列、光纤耦合器和光纤布喇格光栅，光纤阵列和闪耀光栅分别位于正透镜的前后两侧，光纤阵列上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器，光纤耦合器有三个端口分别为PA、PB和PC，端口PB与光纤布喇格光栅连接；本发明减少了转动拉曼激光雷达分光系统调整自由度，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，且具有一定的白天遥感探测能力，使转动拉曼激光雷达系统适用于车载、机载及星载的应用。
Description
技术领域
本发明属于气象与环境观测技术领域，涉及一种对大气参数进行遥感的转动拉曼激光雷达系统，主要涉及结合衍射光栅和光纤光栅分光技术的具有低调整复杂性的转动拉曼激光雷达系统，可遥感大气温度以及气溶胶光学特性等大气参数。
背景技术
激光雷达作为一种主动遥感技术已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光遥感技术的物理基础是激光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的米散射、瑞利散射、拉曼散射等物理过程。激光雷达系统的工作原理是由激光器发出的激光束脉冲射入大气，由望远镜接收激光束与大气中物质作用后产生的散射信号，并经光学分光处理和光电检测系统转换后，输入信息处理设备（多为计算机）进行数据反演处理。
利用转动拉曼散射探测大气温度分布的基本原理是转动拉曼散射截面与大气温度之间存在的依赖性，即低量子数的转动拉曼散射截面随温度的增加而单调减少，而高量子数的转动拉曼散射截面随温度的增加而单调增加。但由于拉曼散射是一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，其散射截面与米散射和瑞利散射相比小约为3~4个数量级，需要转动拉曼激光雷达的分光系统能够对米散射和瑞利散射等弹性散射信号提供至少7个数量级的抑制，以实现从强烈的弹性散射信号中提取微弱的转动拉曼信号，另外，白天探测时还需考虑太阳背景光的滤除效果。故作为转动拉曼激光雷达系统关键技术之一的分光技术成为国内外研究的热点和重点，目前已有双窄带干涉滤光片、双衍射光栅单色仪、F-P标准具、单衍射光栅与金属蒸汽滤波器结合等，但是已有分光系统都存在调整复杂、体积较大等缺点，从而限制了转动拉曼激光雷达系统在车载、机载及星载等领域的应用，而光纤布喇格光栅技术具有优良的波长选择性，光谱分辨率高，调整简单，插入损耗低，易于光纤兼容等优点，其在通信及传感领域的应用日趋广泛和成熟。另外已有转动拉曼测温激光雷达一般需要其它测量装置进行参数校正，不能进行大气绝对温的遥感探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，以解决现有技术中存在的调整复杂、体积大、重量重不利于转动拉曼激光雷达系统在车载、机载及星载等领域应用的问题。
本发明的技术方案为，基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统、光电检测系统以及信息处理系统；
激光发射系统，包括发射脉冲激光束的Nd：YAG脉冲激光器、对脉冲激光进行准直扩束的扩束器，还包括多个反射镜，多个反射镜的设置使准直扩束后的激光垂直射向大气；
接收系统，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光，并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤，通过多模光纤导入分光系统；
分光系统，用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米－瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米－瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号导入光电检测系统；所述分光系统包括正透镜、闪耀光栅、光纤阵列、光纤耦合器和光纤布喇格光栅，光纤阵列和闪耀光栅分别位于正透镜的前后两侧，光纤阵列上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器，光纤耦合器有三个端口分别为PA、PB和PC，端口PB与光纤布喇格光栅连接；正透镜用于将后向散射光准直后照射在闪耀光栅上，闪耀光栅用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光经正透镜会聚在焦平面上，实现不同波长的光在空间上的第一级分光，滤除了部分米－瑞利散射信号和太阳背景噪声；光纤阵列用于将焦平面上会聚的混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号耦合进光纤中；光纤耦合器的PA端用于接收混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号，光纤耦合器的PB端用于将混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号输送至光纤布喇格光栅，光纤布喇格光栅用于将米－瑞利散射信号和太阳背景噪声进一步过滤，进行第二级分光，光纤耦合器的PC端用于将滤光后的转动拉曼散射信号输送至光电检测系统；
光电检测系统，用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统；
信息处理系统，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同转动量子数的转动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号进行分析处理，得到大气温度气象参数、大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度和大气能见度大气环境参数值。
本发明的有益效果是，减少了转动拉曼激光雷达分光系统调整自由度，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，且具有一定的白天遥感探测能力，使转动拉曼激光雷达系统适用于车载、机载及星载的应用。另外，本发明结合衍射光栅耦合效率高及光纤光栅调整复杂度低的优点，采用闪耀光栅与光纤光栅相结合的分光结构，构建具有适当耦合效率和调整复杂度的拉曼测温激光雷达系统。分光系统中只有1个衍射光栅和1个光纤阵列需要进行机械调整，且衍射光栅需要2个转动调整自由度，光纤阵列具有6个调整自由度，而双衍射光栅拥有2个衍射光栅和2组光纤阵列，因此该分光系统减少了调整自由度；另外，光纤布喇格光栅由于具有较窄的光谱带宽，因此将会减弱太阳背景噪声的影响。本发明分光系统对米-瑞利信号的滤除率达到6~7个数量级，可保证温度探测所需的信噪比，因而可实现低空大气温度探测。数值计算结果表明，该激光雷达系统在太阳背景噪声的辐射能量密度为3×108 Wm-2sr-1nm-1条件下，利用反斯托克斯分支的拉曼谱型反演大气绝对温度值，白天探测高度约为2 km，晚上探测高度约为5 km。
附图说明
图1是本发明转动拉曼激光雷达系统的结构原理图；
图2是本发明转动拉曼激光雷达系统中分光系统结构原理图；
图3是本发明转动拉曼激光雷达系统中闪耀光栅衍射效率图；
图4是本发明拉曼谱型与光纤阵列结构图；
图5是本发明转动拉曼激光雷达系统中光纤布喇格光栅的反射光谱图；
图6是本发明分光系统输出的部分拉曼通道信号图；
图7是本发明大气绝对温度及相关参数的反演仿真廓线。
图中，1.激光发射系统，2.接收系统，3.分光系统，4.光电检测系统，5.信息处理系统，6. Nd:YAG脉冲激光器，7.扩束器，8.多模光纤，9.正透镜，10.闪耀光栅，11.光纤阵列，12.光纤耦合器，13. 光纤布喇格光栅，M1、M2、M3.反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明借鉴现有双衍射光栅分光技术，并结合光纤布喇格光栅13分光带宽窄且纤芯直径小的优点，构建用于转动拉曼激光雷达系统的调整较简单的新型分光系统，进行转动拉曼激光雷达系统后向散射光的光谱空间分离、米-瑞利散射强光信号的抑制及白天太阳背景噪声的滤除，且具有转动拉曼谱型的探测能力，可进而反演大气的绝对温度值，对大气的各种参数进行遥感探测。
如图1所示，本发明提供一种基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，包括激光发射系统1、接收系统2、分光系统3、光电检测系统4以及信息处理系统5。
激光发射系统1包括Nd：YAG脉冲激光器6、扩束器7以及多个反射镜M1、M2、M3；Nd：YAG脉冲激光器6发出波长为532.25nm的脉冲激光束，经扩束器7对脉冲激光准直扩束后，再通过多个反射镜M1、M2、M3垂直射向大气。
接收系统2，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光，并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤8，通过多模光纤8导入分光系统3。
分光系统3，用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米－瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米－瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号送入光电探测部件4。如图2所示，分光系统3包括正透镜9、闪耀光栅10、光纤阵列11、光纤耦合器12和光纤布喇格光栅13，光纤阵列11和闪耀光栅10分别位于正透镜9的前后两侧，光纤阵列11上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器12，光纤耦合器12有三个端口分别为PA、PB和PC，端口PB与光纤布喇格光栅13连接。其工作原理是：后向散射光通过多模光纤8导入分光系统3，后向散射光经正透镜9准直后照射在闪耀光栅10上，闪耀光栅10再反射具有不同衍射角的衍射光经正透镜9会聚在焦平面上，此时不同波长的光将在空间上分离，进行第一次分光，但是由于闪耀光栅10存在由周期性刻划误差而导致的杂散光，故焦平面的转动拉曼散射信号仍混有较强的米-瑞利散射信号和太阳背景噪声；焦平面上会聚的混有米-瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号经空间结构匹配的光纤阵列11耦合进光纤中，然后经过光纤耦合器12的端口PA从端口PB输出，经光纤布喇格光栅13的滤光，进行第二次分光，再次滤除米-瑞利散射信号和太阳背景噪声，滤光后的转动拉曼散射信号经端口PC输出，这样就完成了转动拉曼散射信号的分光。而较强烈的米-瑞利散射信号经窄带光纤布喇格光栅13滤光后，将减弱其对转动拉曼散射信号的影响，具有较好的温度遥感探测能力，另外，白天的太阳背景光经窄带光纤布喇格光栅13滤光后，其对转动拉曼散射信号的干扰也将减弱，故具有较好的白天遥感探测能力。
光电检测系统4，用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统5。
信息处理系统5，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同转动量子数的转动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号进行分析处理，得到大气温度气象参数、大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度和大气能见度大气环境参数值。
由于拉曼散射信号的截面与入射波长的四次方成反比，因此缩短发射激光雷达的波长有利于增强拉曼散射信号强度，但波长太短，将提高闪耀光栅10和光纤布喇格光栅13的加工难度和成本，结合现有激光雷达的发展水平，可取Nd:YAG激光器6的二倍频波长作为本发明拉曼激光雷达系统的工作波长。
转动拉曼激光雷达系统中除了接收到用于温度探测的拉曼散射信号外，同时也接收到大气分子产生的瑞利散射和气溶胶产生的米散射信号等，为了提高米-瑞利散射信号的抑制率，由于现有分光器件一般只能提供3~5个量级的抑制，故一般采用二级分光结构，但现有双光栅分光系统虽拥有较好的分光效果，但调整自由度较多，不利于车载、机载及星载应用，为了减少调整自由度，本发明采用具有熔接性能的光纤布喇格光栅13进行第二级分光，且该滤光器具有光谱通带窄的优点，这非常适合于转动拉曼信号的分光。由于采用光纤布喇格光栅13作为第二级分光器件，光纤阵列11的间距可以减少，因此作为一级分光器件的闪耀光栅10可采用衍射效率较高的低阶次闪耀光栅。
一、闪耀光栅10的性能分析：
闪耀光栅10单缝衍射的主级极大在光栅斜槽的镜面反射方向上，而缝间干涉的零级极大在光栅平面的法线方向上，故在闪耀方向上，闪耀波长的衍射效率可高达80%，而单缝衍射函数是缓变函数，因而在闪耀波长两旁的光谱衍射效率也较高。通常闪耀光栅10的闪耀角θ b 与闪耀波长λb满足
式中，d为光栅常数（光栅间距），m为衍射阶次。为使衍射波长λ具有较高的衍射效率，通常利用利特罗（Littrow）条件来约束光束入射角
，即
当入射角为
时，衍射波长λ对应的衍射角θ为
而在焦距为f的正透镜焦平面上，衍射波长λ的线色散为
衍射波长λ的会聚点相对于闪耀波长λb会聚点的线距离ld 为
线距离ld 越大，则焦平面上光谱的空间分辨率越大，当衍射级次m=1确定时，可通过增加透镜焦距f和减少光栅间距d来增加光谱空间分辨率，但增加透镜焦距f会增加分光系统体积，进而降低系统机械稳定性，而减少光栅间距d会提高加工难度，减少刻划精度进而增加杂散光强度，故需选择合适的焦距和间距参数。
本发明选用具有较高衍射效率、1阶次的闪耀光栅10，如图3所示的衍射光栅的衍射效率，其光栅刻线数为1200
grooves/mm，闪耀角为17°27΄，闪耀波长为500
nm，入射角度符合利特罗条件。图中实线（平均效率）表示不同线偏振入射时–1阶反射衍射效率，虚线（S分量）表示TE偏振入射时–1阶反射衍射效率，点划线（P分量）表示TM偏振入射时–1阶反射衍射效率。
二、光纤阵列11的性能分析：
光纤阵列11结构取决于转动拉曼谱线分布，在此以通常采用的氮气（N2）分子转动拉曼谱线设计光纤阵列11结构，光纤阵列11中除入射光纤为多模光纤8外，其它通道光纤应具有相同特性，可为单模光纤或多模光纤（更准确应为少模光纤），若采用单模光纤，其纤芯直径约为3.5μm，若采用少模光纤，其纤芯直径约为10μm，由于少模光纤加工的光纤布喇格光栅的直径较大，故耦合效率较高，但是该技术发展不成熟仍处于研究阶段，故本发明采用单模光纤进行搭建。
当发射激光束在大气中传播时，与大气中的氮气（N2）分子相互作用产生拉曼散射。根据转动拉曼散射原理可数值计算N2分子转动拉曼散射波长及其后向散射截面（即相对强度）如图4所示，考虑到低层大气温度的变化范围为200
K~300 K，故给出了温度T=200 K和T=300
K的谱线相对强度。仿真结果表明，转动拉曼散射谱线的间隔缓慢变化，从量子数J=0到J=21之间从0.2254 nm变化至0.2238 nm，其平均变化量为0.2248 nm，斯托克斯分支与反斯托克斯分支之间的波长差为532.588 nm–531.912
nm = 0.676 nm。从图中可看出，转动量子数为偶数时，相对强度较大，为了降低光纤阵列的加工难度，可考虑只提取偶数量子数的转动拉曼谱线。
利用式(5)可计算各转动量子数拉曼波长在焦平面上空间位置，为提取米-瑞利散射信号，需要在空间上把输入光纤和输出光纤分开，这恰好可以利用斯托克斯分支与反斯托克斯分支之间的波长差导致的色散距离，此时需要衍射光栅略微偏离利特罗条件（入射角18°36΄52˝），可取入射角
为18°36΄，正透镜焦距为200
mm，数值计算表明，每条谱线的平均间隔为56.88 μm，故可取单模光纤或少模光纤的直径为110μm来耦合偶数转动量子数的拉曼谱线，入射多模光纤置于焦点处，其y坐标（参见图2和4）为0，焦点处的衍射波长为531.60 nm，532.25 nm的米-瑞利信号的y坐标为165 μm，可选择输入多模光纤直径为190 μm，转动量子数J为–6（负号表示位于Anti-Stokes分支）的坐标为–263μm，J为–14的坐标为–718μm，J为6（表示位于Stokes分支）的坐标为–593μm，J为14的坐标为–1050μm。图4给出了该种光纤阵列结构的一种实现，该结构使米-瑞利信号和反斯托克斯分支拉曼信号位于输入光纤两侧，将利于减少反斯托克斯分支拉曼信号中米-瑞利信号的杂散光，而大气温度反演通常选择受荧光影响较少的反斯托克斯分支。改变入射角可构建不同结构的光纤阵列，从而实现不同的转动拉曼谱线提取方案。
三、光纤布喇格光栅13性能分析：
光纤布喇格光13在该系统中的主要作用是为由于光栅周期误差导致的进入拉曼通道的杂散光提供2~3个数量级的抑制，并利用其光谱通带较窄的优点来更好的滤除太阳背景噪声，以提供较好的白天遥感能力。由于转动拉曼光谱的平均间隔为0.2248
nm，考虑光纤布喇格光栅13的调整公差，可取光纤布喇格光栅13的3dB带宽为0.05~0.1 nm，中心波长要与对应的转动拉曼谱线相对应。对于弱导光纤，依据耦合模理论可得光纤布喇格光栅的反射率R为
式中，L为光纤光栅的长度，κ为交流耦合系数，σ为交流自耦合系数，sinh(·)和cosh(·)分别为双曲正弦函数和双曲余弦函数。
图5给出了本发明所采用的转动量子J为6对应的光纤布喇格光栅的反射光谱。其布喇格波长为530.5
nm，折射率变化平均值为2×10-4，光栅长度为5 mm，仿真得到的光栅中心波长为530.57 nm，光谱半高带宽为0.075 nm，另外仿真表明，该光纤光栅在米-瑞利散射处的抑制率约为5×10-4。其它谱线对应的光纤光栅除了中心波长不同外，其它性能参数基本相同。
四、信息处理系统5性能参数仿真分析：
由光电检测系统4（图1）中增强型电荷耦合器件（ICCD）检测出的信号送入信息处理系统5进行记录与分析处理。对于通道0（图2中CH0）获得的测量信号，计算机通过反演米散射激光雷达方程，可以求出气溶胶消光系数廓线、后向散射系数廓线和气溶胶光学厚度（现有技术）。而对于其它ICCD像元获得的各转动拉曼信号，信息处理系统5通过求解转动拉曼散射激光雷达方程，可反演出大气温度的高度分布廓线，其具体的大气温度高度分布廓线的反演算法为：各转动拉曼检测ICCD像元输出的回波电信号Pm （z ， T）可表示为
其中，z为探测高度，T为大气温度，Km 为各拉曼通道的系统常数，P0 为激光脉冲平均功率，c为光速，τ为激光脉冲宽度，Ar 为望远镜受光面积，Y(z)为发送与接收的光路重叠系数，N(z)为高度z处的大气分子数密度，Jm 表示拉曼通道信号的转动量子数，σ(Jm , T)为温度T时转动量子数Jm 的转动拉曼信号的散射截面，α(z)为高度z处的大气消光系数。假设各拉曼通道具有相同的系统常数Km ，则各通道高度z处的系统因子F(z)应该相同，可构建匹配误差函数
：
(8)
任意高度za 处可使匹配误差函数Q(za,T)最小，以获得最佳的转动拉曼谱型匹配进而反演出系统因子F(za)和温度廓线函数T(za)，系统因子F(za)可大略反映出匹配算法的稳定性。这样就可反演大气的绝对温度值，而不需其它的温度测量设备进行参数标定。
图6给出了本发明实例中两路典型的拉曼信号仿真结果。仿真的原始数据采用美国标准大气模型和在西安地区利用米散射激光雷达探测的一组气溶胶数据，采样周期为300
ns（探测高度分辨力为45 m），白天工作波长附近的太阳背景光的辐射能量密度为
3×108 Wm-2sr-1nm-1，通过激光雷达方程可得出激光雷达各路拉曼信号及太阳背景光随探测高度的分布情况。由图6可见，本发明分光系统对米-瑞利信号的滤除率达到6~7个数量级，可保证温度探测所需的信噪比，因而可实现低空大气温度探测。
图7给出了本发明的大气绝对温度值及相关参数反演仿真结果。根据9条反斯托克斯分支的转动拉曼通道（图4多模光纤左侧的9个通道）的谱型反演，取测量时间约17分钟，得到大气绝对温度值及相应系统因子随探测高度z的变化曲线。可看出系统因子随高度增加其变化趋势稳定，故可认为模式匹配算法基本稳定，夜晚的温度数据大概位于原始数据的周围，探测高度约5 km，而白天由于仿真中未考虑太阳背景光的非相干性对光纤光栅反射光谱的影响（若考虑通常会引入更少的噪声），故太阳背景噪声的影响较大，探测距离约为2 km，2 km以上温度误差较大，且在5-6km数据出现振荡。
Claims (5)
1.基于光栅技术分光结构的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射系统（1）、接收系统（2）、分光系统（3）、光电检测系统（4）以及信息处理系统（5）；
激光发射系统（1），包括发射脉冲激光束的Nd：YAG脉冲激光器（6）、对脉冲激光进行准直扩束的扩束器（7），还包括多个反射镜（M1、M2、M3），多个反射镜（M1、M2、M3）的设置使准直扩束后的激光垂直射向大气；
接收系统（2），用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光，并将接收到的后向散射光耦合到多模光纤（8），通过多模光纤（8）导入分光系统（3）；
分光系统（3），用于将后向散射光中的转动拉曼散射信号、米－瑞利散射信号和太阳背景噪声进行分离，并滤除米－瑞利散射信号和太阳背景噪声，将转动拉曼散射信号导入光电检测系统（4）；所述分光系统（3）包括正透镜（9）、闪耀光栅（10）、光纤阵列（11）、光纤耦合器（12）和光纤布喇格光栅（13），光纤阵列（11）和闪耀光栅（10）分别位于正透镜（9）的前后两侧，光纤阵列（11）上连接有多根光纤，每根光纤上设置有一光纤耦合器（12），光纤耦合器（12）有三个端口分别为PA、PB和PC，端口PB与光纤布喇格光栅（13）连接；所述正透镜（9）用于将后向散射光准直后照射在闪耀光栅（10）上，闪耀光栅（10）用于反射具有不同衍射角的衍射光，反射的衍射光经正透镜（9）会聚在焦平面上，实现不同波长的光在空间上的第一级分光，滤除了部分米－瑞利散射信号和太阳背景噪声；光纤阵列（11）用于将焦平面上会聚的混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号耦合进光纤中；光纤耦合器（12）的PA端用于接收混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号，光纤耦合器（12）的PB端用于将混有米－瑞利散射信号和太阳背景噪声的转动拉曼散射信号输送至光纤布喇格光栅（13），光纤布喇格光栅（13）用于将米－瑞利散射信号和太阳背景噪声进一步过滤，进行第二级分光，光纤耦合器（12）的PC端用于将滤光后的转动拉曼散射信号输送至光电检测系统（4）；
光电检测系统（4），用于将分离后的转动拉曼散射信号转换为电信号，并输送至信息处理系统（5）；
信息处理系统（5），预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的不同转动量子数的转动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号进行分析处理，得到大气温度气象参数、大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度和大气能见度大气环境参数值。
2.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述大气温度气象参数通过拉曼谱型的绝对温度反演算法得到的。
3.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述闪耀光栅（10）采用1阶次闪耀光栅。
4.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述接收系统（2）为望远镜接收系统。
5.根据权利要求1所述的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述Nd：YAG脉冲激光器（6）发出的波长为532.25nm的脉冲激光束。
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103744087A (zh) * | 2014-01-11 | 2014-04-23 | 桂林理工大学 | 一种脉冲式n×n阵列激光雷达系统 |
| CN104749580A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-01 | 西安理工大学 | 绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法 |
| CN105190288A (zh) * | 2013-03-15 | 2015-12-23 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于在白天有雾时确定视距的方法和设备 |
| CN105784116A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-07-20 | 武汉大学 | 一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统 |
| CN105928618A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-09-07 | 武汉大学 | 一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统 |
| CN106093911A (zh) * | 2016-07-25 | 2016-11-09 | 北京理工大学 | 一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统 |
| CN107688187A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-02-13 | 南京红露麟激光雷达科技有限公司 | 基于空间波长编码的目标探测激光雷达 |
| CN108169767A (zh) * | 2018-01-19 | 2018-06-15 | 西安理工大学 | 一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法 |
| CN112840188A (zh) * | 2018-10-12 | 2021-05-25 | 英弘精机株式会社 | 气象观测用激光雷达 |
| CN113075693A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-07-06 | 田斌 | 一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统 |
| WO2021168832A1 (zh) * | 2020-02-28 | 2021-09-02 | 华为技术有限公司 | 一种激光探测系统及车辆 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19540477A1 (de) * | 1995-10-20 | 1997-04-24 | Matthias Ulbricht | LIDAR-Verfahren zur großräumigen Erfassung von Luftschadstoffen oder atmosphärischen Parametern |
| US5667304A (en) * | 1994-12-15 | 1997-09-16 | The Aerospace Corporation | Mesospheric temperature sensing lidar apparatus |
| CN1541339A (zh) * | 2002-02-21 | 2004-10-27 | Ӣ�뾫����ʽ���� | 气象观测激光雷达系统 |
| CN101105532A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-01-16 | 西安理工大学 | 基于波分复用技术分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统 |
| CN201072457Y (zh) * | 2007-07-23 | 2008-06-11 | 中国计量学院 | No2测污激光雷达光纤－光栅分光光路装置 |
-
2011
- 2011-06-08 CN CN201110152348A patent/CN102323596A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5667304A (en) * | 1994-12-15 | 1997-09-16 | The Aerospace Corporation | Mesospheric temperature sensing lidar apparatus |
| DE19540477A1 (de) * | 1995-10-20 | 1997-04-24 | Matthias Ulbricht | LIDAR-Verfahren zur großräumigen Erfassung von Luftschadstoffen oder atmosphärischen Parametern |
| CN1541339A (zh) * | 2002-02-21 | 2004-10-27 | Ӣ�뾫����ʽ���� | 气象观测激光雷达系统 |
| CN201072457Y (zh) * | 2007-07-23 | 2008-06-11 | 中国计量学院 | No2测污激光雷达光纤－光栅分光光路装置 |
| CN101105532A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-01-16 | 西安理工大学 | 基于波分复用技术分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统 |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105190288A (zh) * | 2013-03-15 | 2015-12-23 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于在白天有雾时确定视距的方法和设备 |
| CN103744087B (zh) * | 2014-01-11 | 2016-03-02 | 桂林理工大学 | 一种脉冲式n×n阵列激光雷达系统 |
| CN103744087A (zh) * | 2014-01-11 | 2014-04-23 | 桂林理工大学 | 一种脉冲式n×n阵列激光雷达系统 |
| CN104749580A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-01 | 西安理工大学 | 绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法 |
| CN105784116B (zh) * | 2016-04-13 | 2017-03-29 | 武汉大学 | 一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统 |
| CN105784116A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-07-20 | 武汉大学 | 一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统 |
| CN105928618A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-09-07 | 武汉大学 | 一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统 |
| CN106093911A (zh) * | 2016-07-25 | 2016-11-09 | 北京理工大学 | 一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统 |
| CN107688187A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-02-13 | 南京红露麟激光雷达科技有限公司 | 基于空间波长编码的目标探测激光雷达 |
| CN107688187B (zh) * | 2017-08-16 | 2021-01-08 | 南京红露麟激光雷达科技有限公司 | 基于空间波长编码的目标探测激光雷达 |
| CN108169767A (zh) * | 2018-01-19 | 2018-06-15 | 西安理工大学 | 一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法 |
| CN108169767B (zh) * | 2018-01-19 | 2021-10-22 | 西安理工大学 | 一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法 |
| CN112840188A (zh) * | 2018-10-12 | 2021-05-25 | 英弘精机株式会社 | 气象观测用激光雷达 |
| WO2021168832A1 (zh) * | 2020-02-28 | 2021-09-02 | 华为技术有限公司 | 一种激光探测系统及车辆 |
| CN113075693A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-07-06 | 田斌 | 一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统 |
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