CN103712971A - 水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置及方法 - 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的标定装置及方法，其光路装置包括：激光器光源，两个45°全反射镜，拉曼管，两个同焦距聚焦透镜和一个特定焦距的聚焦透镜，水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪等，该装置和方法可以通过对拉曼管激发的N2和H2O信号对水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪进行标定，克服了现有水汽Raman激光雷达分光系统标定技术的不足。本发明缩短了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定光路的长度，降低了标定的难度,提高了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种水汽Raman激光雷达紫外光栅光谱仪标定装置及方法，具体涉及激光雷达回波信号分光系统标定方法，通过对水汽Raman激光雷达紫外光栅光谱仪的调节，实现对大气中水汽含量的探测。
背景技术
水汽是水在大气中的气态形式，它在大气中的含量很小，但却是大气中最活跃的成分，因为水汽时大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分，所以它在天气过程，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。目前主要能够实现水汽立体观测的仪器主要有三种，气象探空，微波辐射计，水汽Raman激光雷达。
探空气球是目前最常用的方法，其中五九型转筒式电码探空仪（GZZ2型探空仪）是我国高空气象观测中使用的常规探空仪。这种探空仪发射机的频率一种为24.5MHz，另一种是400MHz。它通常由气球携带升入空中，将感应到的气象要素值转变为无线电信号，不断地向地面发送。地面上的接收设备将信号收录、处理，从而取得温、压、湿垂直分布的探测结果。这种观测方法的缺点很明显，探空气球会受到使用时间和空间的限制，是一次性的观测手段，受气象条件、航空管制、人为因素的影响比较大，无法实现对水汽连续观测自动。
微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，它主要是用天线来被动的接收天空一定频率的微波辐射，然后根据天线接收到的能量得到天空的亮度温度。将微波辐射计进行扫角观测，仰角由0°到90°之间变化，就可以观测到大气的亮度温度，通过一系列微波辐射计观测到的大气亮度温度Tb的值，将比湿随亮度分布反演出来。因此利用微波辐射计可以测得水汽随高度分布的廓线。微波辐射计在0-1.2km的距离分辨率为50m，1.2-10km的距离分辨率为50-2500m，此外微波辐射计成本比较高，观测参数单一，主要的缺点是水汽测的误差非常大，容易受到天气的影响。
水汽Raman激光雷达是是进行水汽探测的最有效工具之一，它具有很高的时间和空间分辨率，而且结构相对简单。自从20世纪六七十年代，国内外许多研究机构都在进行这方面的研究。
为了提高水汽Raman激光雷达的探测精度，必须在雷达系统构建完成之前，对水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪进行标定，确定光谱仪各光学元件的具体位置和精确角度。目前已有的标定技术基本上都是采用光学软件进行模拟确定光学元件的位置和角度,但一般与实际情况有一定的差距，进而会影响水汽廓线检测的精度。
发明内容
本发明技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置及方法，缩短了水汽Raman激光雷达光谱仪标定光路的长度，降低了标定的难度,提高了光谱仪标定的准确性。
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标定装置和方法，其特征在于包括：激光光源（1）、第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）。所述激光光源（1）发出355nm激光经第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）折返后入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口中心，入射光束与拉曼管中的H2O或N2相互作用，产生H2O或N2拉曼散射光从拉曼管（5）的出射窗口出来，经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）与水汽Raman紫外光栅光谱仪（8）的F数相匹配，最后进入光栅光谱仪（8）。
所述激光器光源（1）中心波长为355nm,工作波长稳定，波长随温度波动产生漂移小于0.05pm/℃。
所述激光器光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高；。
所述第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）对355nm光信号具有全反射性，对532nm的光信号具有全透过性，并且调整架调谐精度高，旋钮调整1°，光束指向性调整0.02mrad。
所述第一聚焦透镜（4）和第二聚焦透镜（6）焦距必须相同，构成共焦系统。
所述拉曼管（5）的窗口镜片为特质的镀膜石英片，入射端窗口镜片镀膜提高355nm激光的透过率，出射端窗口镜片镀膜减小355nm激光的透过率；必须选择合适的长度(10～30cm)，保证可以产生H2O拉曼信号，同时不会因为拉曼管过长而造成拉曼管内H2O对H2O拉曼信号的吸收。
所述拉曼管（5）上装有液压表和气阀，可以实时监视和控制拉曼管内气体的压强，从而调节产生拉曼信号所需的激光器脉冲能量。
所述的水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置和方法，其特征在于：所述第三聚焦透镜（7）必须选择合适的焦距，使从拉曼管（5）出射的拉曼光，经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的F数相匹配；
所述水汽Raman激光雷达光谱仪标定方法，实现步骤如下：
如图1所示，通过激光雷达光源（1）（出射355.0nm激光）激发拉曼管（5）中的气体，出射的拉曼光作为光谱仪（8）的入射信号光源。
a.标定H2O拉曼通道和Rayleigh‐Mie散射信号通道
拉曼管（5）中充满去离子水，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光经第一45°全反射镜和第二45°全反射镜折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的水分子，获得中心波长为407.8nm的拉曼光，这与大气回波水汽拉曼信号的中心波长一致，因此可以用它代替大气中的水汽回波信号。同时，拉曼光出射的光束还包括剩余的355.0nm的光，可以用它标定Rayleigh‐Mie散射信号通道。拉曼管（5）出射的H2O拉曼光经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的F数相匹配，进入光谱仪（8）。我们通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的平凹反射镜（10）、平面衍射光栅（11）和第三矩形反射镜（14）的角度和位置，使H2O拉曼光从出光口3中心发射出去，然后调节光谱仪8中第一矩形反射镜（12）的位置，使Rayleigh‐Mie散射信号从出光口1中心发射出去。
在该过程中，确定了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中平凹反射镜（10）、第一矩形反射镜（12）、第三矩形反射镜（14）和平面衍射光栅（11）的位置和角度，在后面对N2拉曼通道的定标过程中，不能再调节这些光学元件的位置和角度。
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高。
b.标定N2拉曼通道
拉曼管（5）中充满N2，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光激发经第一45°全反射镜和第二45°全反射镜折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的N2分子，获得中心波长为386.7nm的拉曼光，这与大气回波N2拉曼信号的中心波长一致，因此可以用它来代替大气中的N2回波信号。拉曼管（5）出射的N2拉曼光经第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（5）的F数相匹配，进入光谱仪（8）。通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的第二矩形反射镜（13），使N2拉曼光从出光口2中心发射出去。
在标定N2拉曼通道时，光谱仪前置光路应保持不变。
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高。
c.在标定三个通道时，光谱仪的光轴与前置光路的光轴应重合，不能有夹角。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明缩短了水汽Raman激光雷达专用光谱仪标定光路的长度，降低了标定的难度,提高了光谱仪标定的准确性。
（2）本发明中的拉曼管前后光路上的两个聚焦透镜与匹配后续光谱仪F数的焦距透镜的配套使用，大大缩短了拉曼管的光路长度，例如在拉曼管前后光路的聚焦透镜的焦距为55cm时，拉曼管的长度只需10cm，整个定标光路（激光器除外）只有110cm。
（3）拉曼管前后光路上聚焦透镜与匹配后续光谱仪F数的焦距透镜的配套使用，可以通过调整聚焦透镜以及拉曼管的位置进一步缩短定标光路的长度。
（4）拉曼管长度的缩短，在光谱仪的定标过程中，大大提高了H2O拉曼信号的强度，从而降低了光谱仪定标的难度，并且提高了定标的精确性。
附图说明
图1为本发明水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置的光路图；
图2为水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的平面结构图；
图3为本发明标定方法的实现流程图。
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、2所示，水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置和方法包括激光光源（1）、第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜(6)、第三聚焦透镜(7)、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)。激光光源(1)发出355nm激光经第一45°全反射镜(2)、第二45°全反射镜(3)折返后入射到第一聚焦透镜(4)，然后入射到拉曼管(5)入射端窗口中心，入射光束与拉曼管中的H2O或N2相互作用，产生H2O或N2拉曼散射光从拉曼管(5)的出射窗口出来，经第二聚焦透镜(6)和第三聚焦透镜(7)与水汽Raman紫外光栅光谱仪(8)的F数相匹配，最后进入光栅光谱仪(8)。
如图1、2、3所示，通过激光雷达光源(1)出射355.0nm激光激发拉曼管(5)中的气体，出射的拉曼光作为光谱仪(8)的入射信号光源。
a.标定H2O拉曼通道和Rayleigh‐Mie散射信号通道
拉曼管(5)中充满去离子水，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光经第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的水分子，获得中心波长为407.8nm的拉曼光，这与大气回波水汽拉曼信号的中心波长一致，因此可以用它代替大气中的水汽回波信号。同时，拉曼光出射的光束还包括剩余的355.0nm的光，可以用它标定Rayleigh‐Mie散射信号通道。拉曼管（5）出射的H2O拉曼光经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的F数相匹配，进入光谱仪（8）。本发明通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的平凹反射镜（10）、平面衍射光栅（11）和第三矩形反射镜（14）的角度和位置，使H2O拉曼光从出光口3中心发射出去，然后调节光谱仪（8）中第一矩形反射镜（12）的位置，使Rayleigh‐Mie散射信号从出光口1中心发射出去。
在该过程中，确定了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中平凹反射镜（10）、第一矩形反射镜（12）、第三矩形反射镜（14）和平面衍射光栅（11）的位置和角度，在后面对N2拉曼通道的定标过程中，不能再调节这些光学元件的位置和角度。
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的光束入射孔具有相同的同心高。
b.标定N2拉曼通道
拉曼管（5）中充满N2，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光激发经第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的N2分子，获得中心波长为386.7nm的拉曼光，这与大气回波N2拉曼信号的中心波长一致，因此可以用它来代替大气中的N2回波信号。拉曼管（5）出射的N2拉曼光经第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（5）的F数相匹配，进入光谱仪（8）。通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的第二矩形反射镜（13），使N2拉曼光从出光口2中心发射出去。
在标定N2拉曼通道时，光谱仪前置光路应保持不变。
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的光束入射孔具有相同的同心高。
c.在标定三个通道时，光谱仪的光轴与前置光路的光轴应重合，不能有夹角。
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 (9)
1.水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪标定装置，其特征在于包括：激光光源（1）、第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）。所述激光光源（1）发出355nm激光经第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）折返后入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口中心，入射光束与拉曼管中的H2O或N2相互作用，产生H2O或N2拉曼散射光从拉曼管（5）的出射窗口出来，经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）与水汽Raman紫外光栅光谱仪（8）的F数相匹配，最后进入光栅光谱仪（8）。
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标定装置，其特征在于：所述激光器光源（1）中心波长为355nm,工作波长稳定，波长随温度波动产生漂移小于0.05pm/℃。
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标定装置，其特征在于：所述激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高。
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标定装置，其特征在于：所述第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）对355nm光信号具有全反射性，对532nm的光信号具有全透过性，并且调整架调谐精度高，旋钮调整1°，光束指向性调整0.02mrad。
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标定装置，其特征在于：所述第一聚焦透镜（4）和第二聚焦透镜（6）焦距相同，构成共焦系统。
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标定装置，其特征在于：所述拉曼管（5）的窗口镜片为特质的镀膜石英片，入射端窗口镜片镀膜提高355nm激光的透过率，出射端窗口镜片镀膜减小355nm激光的透过率；选择合适的长度10-30cm，保证可以产生H2O拉曼信号，同时不会因为拉曼管过长而造成拉曼管内H2O对H2O拉曼信号的吸收。
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标定装置，其特征在于：所述拉曼管（5）上装有液压表和气阀，可以实时监视和控制拉曼管内气体的压强，从而调节产生拉曼信号所需的激光器脉冲能量。
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标定装置，其特征在于：所述第三聚焦透镜（7）的必须使从拉曼管（5）出射的拉曼光，经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪的F数相匹配。
9.一种水汽Raman激光雷达光谱仪标定方法，其特征在于实现步骤如下：
通过激光雷达光源（1）出射355.0nm激光激发拉曼管（5）中的气体，出射的拉曼光作为光谱仪（8）的入射信号光源；
a.标定H2O拉曼通道和Rayleigh‐Mie散射信号通道
拉曼管（5）中充满去离子水，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光经第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的水分子，获得中心波长为407.8nm的拉曼光，这与大气回波水汽拉曼信号的中心波长一致，因此用它代替大气中的水汽回波信号；同时，拉曼光出射的光束还包括剩余的355.0nm的光，可以用它标定Rayleigh‐Mie散射信号通道；拉曼管（5）出射的H2O拉曼光经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的F数相匹配，进入光谱仪（8），通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的平凹反射镜（10）、平面衍射光栅（11）和第三矩形反射镜（14）的角度和位置，使H2O拉曼光从出光口3中心发射出去，然后调节光谱仪8中第一矩形反射镜（12）的位置，使Rayleigh‐Mie散射信号从出光口1中心发射出去；
在该过程中，确定了水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中平凹反射镜（10）、第一矩形反射镜（12）、第三矩形反射镜（14）和平面衍射光栅（11）的位置和角度，在后面对N2拉曼通道的定标过程中，不能再调节这些光学元件的位置和角度；
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高；
b.标定N2拉曼通道
拉曼管（5）中充满N2，激光雷达光源（1）出射的355.0nm激光激发经第一45°全反射镜（2）和第二45°全反射镜（3）折返后，入射到第一聚焦透镜（4），然后入射到拉曼管（5）入射端窗口的中心，激发拉曼管（5）中的N2分子，获得中心波长为386.7nm的拉曼光，这与大气回波N2拉曼信号的中心波长一致，因此用它来代替大气中的N2回波信号；拉曼管（5）出射的N2拉曼光经第二聚焦透镜（6）和第三聚焦透镜（7）后，与水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪（8）的F数相匹配，进入光谱仪（8），通过调节水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪中的第二矩形反射镜（13），使N2拉曼光从出光口2中心发射出去；
在标定N2拉曼通道时，光谱仪前置光路应保持不变；
在标定过程中，需要保证激光光源（1）和第一45°全反射镜（2）、第二45°全反射镜（3）、第一聚焦透镜（4）、拉曼管（5）、第二聚焦透镜（6）、第三聚焦透镜（7）、水汽Raman激光雷达紫外高分辨率光栅光谱仪(8)的光束入射孔具有相同的同心高；
c.在标定三个通道时，光谱仪的光轴与前置光路的光轴应重合，不能有夹角。
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