CN105182365A - 一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达。该激光雷达采用双波长和单接收通道的方式，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，接收通道提取其中一个工作波长的低量子数转动拉曼信号和另外一个工作波长高量子数的转动拉曼信号，该两工作波长通过时分复用的方法交替工作，大气温度则通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算。本发明仅使用了单个滤波器、单个探测器、单个采集卡实现转动拉曼测温，相比于单工作波长双接收通道的转动拉曼激光雷达，其结构紧凑、减低了光路调节难度、减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异，提高了探测精度、系统稳定性和环境适应性。

Description

一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达

技术领域

本发明涉及测温激光雷达领域，尤其涉及一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达。

背景技术

温度是大气状态的重要参数。温度数据在大气动力学、气候学和大气化学领域，在研究全球气候变暖、中间逆温层、地球重力波科学等问题上扮演着重要角色。另外，大气温度还是众多遥感手段的必要输入参数，如：拉曼激光雷达测量气溶胶后向散射系数和气溶胶消光系数时；拉曼激光雷达测量气溶胶的偏振态和水汽混合比时；差分吸收激光雷达测量气体的密度时；多普勒瑞利激光雷达探测大气风场时。

激光雷达作为最有前景的遥感探测设备之一，在开展大气领域研究方面具有独特优势，如高的空间分辨率和高的时间分辨率；探测范围可覆盖从地表边界层到中间层；可同时探测多个大气参数等。目前，可实现日常大气温度观测的激光雷达有三种：转动拉曼激光雷达、瑞利积分激光雷达和共振荧光激光雷达。其中，转动拉曼激光雷达可实现地面至平流层的温度探测。自1972年，Cooney首次提出利用转动拉曼信号测量大气温度以来，转动拉曼测温激光雷达已经成为大气温度遥感的重要手段。

目前，转动拉曼测温激光雷达中分光方式大致分四种。第一，利用干涉滤光片形成多色仪提取纯转动拉曼信号；第二，利用干涉滤光片提取转动拉曼信号；第三，利用双光栅分光的办法提取转动拉曼信号；第四，利用双光栅和F-P提取转动拉曼信号。无一例外，该四种方式都是采用单一光源，通过滤光器件分别提取两份转动拉曼信号，这两份转动拉曼信号的强度与温度的依赖关系相反，即接近入射光波长的转动拉曼线的强度随着温度升高而降低，远离入射光波长的转动拉曼线强度随着温度升高而增强。大气温度通过这两信号的比值反演。

上述的转动拉曼测温激光雷达均采用单一光源和双接收通道的方式，该工作方式需要两个滤光器件、两个探测器和两个采集卡，这就无法避免的引入了滤光器件带宽和滤波器差异、探测器响应度不一致、采集卡采集性能不同所引入的系统误差。例如，环境温度不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器的输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处于振动环境下时，两个探测器的耦合效率不同；另外，光学污染和探测器老化问题也无法避免引起探测器的差异，从而需要周期定标。并且，双接收通道导致光路调节困难、制造成本高和系统校准复杂等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，该激光雷达相比于经典的单工作波长双接收通道的系统而言，结构紧凑、减低了光路调节难度、减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异，提高了探测精度、系统稳定性和环境适应性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，包括：连续种子激光器1、连续种子激光器2、光开3、激光振荡器5、激光放大器5、光学收发装置6、滤波器7、探测器8、采集卡9、计算机10和信号发生器11，其中各器件连接关系为：

连续种子激光器1、连续种子激光器2的输出端分别对应的与光开关3的输入端A、输入端B连接，光开关3的输出端与激光振荡器5的输入端连接，激光振荡器5的输出端与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与光学收发装置6的输入端连接，光学收发装置6的输出端与滤波器7的输入端连接，滤波器7的输出端与探测器8的输入端连接，探测器8的输出端与采集卡9的输入端连接，采集卡9的输出端与计算机10连接；

信号发生器11分别与光开关3、激光振荡器5及采集卡9相连，用于输出使其协同工作的三路时序控制信号。

进一步的，连续种子激光器1与连续种子激光器2输出的激光脉冲波长分别为λ₀与λ₁；这两个波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，λ₀与λ₁的间隔为用于温度探测的低量子数转动拉曼分支与高量子数转动拉曼分支的频率差；

光开关3根据信号发生器11输入的时序控制信号，开启对应的输入端A及输入端B；采集卡9根据信号发生器11输入的时序控制信号采用时分复用的方法交替探测采集这两个波长产生的转动拉曼信号。

进一步的，滤波器7和探测器8在时域上分别提取波长λ₀的激光脉冲与大气相互作用产生的低量子数转动拉曼信号，和提取波长λ₁的激光脉冲与大气相互作用产生的高量子数转动拉曼信号；

由计算机10通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算大气温度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案采用双波长的方式，该两个激光波段可以是用于激光雷达的所有波段，这两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，在工作时序上，采用时分复用的方法交替探测采集。由于高量子数的转动拉曼散射截面较低量子数的转动拉曼散射截面小，因此，在经典的单工作波长的转动拉曼测温激光雷达中，测温误差主要由于高量子数的转动拉曼信号的信噪比低引起；相反，本发明提供的双波长转动拉曼测温激光雷达中，可通过调节波长为λ₁激光能量提高高量子数的转动拉曼信号，从而提高探测信噪比，减低测温误差；本发明采用单接收通道的方式，仅使用了单个滤波器、单个探测器、单个采集卡实现转动拉曼测温，相比于双接收通道的转动拉曼激光雷达，该发明结构紧凑、减低了光路调节难度、减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异，提高了探测精度、系统稳定性和环境适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达示意图；

图2为本发明实施例提供的经典的转动拉曼测温激光雷达原理图；

图3为本发明提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达原理图；

图4为本发明提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达的工作时序图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，如图1所示，其主要包括：连续种子激光器1、连续种子激光器2、光开3、激光振荡器4、激光放大器5、光学收发装置6、滤波器7、探测器8、采集卡9、计算机10和信号发生器11，其中各器件连接关系为：

连续种子激光器1、连续种子激光器2的输出端分别对应的与光开关3的输入端A、输入端B连接，光开关3的输出端与激光振荡器4的输入端连接，激光振荡器4的输出端与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与光学收发装置6的输入端连接，光学收发装置6的输出端与滤波器7的输入端连接，滤波器7的输出端与探测器8的输入端连接，探测器8的输出端与采集卡9的输入端连接，采集卡9的输出端与计算机10连接；信号发生器11分别与光开关3、激光振荡器4及采集卡9相连，用于输出使其协同工作的三路时序控制信号。信号发生器11控制连续激光器1和连续激光器2的交替工作，控制采集卡9的采集时序，控制激光振荡器4输出激光脉冲的重复频率。另外，图1中的实线表示为光纤，连接中的虚线表示电信号线。

为了便于理解，下面针对转动拉曼测温激光雷达的原理做详细的说明。

转动拉曼测温激光雷达通常采用如下比值反演

$Q(T,z)=\frac{S_{RR2}(T,z)}{S_{RR1}(T,z)}---\left(1\right)$

S_RR2(T,z)表示激光雷达接收到的高量子数转动拉曼信号的光子数，S_RR1(T,z)表示激光雷达接收到的低量子数转动拉曼信号的光子数，T为大气温度，z为激光雷达站点距探测点的距离。其中，S_RR2(T,z)和S_RR1(T,z)具有相反的温度依赖性，因此，大气温度T廓形可通过Q值反演。

转动拉曼通道探测到的光子数S_RR(T,z)可表示为

$S_{RR}\left(z\right)=S_0\mathrm{\ϵ}\frac{AO\left(z\right)}{{(z-z_0)}^2}\mathrm{\Δ}zN\left(z\right)\[\underset{i=O_2,N_2}{\Σ}\underset{J_i}{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{RR}\left(J_i\right){\mathrm{\η}}_i{\left(\frac{d\mathrm{\σ}}{d\mathrm{\Ω}}\right)}_{\mathrm{\π}}^{RR,i}\]{\mathrm{\τ}}_{atm}{(z_0,z)}^2---\left(2\right)$

式中，S₀为出射光子数，ε为探测器效率，A为望远镜接收面积，O(z)为几何重叠因子，Δz为距离门，N(z)为对应空气分子的密度，τ_RR(J_i)为波长对应的接收机透过率，η_i为氮气和氧气的相对体积，为转动拉曼后向微分散射截面，τ_atm(z₀,z)²为大气往返透过率。

假定两个通道具有相同的雷达效率，并且由于两个通道的接收波长非常接近，可认为具有相同的大气透过率τ_atm(z₀,z)。因此，Q可化简为

$Q\left(T\right)=\frac{\underset{i=O_2,N_2}{\Σ}\underset{J_i}{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{RR2}\left(J_i\right){\mathrm{\η}}_i{\left(\frac{d\mathrm{\σ}}{d\mathrm{\Ω}}\right)}_{\mathrm{\π}}^{RR,i}\left(J_i\right)}{\underset{i=O_2,N_2}{\Σ}\underset{J_i}{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{RR1}\left(J_i\right){\mathrm{\μ}}_i{\left(\frac{d\mathrm{\σ}}{d\mathrm{\Ω}}\right)}_{\mathrm{\π}}^{RR,i}\left(J_i\right)}---\left(3\right)$

根据Q(T)与大气温度的对应关系，当获得测量值S_RRi(z)后，大气温度通过Q(T)反演。

请参见图2所示，经典的转动拉曼测温激光雷达采用单工作波长、双接收通道的工作方式。激光器发射工作波长λ₀的激光到大气，激光与大气相互作用产生纯转动拉曼信号，其中，接近入射光波长的转动拉曼线的强度随着温度升高而降低，远离入射光波长的转动拉曼线强度随着温度升高而增强，该特性请参见图2中大气温度为200K和300K时，氮气的转动拉曼信号强度分布所示。其中氮气的温度特性与氧气的温度特性相同，因此图2仅画出了氮气的转动拉曼线。经典的转动拉曼测温激光雷达的接收端布置两个滤波器，其中滤波器2提取高量子数的转动拉曼信号，滤波器1提取低量子数的转动拉曼信号，经过系统校准后，大气温度通过该两个信号的比值反演。

然而，经典的转动拉曼测温激光雷达由于采用双接收通道的工作方式，需配置两个滤波器、两个探测器和两个采集卡，系统校准参数多，光路调节繁琐，系统成本高，并且无法避免工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异所引入的误差。

针对经典转动拉曼测温激光雷达所面临的挑战，本发明实施例提出了一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，请参见图3所示。该激光雷达中，连续种子激光器1与连续种子激光器2输出激光脉冲的工作波长分别为λ₀与λ₁，这两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，λ₀与λ₁的间隔为用于温度探测的低量子数转动拉曼分支与高量子数转动拉曼分支的频率差；光开关3根据信号发生器11输入的时序控制信号，开启对应的输入端A及输入端B。接收通道仅采用一个滤波器7与一个探测器8，滤波器7与探测器8在时域上可以分别提取波长λ₀的激光脉冲与大气相互作用产生的低量子数转动拉曼信号，和提取波长λ₁的激光脉冲与大气相互作用产生的高量子数转动拉曼信号，再由计算机10通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算大气温度。另外，如图4所示，采集卡9则根据信号发生器11输入的时序控制信号采用时分复用的方法交替探测采集这两个波长产生的转动拉曼信号。

另外，请参见图3所示，高量子数的转动拉曼散射截面较低量子数的转动拉曼散射截面小，因此，在经典的转动拉曼测温激光雷达中，测温误差主要来源于高量子数的转动拉曼信号的低信噪比。针对该问题，本发明提供了双波长转动拉曼测温激光雷达，通过调节波长λ₁的激光能量使高量子数的转动拉曼信号增加，从而减低测量误差。

本发明实施例提供的一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达具有如下有益效果：

1)本发明采用双波长的方式，这两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，在工作时序上，采用时分复用的方法交替探测采集。请参见图3所示，高量子数的转动拉曼散射截面较低量子数的转动拉曼散射截面小，因此，在经典的单工作波长的转动拉曼测温激光雷达中，测温误差主要由于高量子数的转动拉曼信号的信噪比低引起。相反，本发明提供的双波长转动拉曼测温激光雷达中，可通过调节波长为λ₁激光能量提高高量子数的转动拉曼信号，从而提高探测信噪比，减低测温误差。

2)本发明采用单接收通道的方式，仅使用了单个滤波器、单个探测器、单个采集卡实现转动拉曼测温，相比于双接收通道的转动拉曼激光雷达，该发明结构紧凑、减低了光路调节难度、减小了系统校准参数、成本低，并且避免了工作环境不一致所导致的滤波器和探测器的工作性能差异，提高了探测精度，提高了系统稳定性和环境适应性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征在于，包括：连续种子激光器(1)、连续种子激光器(2)、光开(3)、激光振荡器(5)、激光放大器(5)、光学收发装置(6)、滤波器(7)、探测器(8)、采集卡(9)、计算机(10)和信号发生器(11)，其中各器件连接关系为：

连续种子激光器(1)、连续种子激光器(2)的输出端分别对应的与光开关(3)的输入端A、输入端B连接，光开关(3)的输出端与激光振荡器(5)的输入端连接，激光振荡器(5)的输出端与激光放大器(5)的输入端连接，激光放大器(5)的输出端与光学收发装置(6)的输入端连接，光学收发装置(6)的输出端与滤波器(7)的输入端连接，滤波器(7)的输出端与探测器(8)的输入端连接，探测器(8)的输出端与采集卡(9)的输入端连接，采集卡(9)的输出端与计算机(10)连接；

信号发生器(11)分别与光开关(3)、激光振荡器(5)及采集卡(9)相连，用于输出使其协同工作的三路时序控制信号。

2.根据权利要求1所述一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征在于，

连续种子激光器(1)与连续种子激光器(2)输出的激光脉冲波长分别为λ₀与λ₁；这两个波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，λ₀与λ₁的间隔为用于温度探测的低量子数转动拉曼分支与高量子数转动拉曼分支的频率差；

光开关(3)根据信号发生器(11)输入的时序控制信号，开启对应的输入端A及输入端B；采集卡(9)根据信号发生器(11)输入的时序控制信号采用时分复用的方法交替探测采集这两个波长产生的转动拉曼信号。

3.根据权利要求2所述一种基于双波长单接收通道的转动拉曼测温激光雷达，其特征在于，

滤波器(7)和探测器(8)在时域上分别提取波长λ₀的激光脉冲与大气相互作用产生的低量子数转动拉曼信号，和提取波长λ₁的激光脉冲与大气相互作用产生的高量子数转动拉曼信号；

由计算机(10)通过高低量子数的转动拉曼信号的比值计算大气温度。