CN103698313A - 水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，包括小孔光阑、平凹反射镜、平面衍射光栅和矩形反射镜等。该光谱仪可以通过对平凹反射镜、平面衍射光栅和矩形反射镜的角度和位置的调节来实现水汽Raman激光雷达回波信号中氮气和水汽振动拉曼散射信号的高精度提取。本发明不仅结构简单，而且易于调节，可以满足水汽Raman激光雷达系统对大气水汽时空分布的高效率探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，具体是涉及将利用衍射光栅的分光性能，建立水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪装置，实现对水汽Raman激光雷达回波信号的接收。
背景技术
水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分，在天气过程，气候变化，地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。因此，水汽含量的检测对大气环境和人类生产活动都具有十分重要的意义。
Raman激光雷达技术自20世纪60年代发展起来，它具有很高的时空分辨率，并且结构相对简单，成为近年来水汽探测的有效工具之一。该技术利用大气分子如氮气（N2）、水汽（H2O）的拉曼散射效应，根据大气分子与特定散射光强度之间的相互依存特性，从而实现对大气中水汽的探测和研究。国内外许多科研机构对水汽Raman激光雷达技术进行了深入的研究，并取得了一系列的进展。
水汽Raman激光雷达可以用来获得大气中的水汽混合比时空分布廓线、气溶胶消光系数、后向散射系数、激光雷达比等一系列大气参数。对于激光雷达而言，回波信号中包含多个波长信号，因此如何将各个波长的回波信号分离并分别采集成为Raman激光雷达技术的关键。
由于大气分子的Rayleigh-Mie散射信号比Raman散射信号强几个数量级，所以Rayleigh-Mie散射信号对Raman信号的干扰是必须考虑的因素，因此水汽Raman激光雷达系统要求对Rayleigh-Mie散射信号的抑制率高于10-7量级，所以在水汽Raman激光雷达系统中必须使用性能优异的高分辨率的分光系统来分离和提取大气回波中的拉曼散射信号，同时较强得抑制Rayleigh-Mie散射回波的信号。
目前，水汽Raman激光雷达常用的分光系统主要利用滤光片、三棱镜、Fabry-Perot标准具和原子滤波器等。由各种滤波片组成的分光系统应用最为广泛，其主要优点有：结构简单、系统稳定，缺点是滤光片结构难以抑制相近波长间的干扰，因此对于多波长激光雷达，滤光片分光系统透过率较低，同时容易降低回波信号的利用率；三棱镜分光时容易在棱镜侧面上发生全发射现象从而造成较强的杂散光；Fabry-Perot标准具和原子滤波器等分光系统结构比较复杂，通常不用于紫外分光。
所以，提供一种可以在微弱光信号中实现拉曼散射信号的分离和提取的高灵敏度水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪实为必要。
由于进入水汽Raman激光雷达分光系统的米散射以及Raman散射信号波长包括355.0、386.7和407.8nm，同时由于白天太阳背景光也会对回波信号噪声干扰，因此我们需要采用一种合理的分光系统，可以充分抑制太阳背景光的干扰，同时实现对三个波长的回波信号的分光。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是可以在微弱光信号中实现对拉曼散射回波信号的分离和提取，同时可以充分抑制白天探测时强烈的太阳光对水汽Raman激光雷达回波信号的干扰。
本发明技术解决方案：水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，包括：小孔光阑1、平凹反射镜2、平面衍射光栅3和第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5、第三矩形反射镜6。所述小孔光阑1、平凹反射镜2、平面衍射光栅3和第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5、第三矩形反射镜6必须有相同的同心高；所述小孔光阑1限制了Raman水汽激光雷达回波信号光束的孔径；所述平凹反射镜2将从小孔光阑1入射进来的光信号反射到平面衍射光栅3上面，为了提高平面衍射光栅3的利用率，平凹反射镜2反射到平面衍射光栅3上的是一个发散光斑；所述平面衍射光栅3使从平凹反射镜2反射过来光束发生色散，并根据入射光束波长不同（355nm、386.7nm、407.8nm）以不同的方向发射出去；所述的第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5和第三矩形反射镜6分别接收由平面衍射光栅3反射回来的不同波长的光（355nm、386.7nm、407.8nm），分别将它们反射到出光口1、出光口2、出光口3。
所述的小孔光阑1、平凹反射镜2、平面衍射光栅3和第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5、第三矩形反射镜6必须具有相同的同心高。
所述小孔光阑1限制了入射光束的孔径，使之与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的F数相匹配。
所述平凹反射镜2，镜面镀膜，使镜面反射率大于98%，提高入射光束的利用率，同时使光束聚焦在小孔光阑与平凹反射镜之间，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感。可以通过调节平凹反射镜的机械装置来精密调节平凹反射镜的角度和距离小孔光阑的距离，以满足不同实际情况下测量的需要。其角度调节误差小于0.1°。
所述平面衍射光栅3，每微米的光栅条数为5，衍射级数为1，反射的波长范围为200～420nm，光栅的分辨率为0.1nm，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感，同时可以通过调节平面衍射光栅的机械装置来精密调节平面衍射光栅的角度与距平凹反射镜的距离，以满足不同实际情况下测量的需要。其角度调节误差小于0.1°。
所述第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5和第三矩形反射镜6，镜面镀膜，镜面反射率大于98%，使出射光束在出光口处聚焦，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感。同时可以通过调节矩形反射镜的机械装置来精密调节矩形镜的角度和距离平面衍射光栅的距离，以满足不同实际情况下测量的需要。其角度调节误差小于0.1°。
所述出光口1、出光口2和出光口3在一个平面上。
所述小孔光阑1、平凹反射镜2、平面衍射光栅3和第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5、第三矩形反射镜6必须封装在黑色的暗箱之中，使水汽Raman激光雷达紫外分辨率光栅光谱仪不受外界杂散光的干扰。
本发明与现有的水汽Raman雷达分光系统相比的优点在于：
（1）本发明中使用的平面衍射光栅、平凹反射镜和矩形反射镜对温度、湿度、压力等环境变化不敏感，从而大大提高了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的长期稳定性。
（2）本发明的光谱分辨率为0.1nm，具有高光谱分辨率，对波长（355nm、386.7nm和407.8nm）的选择性好，特别适合多波长、多通道光信号探测。
（3）本发明光通量大，效率高，能量损失小，适合微弱信号探测。
（4）本发明带外抑制能力大大增强，抗杂散光干扰，使用于白天强背景噪声下Raman回波信号的探测。
（5）本发明的激光回波信号可通过光纤耦合进入紫外高分辨率光栅光谱仪，相对已有的雷达分光系统，光学设计更为灵活。
附图说明
图1为水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，雷达望远镜接收到的待分离的回波信号经小孔光阑1，入射光束的孔径受到限制，并与光栅光谱仪的F数相匹配；从小孔光阑1出射的光束水平入射到平凹反射镜2，平凹反射镜2将光束反射到平面衍射光栅3，在平面衍射光栅3上形成一个发散的光斑（提高光栅的利用效率），入射到平面衍射光栅3的光束将发生衍射色散。光束衍射时，遵循光栅方程：dsinθ＝kλ（k＝0,±1,±2...），式中d为光栅常数，λ为入射波长，k为衍射级次，θ为衍射角。由衍射方程可知，当光栅常数d一定时，衍射角随入射波长的不同而不同。当平凹反射镜2反射回来的含有多种波长成分（355nm、386.7nm和407.8nm）的复合光入射到平面衍射光栅3表面时，平面衍射光栅3根据光栅方程将入射光以不同的衍射角反射出去。依次调节第一矩形反射镜4、第二矩形反射镜5和第三矩形反射镜6的机械装置，使之分别接收来自不同角度的光束，其中，第一矩形反射镜4接收355nm的光束，将其反射到出光口1，光束焦点会聚到出光口1；第二矩形反射镜5接收386.7nm的光束，将其反射到出光口2，光束焦点会聚到出光2；第三矩形反射镜6接收407.8nm的光束，将其反射到出光口3，光束焦点会聚到出光口3。然后利用出光口1、出光口2和出光口3处安装的光电倍增管分别探测出355nm、386.7nm和407.8nm回波信号的信号强度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (8)
1.一种水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于包括：小孔光阑（1）、平凹反射镜（2）、平面衍射光栅（3）和第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）、第三矩形反射镜（6）；所述小孔光阑（1）、平凹反射镜（2）、平面衍射光栅（3）和第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）、第三矩形反射镜（6）必须有相同的同心高；所述小孔光阑（1）限制了Raman水汽激光雷达回波信号光束的孔径；所述平凹反射镜（2）将从小孔光阑（1）入射进来的光信号反射到平面衍射光栅（3）上面，为了提高平面衍射光栅（3）的利用率，平凹反射镜（2）反射到平面衍射光栅（3）上的是一个发散光斑；所述平面衍射光栅（3）使从平凹反射镜（2）反射回来的含有多种波长(355nm、387.6nm和408.7nm)的复合光束发生色散，并根据入射光束波长不同以不同的角度反射出去；所述的第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）和第三矩形反射镜（6）分别接收由平面衍射光栅（3）反射回来的不同波长的光，分别将它们反射到出光口1、出光口2、出光口3。
2.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述小孔光阑（1）、平凹反射镜（2）、平面衍射光栅（3）和第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）、第三矩形反射镜（6）具有相同的同心高。
3.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述小孔光阑（1）限制了入射光束的孔径，使之与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的F数相匹配。
4.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述平凹反射镜，镜面镀膜，使镜面反射率大于98%，提高入射光束的利用率，使光束聚焦在小孔光阑与平凹反射镜之间，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感；同时可以通过调节平凹反射镜的机械装置来精密调节平凹反射镜的角度和与小孔光阑的距离，以满足不同实际情况下测量的需要，角度调节误差小于0.1°。
5.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述平面衍射光栅每微米的光栅条数为5，衍射级数为1，反射的波长范围为200～420nm，光栅的分辨率为0.1nm，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感。同时可以通过调节平面衍射光栅的机械装置精密来调节平面衍射光栅的角度与距平凹反射镜的距离，以满足不同实际情况下测量的需要，角度调节误差小于0.1°。
6.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）和第三矩形反射镜（6）的镜面镀膜，镜面反射率大于98%，使出射光束在出光口处聚焦，同时可以通过调节矩形反射镜的机械装置来精密调节矩形镜的角度和距离平面衍射光栅的距离，以满足不同实际情况下测量的需要，且其特性对温度、湿度、压力等环境变化不敏感。其角度调节误差小于0.1°。
7.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述出光口1、出光口2和出光口3在一个平面上。
8.根据权利要求1所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述小孔光阑（1）、平凹反射镜（2）、平面衍射光栅（3）和第一矩形反射镜（4）、第二矩形反射镜（5）和第三矩形反射镜（6）封装在黑色的暗箱之中，使水汽Raman激光雷达紫外分辨率光栅光谱仪不受外界杂散光的干扰。
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