CN113093222A - 一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统 - Google Patents

一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，本发明由种子激光器、固体激光器、扩束镜、第一450反射镜、第二450反射镜、第三450反射镜、第四450反射镜、望远镜、可调光阑、准直透镜、第一温度控制系统、第一体布拉格光栅、第一反射镜、第三干涉滤光片、第三会聚透镜、第三探测器、第二温度控制系统、第二体布拉格光栅、第二反射镜、第二干涉滤光片、第二会聚透镜、第二探测器、第一干涉滤光片、第一会聚透镜、第一探测器、三通道瞬态记录仪、计算机组成。本发明具备全天时工作能力，发射光束与望远镜同轴有效减少了探测高度盲区，体布拉格光栅的高衍射效率提高了信号信噪比能有效减小大气温度和气溶胶参数测量误差。

Description

一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统
技术领域
本发明属于激光大气遥感技术领域，具体涉及一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统。
背景技术
当激光照射在大气气溶胶或大气分子上时，会发生散射过程，散射光包括Mie散射光(由气溶胶粒子产生)、Rayleigh散射光(由大气分子产生)和Raman散射光(由大气分子产生)。弹性散射光的频率与入射激光频率无差异，Raman散射光的频率与入射激光频率不同。Raman散射谱包括振转谱和纯转动谱，振转谱的频率远离弹性谱频率，纯转动谱分为斯托克斯谱和反斯托克斯谱两种，对称分布在弹性谱两边，频率高于弹性谱的为反斯托克斯谱，频率低于弹性谱的为斯托克斯谱。在532.083nm激光照射下，大气N2和O2分子产生的斯托克斯纯转动Raman谱的频谱分布。其中N2分子相邻阶谱线间隔为～0.22nm，O2分子偶数阶谱线缺失相邻谱线间隔为～0.32nm，两者谱线在频谱上呈交替分布状。单支谱测温激光雷达能实现两支纯转动Raman谱线的提取，根据激光雷达方程可以严格地推算出大气温度T(z)和进而在不引入任何假设的情况下反演后向散射系数βa(z)(或后散比R(z))和消光系数αa(z)。
目前国内外关于纯转动Raman测温激光雷达主要为：
混合Raman谱提取激光雷达，即各Raman通道提取的纯转动Raman谱线为多支O2和N2分子纯转动谱线组成。混合谱探测装置多采用0.5nm-1nm带宽的滤波器件获取纯转动Raman谱，在反演大气温度时会引入系统误差且不具备白天测温能力。
基于法布里-玻罗干涉仪的全天时测温激光雷达，在532.23nm激光辐射下，提取N2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝6和16单谱线信号。该雷达系统采用Fabry-Perot标准具加超窄滤光片作为滤波器件，由于Fabry-Perot标准具极小的工作角度范围(1.4mrad)使得测温激光雷达望远镜通光孔径受限(～200mm)、雷达视场小(～0.4mrad)，导致回波信号能量弱、完全进视场高度高；同时，该雷达系统发射单元和接收单元采用离轴方式，雷达探测完全进视场高度难以下降，大大增加了雷达探测盲区；由于Fabry-Perot标准具为透射式滤波器件，中心波长透过率低(～50％)，在采用双Raman通道同时工作时需采用5:5分光棱镜分光，这样会继续降低每组Raman通道的能量降低50％，降低系统信噪比。
在测温激光雷达方面，纯转动Raman单支谱测温激光雷达反演温度时不需要引入各种假设，理论上具备更高的精度。由于纯转动Raman单支谱线信号强度是极其微弱的，信噪比是能否实现全天时大气分子纯转动Raman单支谱线提取的关键；同时，减小雷达探测盲区是获取更完整的大气温度和气溶胶参数高度剖面的关键。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，包括：
种子激光器、固体激光器、扩束镜、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第三45°反射镜、第四45°反射镜、望远镜、可调光阑、准直透镜、第一温度控制系统、第一布拉格光栅、第一反射镜、第三干涉滤光片、第三会聚透镜、第三探测器、第二温度控制系统、第二布拉格光栅、第二反射镜、第二干涉滤光片、第二会聚透镜、第二探测器、第一干涉滤光片、第一会聚透镜、第一探测器、三通道(LICEL)瞬态记录仪、计算机；
所述的种子激光器、固体激光器、扩束镜、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第三45°反射镜依次通过光路串连组成发射单元，所述发射单元将极窄线宽的532.083nm激光铅锤导向天顶与大气分子和气溶胶粒子发生作用；
所述的望远镜、可调光阑、第四45°反射镜、准直透镜、第一温度控制系统、第一布拉格光栅、第一反射镜、第三干涉滤光片、会聚透镜(L3)、第三探测器、第二温度控制系统、第二布拉格光栅、第二反射镜、第二干涉滤光片、会聚透镜(L2)、第二探测器、第一干涉滤光片、会聚透镜(L1)、第一探测器依次通过光路串连组成光学接收单元，所述光学接收单元用于接收激光与大气分子和气溶胶发生作用产生的后向散射光；
所述的三通道瞬态记录仪为信号采集单元，瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种模式记录探测器探测的数据，并实时传输至控制单元。
所述计算机为控制单元，对采集数据进行实时存储，并通过时序电路保障整个雷达系统有序工作。
其特征在于：所述发射单元采用种子注入的固体激光器发射单脉冲能量～900mJ，重复频率30Hz，线宽<0.006cm-1的532.083nm激光经第一45°反射镜、第二45°反射镜、第三45°反射镜后于望远镜正上方铅锤导向天顶；所述光学接收单元和所述信号采集单元由两个Raman通道和一个弹性通道组成，分别提取弹性回波信号和N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4和14的两支单谱线信号，对532.083nm附近的光产生优于7个量级的抑制，对邻近O2分子谱线信号产生～2个量级的抑制；雷达系统视场～0.5mrad，弹性通道带宽为0.3nm，两个Raman通道带宽为～124pm，具备全天时工作能力，能有效减小雷达高度探测盲区。
所述种子激光器产生极窄线宽的1064nm基频光；1064nm基频光经光纤导入所述固体激光器内，经所述固体激光器放大级放大和倍频晶体倍频得到放大倍频后激光，放大倍频后激光的特性为：单脉冲能量为900mJ，重复频率为30Hz，线宽小于0.006cm-1，激光光束直径为532.083nm；所述扩束镜为8倍扩束，将激光光束直径为532.083nm的放大倍频后激光进行8倍倍率扩束，并以8倍倍率压缩放大倍频后激光的光束发散角，得到扩束后激光；
所述的第一45°反射镜、第二45°反射镜、第三45°反射镜组成光束转折系统，将扩束后激光进行光束转折处理，以>99％的反射率将激光器发射的扩束后532.083nm水平激光导入所述望远镜正上方并垂直射向天顶与大气物质发生作用。
所述望远镜接收532.083nm激光与大气物质作用后产生的后向散射光信号，望远镜有效通光孔径为400mm，信号强度和信噪比相比200mm口径望远镜得到明显提高；后向散射光信号经所述可调光阑后由所述第四45°反射镜转折并照射所述准直透镜，经所述准直透镜准直后变为平行光；
所述可调光阑设置在所述望远镜焦平面处，开孔直径～2mm，雷达视场～0.5rmad；
准直后的平行光入射所述第一布拉格光栅发生衍射效应产生衍射光和透射光，衍射光依次经过所述的第一反射镜、所述第三干涉滤光片、第三会聚透镜会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第三探测器记录；透射光照射所述第二布拉格光栅发生衍射效应产生衍射光和透射光，依次经过所述的第二反射镜、所述第二干涉滤光片、第二会聚透镜会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第二探测器记录；经过所述第二布拉格光栅的透射光照射所述第一干涉滤光片，经所述第一会聚透镜会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第一探测器记录；所述的第一温度控制系统、第二温度控制系统能够保持所述第一布拉格光栅、所述第二布拉格光栅工作在所需的恒温环境，且控温精度达0.05K。
所述的第一布拉格光栅有效孔径20mm，中心波长为533.325nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ1，使533.325nm波长光位于所述的第一布拉格光栅衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ3，对O2分子J＝5的533.143nm谱线信号和O2分子J＝7的533.47nm谱线信号产生～2个量级的抑制，同时透过其它回波信号，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制；
所述第二布拉格光栅的有效孔径20mm，中心波长为535.594nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ2，使535.594nm波长光位于所述第二布拉格光栅衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ4，对O2分子J＝19的535.433nm谱线信号和O2分子J＝21的535.76nm谱线信号产生～2个量级的抑制，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制。
第三干涉滤光片中心波长为533.325nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第二干涉滤光片中心波长为535.594nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第一干涉滤光片中心波长为532.23nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>70％，带外抑制优于4个量级。
所述第一45°反射镜、第二45°反射镜、第三45°反射镜光学参数相同，直径120mm，中心厚度12mm，镀膜波长532nm，镀膜反射率>99.5％；第四45°反射镜直径25.4mm，工作角度45°，对400-750nm光反射率>99％；准直透镜有效焦距200mm，有效孔径39mm；第一会聚透镜、第二会聚透镜、第三会聚透镜光学参数相同，有效焦距50mm，有效孔径25mm；第一反射镜、第二反射镜在532nm至540nm波长范围内的反射率大于99％，且第一反射镜与光轴方向夹角为
Figure BDA0002971855660000041
Figure BDA0002971855660000042
第二反射镜与光轴方向夹角为
Figure BDA0002971855660000043
第一会聚透镜、第二会聚透镜的镜面镀有532nm增透膜。
所述第一探测器实现对弹性回波信号的提取；所述第二探测器实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4的单支单谱线信号的提取；所述第三探测器实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝14的单支单谱线信号的提取。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，在532.083nm激光辐射时的纯转动拉曼谱线间隔仅为0.22nm的情况下，通过窄带宽的方式对N2分子斯托克斯纯转动拉曼J＝4和J＝14特征谱线实现提取和记录，同时对波长为532.083nm的弹性信号产生大于7个数量级的抑制，对相邻O2谱线信号的抑制～2个量级，有效避免弹性散射信号和相邻谱线对特征单支谱线提取的干扰。
回波信号强度和信噪比明显优于基于法布里-玻罗干涉仪的全天时测温激光雷达系统，具体表现为以下几个方面：光学接收单元采用400mm口径的望远镜，大大提高了回波信号强；采用反射式体布拉格光栅，避免了透射式滤光器件在两个Raman通道同时工作时引入分光棱镜导致信号强度降低的弊端；体布拉格光栅在中心波长处的衍射效率高达90％左右，明显高于法布里-玻罗干涉仪中心波长透过率；N2分子斯托克斯纯转动拉曼J＝4和J＝14特征谱线的后向散射截面明显高于N2分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝6和J＝16特征谱线，进一步提高了雷达系统的回波信号强度和信噪比。
鉴于本发明发射单元和光学接收单元同轴、雷达视场增大，可以有效降低雷达完全进视场高度；同时，回波信号的显著增强大大提升了雷达探测高度，从而减小了整个雷达探测盲区。
附图说明
图1：为本发明实施例的装置原理图；
图2：为本发明实施例中532.083nm激光辐射时所产生的大气N2分子和O2分子斯托克斯纯转动拉曼谱；
图3：为本发明实施例中第一体布拉格光栅的衍射效率曲线示意图。
图4：为本发明实施例中第二体布拉格光栅的衍射效率曲线示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图1-4及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，包括：
种子激光器(SEL)、固体激光器(SOL)、扩束镜(BE)、第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)、第四45°反射镜(RM4)、望远镜(TE)、可调光阑(IRIS)、准直透镜(L4)、第一温度控制系统(TC1)、第一体布拉格光栅(VBG1)、第一反射镜(RM5)、第三干涉滤光片(IF3)、第三会聚透镜(L3)、第三探测器(PMT3)、第二温度控制系统(TC2)、第二体布拉格光栅(VBG2)、第二反射镜(RM6)、第二干涉滤光片(IF2)、第二会聚透镜(L2)、第二探测器(PMT2)、第一干涉滤光片(IF1)、第一会聚透镜(L1)、第一探测器(PMT1)、三通道瞬态记录仪(LICEL)、计算机(PC)；
所述种子激光器(SEL)选型为：美国，NPPhotonics；
所述固体激光器(SOL)选型为：美国，Continuum，Powerli(TE)9030；
所述扩束镜(BE)选型为：中国，武汉优光科技，定制；
所述的第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)、第四45°反射镜(RM4)选型均为：中国，武汉优光科技，定制；
所述望远镜(TE)选型为：美国，Meade，16”LX200ACF；
所述可调光阑(IRIS)选型为：美国，Thorlabs，SM1D12C；
所述准直透镜(L4)选型为：美国，Edmund，11-733；
所述的第一温度控制系统(TC1)、第二温度控制系统(TC2)选型均为：英国，Euroherm；
所述的第一体布拉格光栅(VBG1)、第二体布拉格光栅(VBG2)选型均为：美国，OptiGra(TE)，定制；
所述的第一反射镜(RM5)、第二反射镜(RM6)选型均为：美国，Edmund，45-688；
所述的第一干涉滤光片(IF1)、第二干涉滤光片(IF2)、第三干涉滤光片(IF3)选型均为：美国，Barr，定制；
所述的第一会聚透镜(L1)、所述第二会聚透镜(L2)、第三会聚透镜(L3)选型均为：美国，Edmund，65-485；
所述的第一探测器(PMT1)、第二探测器(PMT2)、第三探测器(PMT3)选型均为：Hamamatsu，H7422；
所述三通道瞬态记录仪(LICEL)选型为：德国，(LICEL)Gmbh，TR40-16bit；
所述计算机(PC)选型为：中国，研华科技；
所述的种子激光器(SEL)、固体激光器(SOL)、扩束镜(BE)、第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)依次通过光路串连组成发射单元，所述发射单元将极窄线宽的532.083nm激光铅锤导向天顶与大气分子和气溶胶粒子发生作用；
所述的望远镜(TE)、可调光阑(IRIS)、第四45°反射镜(RM4)、准直透镜(L4)、第一温度控制系统(TC1)、第一体布拉格光栅(VBG1)、第一反射镜(RM5)、第三干涉滤光片(IF3)、会聚透镜(L3)、第三探测器(PMT3)、第二温度控制系统(TC2)、第二体布拉格光栅(VBG2)、第二反射镜(RM6)、第二干涉滤光片(IF2)、会聚透镜(L2)、第二探测器(PMT2)、第一干涉滤光片(IF1)、会聚透镜(L1)、第一探测器(PMT1)依次通过光路串连组成光学接收单元，所述光学接收单元用于接收激光与大气分子和气溶胶发生作用产生的后向散射光；
所述的三通道瞬态记录仪(LICEL)为信号采集单元，瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种模式记录探测器探测的数据，并实时传输至控制单元。
所述计算机(PC)为控制单元，对采集数据进行实时存储，并通过时序电路保障整个雷达系统有序工作。
其特征在于：所述发射单元采用种子注入的固体激光器(SOL)发射单脉冲能量～900mJ，重复频率30Hz，线宽<0.006cm-1的532.083nm激光经第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)后于望远镜(TE)正上方铅锤导向天顶；所述光学接收单元和所述信号采集单元由两个Raman通道和一个弹性通道组成，分别提取弹性回波信号和N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4和14的两支单谱线信号，对532.083nm附近的光产生优于7个量级的抑制，对邻近O2分子谱线信号产生～2个量级的抑制；雷达系统视场～0.5mrad，弹性通道带宽为0.3nm，两个Raman通道带宽为～124pm，具备全天时工作能力，能有效减小雷达高度探测盲区。
所述种子激光器(SEL)产生极窄线宽的1064nm基频光；1064nm基频光经光纤导入所述固体激光器(SOL)内，经所述固体激光器(SOL)放大级放大和倍频晶体倍频得到放大倍频后激光，放大倍频后激光的特性为：单脉冲能量为900mJ，重复频率为30Hz，线宽小于0.006cm-1，激光光束直径为532.083nm；所述扩束镜(BE)为8倍扩束，将激光光束直径为532.083nm的放大倍频后激光进行8倍倍率扩束，并以8倍倍率压缩放大倍频后激光的光束发散角，得到扩束后激光；
所述的第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)组成光束转折系统，将扩束后激光进行光束转折处理，以>99％的反射率将激光器发射的扩束532.083nm水平激光导入所述望远镜(TE)正上方并垂直射向天顶与大气物质发生作用。
所述望远镜(TE)接收532.083nm激光与大气物质作用后产生后向散射光信号，如图2所示的大气N2和O2分子产生的斯托克斯纯转动Raman谱。其中N2分子相邻阶谱线间隔为～0.22nm，O2分子偶数阶谱线缺失相邻谱线间隔为～0.32nm，两者谱线在频谱上呈交替分布状。望远镜(TE)有效通光孔径为400mm，信号强度和信噪比相比200mm口径望远镜得到明显提高；后向散射光信号经所述可调光阑(IRIS)后由所述第四45°反射镜(RM4)转折并照射所述准直透镜(L4)，经所述准直透镜(L4)准直后变为平行光；
所述可调光阑(IRIS)设置在所述望远镜(TE)焦平面处，开孔直径～2mm，雷达视场～0.5rmad；
准直后的平行光入射所述第一体布拉格光栅(VBG1)发生衍射效应产生衍射光和透射光，衍射光依次经过所述的第一反射镜(RM5)、所述第三干涉滤光片(IF3)、第三会聚透镜(L3)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第三探测器(PMT3)记录；透射光照射所述第二体布拉格光栅(VBG2)发生衍射效应产生衍射光和透射光，依次经过所述的第二反射镜(RM6)、所述第二干涉滤光片(IF2)、第二会聚透镜(L2)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第二探测器(PMT2)记录；经过所述第二体布拉格光栅(VBG2)的透射光照射所述第一干涉滤光片(IF1)，经所述第一会聚透镜(L1)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第一探测器(PMT1)记录；所述的第一温度控制系统(TC1)、第二温度控制系统(TC2)能够保持所述第一体布拉格光栅(VBG1)、所述第二体布拉格光栅(VBG2)工作在所需的恒温环境，且控温精度达0.05K。
所述的第一体布拉格光栅(VBG1)有效孔径20mm，中心波长为533.325nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ1，使533.325nm波长光位于所述的第一体布拉格光栅(VBG1)衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ3，对O2分子J＝5的533.143nm谱线信号和O2分子J＝7的533.47nm谱线信号产生～2个量级的抑制，同时透过其它回波信号，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制；
所述第二体布拉格光栅(VBG2)的有效孔径20mm，中心波长为535.594nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ2，使535.594nm波长光位于所述第二体布拉格光栅(VBG2)衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ4，对O2分子J＝19的535.433nm谱线信号和O2分子J＝21的535.76nm谱线信号产生～2个量级的抑制，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制。
第三干涉滤光片(IF3)中心波长为533.325nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第二干涉滤光片(IF2)中心波长为535.594nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第一干涉滤光片(IF1)中心波长为532.23nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>70％，带外抑制优于4个量级。
所述光束转折系统中的第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)光学参数相同，直径120mm，中心厚度12mm，镀膜波长532nm，镀膜反射率>99.5％；第四45°反射镜(RM4)直径25.4mm，工作角度45°，对400-750nm光反射率>99％；准直透镜(L4)有效焦距200mm，有效孔径39mm；第一会聚透镜(L1)、第二会聚透镜(L2)、第三会聚透镜(L3)光学参数相同，有效焦距50mm，有效孔径25mm；第一反射镜(RM5)、第二反射镜(RM6)在532nm至540nm波长范围内的反射率大于99％，且第一反射镜(RM5)与光轴方向夹角为
Figure BDA0002971855660000091
Figure BDA0002971855660000092
第二反射镜(RM6)与光轴方向夹角为
Figure BDA0002971855660000093
第一会聚透镜(L1)、第二会聚透镜(L2)的镜面均镀有532nm增透膜。
所述第一探测器(PMT1)实现对弹性回波信号的提取；所述第二探测器(PMT2)实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4的单支单谱线信号的提取；所述第三探测器(PMT3)实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝14的单支单谱线信号的提取。
如图3、图4所示，各拉曼通道体布拉格光栅的透过率曲线中心波长与提取的目标特征谱线相匹配，对邻近O2分子谱线信号产生2个数量级的抑制；光谱滤波单元各探测通道组合采用体布拉格光栅(VBG)和超窄带干涉滤光片，对532.083nm波长的信号产生大于7个数量级的抑制，从而实现对大气中N2分子Stokes谱J＝4和14双特征谱线的高效提取。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，包括：
种子激光器(SEL)、固体激光器(SOL)、扩束镜(BE)、第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)、第四45°反射镜(RM4)、望远镜(TE)、可调光阑(IRIS)、准直透镜(L4)、第一温度控制系统(TC1)、第一体布拉格光栅(VBG1)、第一反射镜(RM5)、第三干涉滤光片(IF3)、第三会聚透镜(L3)、第三探测器(PMT3)、第二温度控制系统(TC2)、第二体布拉格光栅(VBG2)、第二反射镜(RM6)、第二干涉滤光片(IF2)、第二会聚透镜(L2)、第二探测器(PMT2)、第一干涉滤光片(IF1)、第一会聚透镜(L1)、第一探测器(PMT1)、三通道瞬态记录仪(LICEL)、计算机(PC)；
所述的种子激光器(SEL)、固体激光器(SOL)、扩束镜(BE)、第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)依次通过光路串连组成发射单元，所述发射单元将极窄线宽的532.083nm激光铅锤导向天顶与大气分子和气溶胶粒子发生作用；
所述的望远镜(TE)、可调光阑(IRIS)、第四45°反射镜(RM4)、准直透镜(L4)、第一温度控制系统(TC1)、第一体布拉格光栅(VBG1)、第一反射镜(RM5)、第三干涉滤光片(IF3)、会聚透镜(L3)、第三探测器(PMT3)、第二温度控制系统(TC2)、第二体布拉格光栅(VBG2)、第二反射镜(RM6)、第二干涉滤光片(IF2)、会聚透镜(L2)、第二探测器(PMT2)、第一干涉滤光片(IF1)、会聚透镜(L1)、第一探测器(PMT1)依次通过光路串连组成光学接收单元，所述光学接收单元用于接收激光与大气分子和气溶胶发生作用产生的后向散射光；
所述的三通道瞬态记录仪(LICEL)为信号采集单元，瞬态记录仪同时以模拟和光子计数两种模式记录探测器探测的数据，并实时传输至控制单元；
所述计算机(PC)为控制单元，对采集数据进行实时存储，并通过时序电路保障整个雷达系统有序工作。
2.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述发射单元采用种子注入的固体激光器(SOL)发射单脉冲能量～900mJ，重复频率30Hz，线宽<0.006cm-1的532.083nm激光经第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)后于望远镜正上方铅锤导向天顶；所述光学接收单元和所述信号采集单元由两个Raman通道和一个弹性通道组成，分别提取弹性回波信号和N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4和14的两支单谱线信号，对532.083nm附近的光产生优于7个量级的抑制，对邻近O2分子谱线信号产生～2个量级的抑制；雷达系统视场～0.5mrad，弹性通道带宽为0.3nm，两个Raman通道带宽为～124pm，具备全天时工作能力，能有效减小雷达高度探测盲区。
3.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述种子激光器(SEL)产生极窄线宽的1064nm基频光；1064nm基频光经光纤导入所述固体激光器(SOL)内，经所述固体激光器(SOL)放大级放大和倍频晶体倍频得到放大倍频后激光，放大倍频后激光的特性为：单脉冲能量为900mJ，重复频率为30Hz，线宽小于0.006cm-1，激光光束直径为532.083nm；所述扩束镜(BE)为8倍扩束，将激光光束直径为532.083nm的放大倍频后激光进行8倍倍率扩束，并以8倍倍率压缩放大倍频后激光的光束发散角，得到扩束后激光。
4.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述的第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)组成光束转折系统，将扩束后激光进行光束转折处理，以>99％的反射率将激光器发射的扩束后532.083nm水平激光导入所述望远镜(TE)正上方并垂直射向天顶与大气物质发生作用。
5.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述望远镜(TE)接收532.083nm激光与大气物质作用后产生的后向散射光信号，望远镜(TE)有效通光孔径为400mm，信号强度和信噪比相比200mm口径望远镜得到明显提高；后向散射光信号经所述可调光阑(IRIS)后由所述第四45°反射镜(RM4)转折并照射所述准直透镜(L4)，经所述准直透镜(L4)准直后变为平行光；
所述可调光阑(IRIS)设置在所述望远镜(TE)焦平面处，开孔直径～2mm，雷达视场～0.5rmad；
准直后的平行光入射所述第一体布拉格光栅(VBG1)发生衍射效应产生衍射光和透射光，衍射光依次经过所述的第一反射镜(RM5)、所述第三干涉滤光片(IF3)、第三会聚透镜(L3)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第三探测器(PMT3)记录；透射光照射所述第二体布拉格光栅(VBG2)发生衍射效应产生衍射光和透射光，依次经过所述的第二反射镜(RM6)、所述第二干涉滤光片(IF2)、第二会聚透镜(L2)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第二探测器(PMT2)记录；经过所述第二体布拉格光栅(VBG2)的透射光照射所述第一干涉滤光片(IF1)，经所述第一会聚透镜(L1)会聚变为光束直径小于8mm的会聚光并被所述第一探测器(PMT1)记录；所述的第一温度控制系统(TC1)、第二温度控制系统(TC2)能够保持所述第一体布拉格光栅(VBG1)、所述第二体布拉格光栅(VBG2)工作在所需的恒温环境，且控温精度达0.05K。
6.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述的第一体布拉格光栅(VBG1)有效孔径20mm，中心波长为533.325nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ1，使533.325nm波长光位于所述的第一体布拉格光栅(VBG1)衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ3，对O2分子J＝5的533.143nm谱线信号和O2分子J＝7的533.47nm谱线信号产生～2个量级的抑制，同时透过其它回波信号，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制。
7.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述第二体布拉格光栅(VBG2)的有效孔径20mm，中心波长为535.594nm，峰值透过率>85％，带宽90pm，角度选择性8mrad，通过调节工作角度θ2，使535.594nm波长光位于所述第二体布拉格光栅(VBG2)衍射效率曲线峰值处，衍射光角度为θ4，对O2分子J＝19的535.433nm谱线信号和O2分子J＝21的535.76nm谱线信号产生～2个量级的抑制，对波长为532.083nm的信号产生～4个数量级的抑制。
8.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
第三干涉滤光片(IF3)中心波长为533.325nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第二干涉滤光片(IF2)中心波长为535.594nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>75％，对波长532.083nm的信号产生大于4个数量级的抑制，带外抑制优于7个数量级；
第一干涉滤光片(IF1)中心波长为532.23nm，带宽为0.3nm，峰值透过率>70％，带外抑制优于4个量级。
9.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述第一45°反射镜(RM1)、第二45°反射镜(RM2)、第三45°反射镜(RM3)光学参数相同，直径120mm，中心厚度12mm，镀膜波长532nm，镀膜反射率>99.5％；第四45°反射镜(RM4)直径25.4mm，工作角度45°，对400-750nm光反射率>99％；准直透镜(L4)有效焦距200mm，有效孔径39mm；第一会聚透镜(L1)、第二会聚透镜(L2)、第三会聚透镜(L3)光学参数相同，有效焦距50mm，有效孔径25mm；第一反射镜(RM5)、第二反射镜(RM6)在532nm至540nm波长范围内的反射率大于99％，且第一反射镜(RM5)与光轴方向夹角为
Figure FDA0002971855650000041
第二反射镜(RM6)与光轴方向夹角为
Figure FDA0002971855650000042
第一会聚透镜(L1)、第二会聚透镜(L2)的镜面镀有532nm增透膜。
10.根据权利要求1所述的基于体布拉格光栅的单支谱测温激光雷达系统，其特征在于，
所述第一探测器(PMT1)实现对弹性回波信号的提取；所述第二探测器(PMT2)实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝4的单支单谱线信号的提取；所述第三探测器(PMT3)实现对N2分子Stokes纯转动Raman谱J＝14的单支单谱线信号的提取。
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