CN104749580B - 绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法，包括依次连接的系统控制平台、脉冲激光器、准直扩束系统，沿准直扩束系统的光路出射方向依次设有分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，经分光镜反射的部分光束射向光电检测器，系统控制平台还分别与放大电路、数据处理平台及光电检测器连接，数据处理平台还依次连接放大电路、光电探测系统、拉曼谱型光谱分光系统，拉曼谱型光谱分光系统通过多模光纤与高效耦合器连接，高效耦合器用于接收大口径望远镜收集的散射光。解决了现有拉曼激光雷达系统对大气温度检测时需要并行测量设备进行数据校正的局限性。

Description

绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法

技术领域

本发明属于激光主动遥感探测技术领域，涉及一种绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，还涉及利用上述转动拉曼激光雷达系统绝对探测大气温度的方法。

背景技术

大气温度是大气状态的重要指标，近二十年来，拉曼激光雷达作为一种主动遥感探测技术得到了迅速发展和应用，其探测原理依赖于大气分子转动拉曼散射谱遵循含温度信息的波尔兹曼分布，故其探测不受气溶胶消光影响，在气溶胶粒子丰富的低空可获得较高的探测精度。

然而，现有拉曼激光雷达探测大气温度技术都采用相对探测技术，需要进行多种对比实验和数据校正。它们都采用两路温度敏感性相反的转动拉曼信号之比R(T，z)反演大气温度廓线T(z)，即

其中，P_H(z)和P_L(z)分别为高低转动量子数的拉曼信号，A，B和C则是需要校正的反演系数。因此现有相对测量大气温度的拉曼激光雷达系统，都需要无线电探空仪等传统温度测量设备进行数据校正，这不利于转动拉曼激光雷达作为独立仪器进行大气温度探测。

同时，无线电探空仪等并行校正设备通常需要在转动拉曼激光雷达附近发射，由于大气状态是随机变化的物理过程，通常认为是不可再现的，这增加了激光雷达系统高精度校正的实现难度。另外，大气湍流、风等易使无线电探空仪偏离设定路径，故其探测路径和时间与激光雷达的不一致性极易引入校正的系统误差，降低激光雷达探测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，解决了现有拉曼激光雷达系统对大气温度检测时需要并行测量设备进行数据校正的局限性。

本发明的另一目的是提供利用上述转动拉曼激光雷达系统绝对探测大气温度的方法。

本发明所采用的第一技术方案是，绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，包括依次连接的系统控制平台、脉冲激光器、准直扩束系统，沿准直扩束系统的光路出射方向依次设有分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，经分光镜反射的部分光束射向光电检测器，系统控制平台还分别与放大电路、数据处理平台及光电检测器连接，数据处理平台还依次连接放大电路、光电探测系统、拉曼谱型光谱分光系统，拉曼谱型光谱分光系统通过多模光纤与高效耦合器连接，高效耦合器用于接收大口径望远镜收集的散射光。

本发明第一技术方案的特点还在于，

其中系统控制平台通过第一连接电缆与光电检测器连接；系统控制平台通过第四连接电缆与放大电路连接；系统控制平台通过第五连接电缆与数据处理平台连接，数据处理平台通过第三连接电缆与所述放大电路连接，放大电路通过第二连接线缆与光电探测系统连接，光电探测系统通过六条单模光纤与所述拉曼谱型光谱分光系统连接。

其中第一反射镜与第二反射镜在竖直方向上平行放置，第二反射镜与第三反射镜在水平方向上平行放置，第三反射镜位于大口径望远镜的筒口处。

其中拉曼谱型光谱分光系统包括光纤线阵列、准直凸透镜及衍射闪耀光栅，光纤线阵列位于准直凸透镜左侧的焦平面处，光纤线阵列并行输出六路转动拉曼信号通道，六路转动拉曼信号通道分别为第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第四连接光纤、第五连接光纤、第六连接光纤，多模光纤接在光纤线阵列上，多模光纤的输出端端面位于准直凸透镜的焦点处，衍射闪耀光栅位于准直凸透镜的右侧，衍射闪耀光栅的光栅刻线数为1200grooves/mm，刻划面积为50mm×50mm，光栅闪耀角为17°27′，光栅闪耀阶次为第一级。

其中第一连接光纤通过第一光纤耦合器与通道一输出光纤的一端耦合，通道一输出光纤的另一端与单模光纤连接，第一光纤耦合器上还并行设置有第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅；

其中第二连接光纤通过第二光纤耦合器与通道二输出光纤的一端耦合，通道二输出光纤的另一端与单模光纤连接，第二光纤耦合器上还并行设置有第三光纤布拉格光栅与第四光纤布拉格光栅；

其中第三连接光纤通过第三光纤耦合器与通道三输出光纤的一端耦合，通道三输出光纤的另一端与单模光纤连接，第三光纤耦合器上还并行设置有第五光纤布拉格光栅与第六光纤布拉格光栅；

其中第四连接光纤通过第四光纤耦合器与通道四输出光纤的一端耦合，通道四输出光纤的另一端与单模光纤连接，第四光纤耦合器上还并行设置有第七光纤布拉格光栅与第八光纤布拉格光栅；

其中第五连接光纤通过第五光纤耦合器与通道五输出光纤的一端耦合，通道五输出光纤的另一端与单模光纤连接，第五光纤耦合器上还并行设置有第九光纤布拉格光栅与第十光纤布拉格光栅；

其中第六连接光纤通过第六光纤耦合器与通道六输出光纤的一端耦合，通道六输出光纤的另一端与单模光纤连接，第六光纤耦合器上还并行设置有第十一光纤布拉格光栅与第十二光纤布拉格光栅。

其中单模光纤、第一连接光纤、通道一输出光纤、第二连接光纤、通道二输出光纤、第三连接光纤、通道三输出光纤、第四连接光纤、通道四输出光纤、第五连接光纤、通道五输出光纤、第六连接光纤及通道六输出光纤的芯径均为3.5μm，数值孔径均为0.13；

其中通道一输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₁＝531.01nm；其中通道二输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₂＝530.11nm；其中通道三输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₃＝529.66nm；其中通道四输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₄＝528.76nm；其中通道五输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₅＝527.86nm；其中通道六输出光纤输出的转动拉曼信号的波长为λ₆＝527.42nm；

其中通道一输出光纤、通道二输出光纤、通道三输出光纤、通道四输出光纤、通道五输出光纤及通道六输出光纤的带宽容限均为±0.08nm。

其中第一连接光纤的信号输入端面为通道一光纤端面，通道一光纤端面距准直凸透镜焦点的距离为149μm；其中第二连接光纤的信号输入端面为通道二光纤端面，通道二光纤端面距准直凸透镜焦点的距离为377μm；其中第三连接光纤的信号输入端面为通道三光纤端面，通道三光纤端面距准直凸透镜焦点的距离为491μm；其中第四连接光纤的信号输入端面为通道四光纤端面，通道四光纤端面距准直凸透镜焦点的距离为718μm；其中第五连接光纤的信号输入端面为通道五光纤端面，通道五光纤端面距准直凸透镜焦点的距离为945μm；其中第六连接光纤的信号输入端面为通道六光纤端面，通道六光纤端面距所述准直凸透镜焦点的距离为1058μm。

其中多模光纤的芯径为0.1mm，数值孔径为0.22。

其中第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器和第六光纤耦合器的耦合比均为50:50，中心波长均为530nm，带宽均为10nm。

本发明的第二技术方案为，利用上述转动拉曼激光雷达系统绝对探测大气温度的方法，包括以下步骤：

步骤1：将均匀功率谱密度的宽谱光源接入多模光纤，通过数据处理平台测量六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度K_m(其中，m为转动拉曼通道，m＝1，2，3，4，5，6)；

步骤2：将激光雷达回波信号接入多模光纤，由光电检测器实时监测激光脉冲发射时刻，数据处理平台同步测量六路转动拉曼信号通道的输出信号功率为P_m(z，T)；

步骤3：采用步骤1得到的六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度K_m(m＝1，2，3，4，5，6)归一化处理步骤2得到的输出信号功率P_m(z，T)，即得到归一化后的六路转动拉曼信号功率为P′_m(z，T)

步骤4：由转动拉曼激光雷达方程可知，各通道转动拉曼信号的功率为

其中，z为探测高度，T为大气温度，K为拉曼激光雷达的系统常数，P₀为激光脉冲平均功率，c为光速，τ为激光脉冲宽度，A_r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，J_n表示拉曼通道m对应的转动量子数，σ′_m(J_n，T)为温度T时转动量子数J_n的转动拉曼信号的散射截面积，α(z)为高度z处的大气消光系数；

令系统因子F(z)为

将公式(3)代入公式(2)中，整理得到

由公式(1)知，步骤(2)中的P_m(z，T)与P′_m(z，T)之间存在系数K_m，

因此由公式(4)得

步骤5：利用最小二乘原理，将步骤4中算得的转动拉曼散射截面积σ′_m(J_n，T)与理想的转动拉曼散射截面积σ_m(J_n，T)进行匹配，令高度为z_a处的温度T(z_a)和系统因子F(z_a)分别表示为T_a和F_a，构建匹配误差函数E(T_a，F_a)为

步骤6：将高度z_a下的温度T_a、系统因子F_a代入公式(5)中，得到

步骤7：将步骤6中的公式(7)代入步骤5中的公式(6)中，得到

对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的温度T_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一；对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的系统因子F_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二；将得到的含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一与含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二联立方程组求解，得出系统因子F_a与温度T_a；

由于高度z_a的任意性，因此直接反演得到任意高度z处的大气温度T(z)，实现对大气温度的绝对探测。

本发明的有益效果是，本发明提出的绝对探测大气温度的拉曼激光雷达系统可实现免校正的激光雷达大气温度遥感探测，可直接反演大气温度高度分布廓线，实现大气温度的绝对探测，而不需其它的并行温度测量设备，进行参数标定。

附图说明

图1是本发明绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统的结构示意图；

图2是图1中拉曼谱型光谱分光系统的内部结构示意图；

图3是本发明绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统中光纤线阵列与氮气分子拉曼谱的匹配示意图。

图中，1.系统控制平台、2.脉冲激光器、3.准直扩束系统、4.分光镜、5.光电检测器、6.第一连接电缆、7.第一反射镜、8.第二反射镜、9.第三反射镜、10.脉冲激光束、11.大口径望远镜、12.高效耦合器、13.多模光纤、14.拉曼谱型光谱分光系统、15.单模光纤、16.光电探测系统、17.第二连接电缆、18.放大电路、19.第三连接电缆、20.第四连接电缆、21.数据处理平台、22.第五连接电缆、23.光纤线阵列、24.准直凸透镜、25.衍射闪耀光栅、26.第一连接光纤、27.第一光纤耦合器、28.第一光纤布拉格光栅、29.第二光纤布拉格光栅、30.通道一输出光纤、31.第二连接光纤、32.第二光纤耦合器、33.第三光纤布拉格光栅、34.第四光纤布拉格光栅、35.通道二输出光纤、36.第三连接光纤、37.第三光纤耦合器、38.第五光纤布拉格光栅、39.第六光纤布拉格光栅、40.通道三输出光纤、41.第四连接光纤、42.第四光纤耦合器、43.第七光纤布拉格光栅、44.第八光纤布拉格光栅、45.通道四输出光纤、46.第五连接光纤、47.第五光纤耦合器、48.第九光纤布拉格光栅、49.第十光纤布拉格光栅、50.通道五输出光纤、51.第六连接光纤、52.第六光纤耦合器、53.第十一光纤布拉格光栅、54.第十二光纤布拉格光栅、55.通道六输出光纤、56.弹性散射信号位置、57.多模光纤端面、58.通道一光纤端面、59.拉曼谱线A位置、60.通道二光纤端面、61.通道三光纤端面、62.拉曼谱线B位置、63.通道四光纤端面、64.拉曼谱线C位置、65.通道五光纤端面、66.通道六光纤端面。

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。

本发明绝对测量大气温度的转动拉曼激光雷达系统，结构如图1所示，包括依次连接的系统控制平台1、脉冲激光器2、准直扩束系统3、分光镜4、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9，系统控制平台1还通过第一连接电缆6与光电检测器5连接，系统控制平台1通过第四连接电缆20与放大电路18连接，系统控制平台1通过第五连接电缆22与数据处理平台21连接，数据处理平台21通过第三连接电缆19与放大电路18连接，放大电路18通过第二连接线缆17与光电探测系统16连接，光电探测系统16通过单模光纤15与拉曼谱型光谱分光系统14连接，拉曼谱型光谱分光系统14通过多模光纤13与高效耦合器12连接，高效耦合器12用于接收大口径望远镜11接收的散射光。

光电检测器5还与分光镜4连接。

第一反射镜7与第二反射镜8在竖直方向上平行放置，第二反射镜8与第三反射镜9在水平方向上平行放置。第三反射镜9位于大口径望远镜11的筒口处。

拉曼谱型光谱分光系统14的内部结构如图2所示，包括光纤线阵列23、准直凸透镜24及衍射闪耀光栅25，光纤线阵列23、准直凸透镜24及衍射闪耀光栅25在水平方向上依次间隔设置，光纤线阵列23并行输出六路信号通道，六路信号通道分别为第一连接光纤26、第二连接光纤31、第三连接光纤36、第四连接光纤41、第五连接光纤46、第六连接光纤51。

第一连接光纤26通过第一光纤耦合器27与通道一输出光纤30的一端耦合，通道一输出光纤30的另一端与单模光纤15连接，第一光纤耦合器27上还并行设置有第一光纤布拉格光栅28与第二光纤布拉格光栅29。

第二连接光纤31通过第二光纤耦合器32与通道二输出光纤35的一端耦合，通道二输出光纤35的另一端与单模光纤15连接，第二光纤耦合器32上还并行设置有第三光纤布拉格光栅33与第四光纤布拉格光栅34。

第三连接光纤36通过第三光纤耦合器37与通道三输出光纤40的一端耦合，通道三输出光纤40的另一端与单模光纤15连接，第三光纤耦合器37上还并行设置有第五光纤布拉格光栅38与第六光纤布拉格光栅39。

第四连接光纤41通过第四光纤耦合器42与通道四输出光纤45的一端耦合，通道四输出光纤45的另一端与单模光纤15连接，第四光纤耦合器42上还并行设置有第七光纤布拉格光栅43与第八光纤布拉格光栅44。

第五连接光纤46通过第五光纤耦合器47与通道五输出光纤50的一端耦合，通道五输出光纤50的另一端与单模光纤15连接，第五光纤耦合器47上还并行设置有第九光纤布拉格光栅48与第十光纤布拉格光栅49。

第六连接光纤51通过第六光纤耦合器52与通道六输出光纤55的一端耦合，通道六输出光纤55的另一端与单模光纤15连接，第六光纤耦合器52上还并行设置有第十一光纤布拉格光栅53与第十二光纤布拉格光栅54。

多模光纤13接在光纤线阵列23上。

多模光纤13的芯径为0.1mm，数值孔径为0.22；单模光纤15、第一连接光纤26、通道一输出光纤30、第二连接光纤31、通道二输出光纤35、第三连接光纤36、通道三输出光纤40、第四连接光纤41、通道四输出光纤45、第五连接光纤46、通道五输出光纤50、第六连接光纤51和通道六输出光纤55的芯径均为3.5μm，数值孔径为0.13；准直凸透镜24的焦距为200mm，直径为50.8mm。

拉曼谱型光谱分光系统14并行输出六个通道的转动拉曼信号，其中心波长分别为λ₁＝531.01nm、λ₂＝530.11nm、λ₃＝529.66nm、λ₄＝528.76nm、λ₅＝527.86nm和λ₆＝527.42nm，对应的输出光纤分别为通道一输出光纤30、通道二输出光纤35、通道三输出光纤40、通道四输出光纤45、通道五输出光纤50和通道六输出光纤55，各通道带宽容限为±0.08nm。

第一光纤耦合器27、第二光纤耦合器32、第三光纤耦合器37、第四光纤耦合器42、第五光纤耦合器47和第六光纤耦合器52的耦合比为50:50，中心波长为530nm，带宽为10nm；衍射闪耀光栅25的光栅刻线数为1200grooves/mm，刻划面积为50mm×50mm，光栅闪耀角为17°27′，光栅闪耀阶次为第一级。

光纤线阵列23位于准直凸透镜24的焦平面处，多模光纤13的输出端位于准直凸透镜24的焦点处。

如图3所示，多模光纤13的输出端对应的端面为多模光纤端面57，第一连接光纤26对应的端面为通道一光纤端面58，第二连接光纤31对应的端面为通道二光纤端面60，第三连接光纤36对应的端面为通道三光纤端面61，第四连接光纤41对应的端面为通道四光纤端面63，第五连接光纤46对应的端面为通道五光纤端面65，第六连接光纤51对应的端面为通道六光纤端面66。通道一光纤端面58、通道二光纤端面60、通道三光纤端面61、通道四光纤端面63、通道五光纤端面65和通道六光纤端面66位于准直凸透镜24焦点的左边，距焦点的距离分别为149μm、377μm、491μm、718μm、945μm和1058μm，弹性散射信号位置56位于准直凸透镜24焦点的右边165μm处。

当发射激光束在大气中传播时，与大气中的氮气分子相互作用产生拉曼散射，考虑到低层大气温度的变化范围为200K～300K，图3给出了温度T＝200K和T＝300K的不同转动量子数的拉曼散射截面。

拉曼谱线A位置59、拉曼谱线B位置62和拉曼谱线C位置64处的氮气分子转动拉曼谱线，由于与氧气分子的转动拉曼谱线光谱间隔太小，导致拉曼谱型光谱分光系统14不能实现有效光谱分离，因此不能用于大气温度绝对测量。

本发明绝对测量大气温度的转动拉曼激光雷达系统的工作原理为，系统控制平台1监控脉冲激光器2的工作状态，脉冲激光器2发射激光的波长为532.25nm，脉冲能量为300mJ，脉冲宽度为8ns，脉冲重复率为20Hz，光束直径为9mm，发散角为5mrad，该激光束经过准直扩束系统3扩束后，形成光束直径为45mm，发散角为1mrad的激光束，依次经过分光镜4、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9后发出射向大气的脉冲激光束10；第二反射镜8可调整激光束方向，实现脉冲激光束10与大口径望远镜11的光轴平行；激光束小部分能量由分光镜4反射，射向光电检测器5，实现光电转换，实时监测激光脉冲发射时刻，光电检测器5将监测到的信号返回系统控制平台1，激光脉冲起始时刻用来控制数据处理平台21的模数转换起始时刻，实现多激光脉冲回波信号累加，以提高激光雷达回波信号信噪比，另外，系统控制平台21还为放大电路18提供工作电源。

脉冲激光束10在传输过程中，将与大气物质产生相互作用，形成大气散射，其部分后向散射光被口径为400mm、焦距为1829mm的大口径望远镜11收集；大口径望远镜11收集的后向散射光，即激光雷达回波信号，将经高效耦合器12进入多模光纤13，从而传输至拉曼谱型光谱分光系统14，拉曼谱型光谱分光系统14分光后的六个通道的拉曼信号分别经单模光纤15传输至光电探测系统16，光电探测系统16是以多阳极光电倍增管为核心的光电检测系统，用于实现多通道并行光电信号转换；转换后的六路电信号经放大电路18处理后，输出至数据处理平台21。

信号在拉曼谱型光谱分光系统14中传递时，激光雷达回波信号经多模光纤13由多模光纤端面57输出，经准直凸透镜24准直后，射向衍射闪耀光栅25，返回的光信号经准直凸透镜24会聚后，分路耦合进入不同光纤，形成六个通道的信号；第一路输入信号经第一连接光纤26进入第一光纤耦合器27，进而经过具有相同的布拉格波长λ₁的第一光纤布拉格光栅28和第二光纤布拉格光栅29，满足布拉格条件的光信号反射回第一光纤耦合器27，部分满足布拉格条件的光信号经通道一输出光纤30输出；第二路输入信号经第二连接光纤31进入第二光纤耦合器32，进而经过具有相同布拉格波长λ₂的第三光纤布拉格光栅33和第四光纤布拉格光栅34，满足布拉格条件的光信号反射回第二光纤耦合器32，部分满足布拉格条件的光信号经通道二输出光纤35输出；第三路输出信号经第三连接光纤36进入第三光纤耦合器37，进而经过具有相同布拉格波长λ₃的第五光纤布拉格光栅38和第六光纤布拉格光栅39，满足布拉格条件的光信号反射回第三光纤耦合器37，部分满足布拉格条件的光信号经通道三输出光纤40输出；第四路输出信号经第四连接光纤41进入第四光纤耦合器42，进而经过具有相同布拉格波长λ₄的第七光纤布拉格光栅43和第八光纤布拉格光栅44，满足布拉格条件的光信号反射回第四光纤耦合器42，部分满足布拉格条件的光信号经通道四输出光纤45输出；第五路输出信号经第五连接光纤46进入第五光纤耦合器47，进而经过具有相同布拉格波长λ₅的第九光纤布拉格光栅48和第十光纤布拉格光栅49，满足布拉格条件的光信号反射回第五光纤耦合器47，部分满足布拉格条件的光信号经通道五输出光纤50输出；第六路输出信号经第六连接光纤51进入第六光纤耦合器52，进而经过具有相同布拉格波长λ₆的第十一光纤布拉格光栅53和第十二光纤布拉格光栅54，满足布拉格条件的光信号反射回第六光纤耦合器52，部分满足布拉格条件的光信号经通道六输出光纤55输出。

数据处理平台21不仅需要完成六个通道并行信号的模数转换，而且还要实现绝对探测大气温度的反演算法。

利用上述转动拉曼激光雷达系统绝对探测大气温度的方法，即实现绝对探测大气温度的反演算法，包括以下步骤：

步骤1：将均匀功率谱密度的宽谱光源接入多模光纤13，测量六路转动拉曼通道的输出信号为K_m(其中m为拉曼通道，m＝1，2，3，4，5，6)，K_m表示转动拉曼通道的探测灵敏度。

步骤2：将激光雷达回波信号接入多模光纤13，由光电检测器5实时监测激光脉冲发射时刻，数据处理平台21同步测量六路转动拉曼通道的输出信号功率为P_m(z，T)。

步骤3：采用步骤1得到的六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度K_m(m＝1，2，3，4，5，6)，归一化处理步骤2得到的输出信号功率P_m(z，T)，即得到归一化后的六路转动拉曼信号功率为P′_m(z，T)

步骤4：由转动拉曼激光雷达方程可知，各通道转动拉曼信号的功率为

其中，z为探测高度，T为大气温度，K为拉曼激光雷达的系统常数，P₀为激光脉冲平均功率，c为光速，τ为激光脉冲宽度，A_r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，J_n表示拉曼通道m对应的转动量子数，σ′_m(J_n，T)为温度T时转动量子数J_n的转动拉曼信号的散射截面积，α(z)为高度z处的大气消光系数。

公式(2)中只有转动拉曼信号的散射截面积σ(J_n，T)与温度有关，其余参数仅与高度z有关，因此令系统因子F(z)为

将公式(3)代入公式(2)中，整理得到，由拉曼通道m测得功率信号计算得到的转动量子数J_n的转动拉曼信号的散射截面积σ′_m(J_n，T)为

由公式(1)知，步骤(2)中的P_m(z，T)与P′_m(z，T)之间存在系数K_m，因此由公式(4)得

步骤5：利用最小二乘原理，将步骤4中算得的转动拉曼散射截面积σ′_m(J_n，T)与理想的转动拉曼散射截面积σ_m(J_n，T)进行匹配，令某高度z_a处的温度T(z_a)和系统因子F(z_a)分别表示为T_a和F_a，构建匹配误差函数E(T_a，F_a)为

步骤6：将高度z_a下的温度T_a、系统因子F_a代入公式(5)中，得到

步骤7：将步骤6中的公式(7)代入步骤5中的公式(6)中，得到

对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的温度T_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一；对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的系统因子F_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二；将得到的含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一与含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二联立方程组求解，得出系统因子F_a与温度T_a。

求得的系统因子F_a和温度T_a可使匹配误差函数E(F_a，T_a)最小，从而获得最佳的转动拉曼谱型匹配。此时的温度T_a就是高度z_a处绝对测量得到的大气温度数值，而系统因子F_a可反映匹配算法的稳定性。

由于高度z_a的任意性，因此直接反演得到任意高度z处的大气温度T(z)，实现对大气温度的绝对探测，而不需其它的并行温度测量设备(如无线电探空仪)进行参数标定。

Claims (6)

1.绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：包括依次连接的系统控制平台(1)、脉冲激光器(2)、准直扩束系统(3)，沿准直扩束系统(3)的光路出射方向依次设有分光镜(4)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)，经所述分光镜(4)反射的部分光束射向光电检测器(5)，所述系统控制平台(1)还分别与放大电路(18)、数据处理平台(21)及所述光电检测器(5)连接，所述数据处理平台(21)还依次连接放大电路(18)、光电探测系统(16)、拉曼谱型光谱分光系统(14)，拉曼谱型光谱分光系统(14)通过多模光纤(13)与高效耦合器(12)连接，高效耦合器(12)用于接收大口径望远镜(11)收集的散射光；

所述拉曼谱型光谱分光系统(14)包括光纤线阵列(23)、准直凸透镜(24)及衍射闪耀光栅(25)，光纤线阵列(23)位于准直凸透镜(24)左侧的焦平面处，光纤线阵列(23)并行输出六路转动拉曼信号通道，所述六路转动拉曼信号通道分别为第一连接光纤(26)、第二连接光纤(31)、第三连接光纤(36)、第四连接光纤(41)、第五连接光纤(46)、第六连接光纤(51)，所述多模光纤(13)接在所述光纤线阵列(23)上，所述多模光纤(13)的输出端端面(57)位于准直凸透镜(24)的焦点处，所述衍射闪耀光栅(25)位于所述准直凸透镜(24)的右侧，所述衍射闪耀光栅(25)的光栅刻线数为1200grooves/mm，刻划面积为50mm×50mm，光栅闪耀角为17°27′，光栅闪耀阶次为第一级；

所述第一连接光纤(26)通过第一光纤耦合器(27)与通道一输出光纤(30)的一端耦合，所述通道一输出光纤(30)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第一光纤耦合器(27)上还并行设置有第一光纤布拉格光栅(28)与第二光纤布拉格光栅(29)；

所述第二连接光纤(31)通过第二光纤耦合器(32)与通道二输出光纤(35)的一端耦合，所述通道二输出光纤(35)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第二光纤耦合器(32)上还并行设置有第三光纤布拉格光栅(33)与第四光纤布拉格光栅(34)；

所述第三连接光纤(36)通过第三光纤耦合器(37)与通道三输出光纤(40)的一端耦合，所述通道三输出光纤(40)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第三光纤耦合器(37)上还并行设置有第五光纤布拉格光栅(38)与第六光纤布拉格光栅(39)；

所述第四连接光纤(41)通过第四光纤耦合器(42)与通道四输出光纤(45)的一端耦合，所述通道四输出光纤(45)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第四光纤耦合器(42)上还并行设置有第七光纤布拉格光栅(43)与第八光纤布拉格光栅(44)；

所述第五连接光纤(46)通过第五光纤耦合器(47)与通道五输出光纤(50)的一端耦合，所述通道五输出光纤(50)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第五光纤耦合器(47)上还并行设置有第九光纤布拉格光栅(48)与第十光纤布拉格光栅(49)；

所述第六连接光纤(51)通过第六光纤耦合器(52)与通道六输出光纤(55)的一端耦合，所述通道六输出光纤(55)的另一端与单模光纤(15)连接，所述第六光纤耦合器(52)上还并行设置有第十一光纤布拉格光栅(53)与第十二光纤布拉格光栅(54)；

所述多模光纤(13)的芯径为0.1mm，数值孔径为0.22；

所述第一光纤耦合器(27)、第二光纤耦合器(32)、第三光纤耦合器(37)、第四光纤耦合器(42)、第五光纤耦合器(47)和第六光纤耦合器(52)的耦合比均为50:50，中心波长均为530nm，带宽均为10nm。

2.根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述系统控制平台(1)通过第一连接电缆(6)与所述光电检测器(5)连接；所述系统控制平台(1)通过第四连接电缆(20)与所述放大电路(18)连接；所述系统控制平台(1)通过第五连接电缆(22)与所述数据处理平台(21)连接，数据处理平台(21)通过第三连接电缆(19)与所述放大电路(18)连接，放大电路(18)通过第二连接线缆(17)与所述光电探测系统(16)连接，光电探测系统(16)通过六条单模光纤(15)与所述拉曼谱型光谱分光系统(14)连接。

3.根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述第一反射镜(7)与所述第二反射镜(8)在竖直方向上平行设置，所述第二反射镜(8)与所述第三反射镜(9)在水平方向上平行设置，第三反射镜(9)位于所述大口径望远镜(11)的筒口处。

4.根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述单模光纤(15)、第一连接光纤(26)、通道一输出光纤(30)、第二连接光纤(31)、通道二输出光纤(35)、第三连接光纤(36)、通道三输出光纤(40)、第四连接光纤(41)、通道四输出光纤(45)、第五连接光纤(46)、通道五输出光纤(50)、第六连接光纤(51)及通道六输出光纤(55)的芯径均为3.5μm，数值孔径均为0.13；

所述通道一输出光纤(30)输出的转动拉曼信号的波长为λ₁＝531.01nm；所述通道二输出光纤(35)输出的转动拉曼信号的波长为λ₂＝530.11nm；所述通道三输出光纤(40)输出的转动拉曼信号的波长为λ₃＝529.66nm；所述通道四输出光纤(45)输出的转动拉曼信号的波长为λ₄＝528.76nm；所述通道五输出光纤(50)输出的转动拉曼信号的波长为λ₅＝527.86nm；所述通道六输出光纤(55)输出的转动拉曼信号的波长为λ₆＝527.42nm；

所述通道一输出光纤(30)、通道二输出光纤(35)、通道三输出光纤(40)、通道四输出光纤(45)、通道五输出光纤(50)及通道六输出光纤(55)的带宽容限均为±0.08nm。

5.根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：所述第一连接光纤(26)的信号输入端面为通道一光纤端面(58)，通道一光纤端面(58)距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为149μm；所述第二连接光纤(31)的信号输入端面为通道二光纤端面(60)，通道二光纤端面(60)距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为377μm；所述第三连接光纤(36)的信号输入端面为通道三光纤端面(61)，通道三光纤端面距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为491μm；所述第四连接光纤(41)的信号输入端面为通道四光纤端面(63)，通道四光纤端面(63)距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为718μm；所述第五连接光纤(46)的信号输入端面为通道五光纤端面(65)，通道五光纤端面(65)距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为945μm；所述第六连接光纤(51)的信号输入端面为通道六光纤端面(66)，通道六光纤端面(66)距所述准直凸透镜(24)焦点的距离为1058μm。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统的探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将均匀功率谱密度的宽谱光源接入所述多模光纤(13)，通过所述数据处理平台(21)测量所述六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度K_m，其中，m为转动拉曼通道，m＝1，2，3，4，5，6；

步骤2：将激光雷达回波信号接入所述多模光纤(13)，由光电检测器(5)实时监测激光脉冲发射时刻，所述数据处理平台(21)同步测量所述六路转动拉曼信号通道的输出信号功率为P_m(z，T)；

步骤3：采用步骤1得到的六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度K_m，其中，m＝1，2，3，4，5，6；归一化处理步骤2得到的输出信号功率P_m(z，T)，即得到归一化后的六路转动拉曼信号功率为P′_m(z，T)

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (1)；

步骤4：由转动拉曼激光雷达方程可知，各通道转动拉曼信号的功率为

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (2)；

其中，z为探测高度，T为大气温度，K为拉曼激光雷达的系统常数，P₀为激光脉冲平均功率，c为光速，τ为激光脉冲宽度，A_r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，J_n表示拉曼通道m对应的转动量子数，σ′_m(J_n，T)为温度T时转动量子数J_n的转动拉曼信号的散射截面积，α(z)为高度z处的大气消光系数；

令系统因子F(z)为

$F\left(z\right)=K\·P_0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{A_r}{z^2}\·Y\left(z\right)\·N\left(z\right)\·\exp \[-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)dz\]---\left(3\right);$

将公式(3)代入公式(2)中，整理得到

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (4)；

由公式(1)知，步骤(2)中的P_m(z，T)与P′_m(z，T)之间存在系数K_m，

因此由公式(4)得

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (5)；

步骤5：利用最小二乘原理，将步骤4中算得的转动拉曼散射截面积σ′_m(J_n，T)与理想的转动拉曼散射截面积σ_m(J_n，T)进行匹配，令高度为z_a处的温度T(z_a)和系统因子F(z_a)分别表示为T_a和F_a，构建匹配误差函数E(T_a，F_a)为

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (6)；

步骤6：将高度z_a下的温度T_a、系统因子F_a代入公式(5)中，得到

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (7)；

步骤7：将步骤6中的公式(7)代入步骤5中的公式(6)中，得到

其中，m＝1，2，3，4，5，6 (8)；

对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的温度T_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一；对公式(8)匹配误差函数E(F_a，T_a)中的系统因子F_a求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二；将得到的含有系统因子F_a与温度T_a的方程式一与含有系统因子F_a与温度T_a的方程式二联立方程组求解，得出系统因子F_a与温度T_a；

由于高度z_a的任意性，因此直接反演得到任意高度z处的大气温度T(z)，实现对大气温度的绝对探测。