專利名稱：振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)及其處理方法，通過設(shè)計(jì)光路對(duì)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)接收的后向散射光進(jìn)行分別處理，其中高空直接對(duì)通過窄帶濾光片的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，而低空通道使大氣后向散射信號(hào)兩次經(jīng)過窄帶濾光片，進(jìn)一步壓縮拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的中的噪聲，能夠提高系統(tǒng)信噪比。在探測(cè)大氣溫度廓線信息過程中，本發(fā)明解決了激光雷達(dá)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大和低空拉曼散射信號(hào)受彈性散射信號(hào)影響兩個(gè)問題。
背景技術(shù)：
大氣溫度廓線在多個(gè)研究領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。在氣候?qū)W研究方面，全球氣候變暖越來越被人們重視，全球氣候變暖使海平面上升，將使很多島國(guó)面臨災(zāi)難；同時(shí)使極端溫度天氣頻頻出現(xiàn)，極端天氣的出現(xiàn)對(duì)人類生活、生產(chǎn)帶來不利影響。溫度廓線的長(zhǎng)期觀測(cè)則表明，雖然對(duì)流層底部溫度在降低，對(duì)流層頂部和平流層溫度卻在升高，因此，對(duì)大氣溫度廓線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是研究氣候變化的一個(gè)重要方面。
在氣象學(xué)研究方面，大氣溫度是大氣物理、天氣分析與預(yù)報(bào)中的一個(gè)重要?dú)庀髤?shù)。在大氣動(dòng)力學(xué)研究中，準(zhǔn)確的大氣溫度信息對(duì)大氣穩(wěn)定性研究和動(dòng)力學(xué)研究十分重要，同時(shí)準(zhǔn)確的大氣溫度信息能夠有助解釋自然中的天氣現(xiàn)象，能夠提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。在平流層大氣研究中，溫度則與臭氧吸收太陽輻射加熱有很大關(guān)系，該區(qū)溫度變化間接反映了臭氧的變化，同時(shí)，高空大氣溫度與高空重力波和大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)相關(guān)。除地球物理學(xué)方面的研究之外，大氣溫度廓線還是其他一些遙感手段的輸入?yún)?shù)，例如使用拉曼激光雷達(dá)進(jìn)行散射和消光測(cè)量等?？傊?，多項(xiàng)研究迫切需要從邊界層到中間層底部的大氣溫度廓線信息。
由于大氣溫度的重要性，對(duì)大氣溫度的測(cè)量由來已久，除傳統(tǒng)的大氣溫度測(cè)量方式外，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，大氣溫度測(cè)量激光雷達(dá)逐漸發(fā)展為一種新興的大氣溫度測(cè)量?jī)x器。大氣溫度測(cè)量激光雷達(dá)具有時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)， 一般分為下面幾類轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)、振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)、瑞利激光雷達(dá)、金屬離子熒光激光雷達(dá)。多種技術(shù)的激光雷達(dá)互相補(bǔ)充，共同構(gòu)成從地面到高空110Km處溫度廓線的測(cè)量體系。其中，振動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)使用積分技術(shù)反演大氣溫度，探測(cè)的波長(zhǎng)不同于發(fā)射波長(zhǎng)，所以接收系統(tǒng)中不需要高分辨光譜部分，簡(jiǎn)化了激光雷達(dá)系統(tǒng)，因此，在測(cè)量精度許可的情況下可以利用振動(dòng)拉曼散射代替純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射。對(duì)于瑞利激光雷達(dá)， 一般的探測(cè)區(qū)域是30Km以上氣溶膠影響可以忽略的區(qū)域，對(duì) 于5-30Km的區(qū)域內(nèi)，高于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)的極限，低于瑞利激光雷達(dá)的探測(cè)極限， 只能使用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。法國(guó)國(guó)家研究中心Philippe Keckhut1990報(bào)道了綜合使 用振動(dòng)拉曼和瑞利技術(shù)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其振動(dòng)拉曼通道最低的測(cè)量高度為12Km。美國(guó)宇 航局的KdthD. Evans 1997年報(bào)道的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)測(cè)量高度最低為5Km，可以與轉(zhuǎn)動(dòng)拉 曼激光雷達(dá)重合，但其測(cè)量的最大高度僅為10Km，不能達(dá)到瑞利測(cè)溫的最低高度。國(guó)內(nèi)， 中科院安徽光機(jī)所報(bào)道的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果顯示該系統(tǒng)在9-15Km范圍內(nèi)溫度測(cè)量 的準(zhǔn)確度較高。綜合分析多家研究單位的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果可以看出，限制振動(dòng) 拉曼激光雷達(dá)測(cè)量范圍增大的主要原因有兩個(gè)其一，轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)信號(hào)本身比較弱(比 米-瑞利信號(hào)小3-4個(gè)數(shù)量級(jí))，其二，激光雷達(dá)方程距離平方因子的存在使激光雷達(dá)信號(hào)的 動(dòng)態(tài)范圍變化很大，高空信號(hào)很弱。上述兩個(gè)原因存在一定的矛盾性，高空拉曼散射信號(hào)弱， 要求增強(qiáng)發(fā)射激光以獲得更多的拉曼散射，但激光能量的增強(qiáng)，會(huì)使米-瑞利信號(hào)同時(shí)增強(qiáng)， 甚至使光電倍增管飽和，無益于提高系統(tǒng)的信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題通過分高空和低空兩個(gè)通道進(jìn)行探測(cè)，解決激光雷達(dá)信號(hào)的動(dòng) 態(tài)范圍大的問題，并對(duì)低空通道設(shè)計(jì)光路，使光信號(hào)兩次通過濾波，進(jìn)一步壓縮背景噪聲和 彈性散射噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，從而提高了拉曼激光雷達(dá)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和擴(kuò)大溫度 測(cè)量范圍。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
(1) 一臺(tái)脈沖激光器；
(2) 反射脈沖激光的第一反光鏡和第二反光鏡；
(3) 收集大氣的后向散射光信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡；
(4) 限制接收系統(tǒng)視場(chǎng)角的小孔光闌和信號(hào)光準(zhǔn)直透鏡；
(5) 第三反光鏡；
(6) 濾除光信號(hào)噪聲的窄帶濾光片；
(7) 檢測(cè)光信號(hào)的光電倍增管；
(8) 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，主要包括主控計(jì)算機(jī)和光子計(jì)數(shù)卡，該系統(tǒng)與激光器和光電倍 增管相連；其特征是
(9) 所述光電倍增管包括第一光電倍增管和第二光電倍增管，兩光電倍增管分別設(shè)置在窄帶濾波片的兩側(cè)檢測(cè)光信號(hào)；
(10)系統(tǒng)還包括一個(gè)三棱鏡，它設(shè)置在第一光電倍增管與窄帶濾光片之間，將透射部 分光送入第一光電倍增管，反射部分光再窄帶濾光片后送入第二光電倍增管。
振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理方法，其特征在于它包括以下步驟
(1) 主控計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)射脈沖激光，通過兩個(gè)反光鏡全反射進(jìn)入大氣；
(2) 大氣的后向散射通過望遠(yuǎn)鏡收集，經(jīng)準(zhǔn)直鏡將信號(hào)光準(zhǔn)直；
(3) 準(zhǔn)直后的散射光信號(hào)經(jīng)過窄帶濾光片的上半部，濾除背景噪聲和激光的彈性散射；
(4) 經(jīng)過一次窄帶濾光片的光信號(hào)進(jìn)入三棱鏡，在第一個(gè)反射面上，信號(hào)光的透過和反 射比值為l: 1，
(5) 透射光部分進(jìn)入第一光電倍增管進(jìn)行高空探測(cè)；
(6) 反射部分的光信號(hào)經(jīng)過三棱鏡的第二反射面發(fā)生全射反，由窄帶濾光片的下半部第 二次進(jìn)入窄帶濾光片(進(jìn)一步濾除背景噪聲和彈性散射)，并由第二光電倍增管探測(cè)(將光信 號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào))；
(7) 第一、第二光電倍增管探測(cè)到的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行采集處理。 本發(fā)明中所說激光器為Nd:YAG激光器，單脈沖能量可調(diào)，最大為260mJ，激光器工作
在外觸發(fā)狀態(tài)，可以通過調(diào)節(jié)激光器泵浦電流的方式調(diào)節(jié)激光脈沖能量。所說接收望遠(yuǎn)鏡為 卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，焦距為2m，配以小孔限制整個(gè)激光雷達(dá)的接收角。所說的窄帶濾光片，其 作用是保留需要的拉曼光信號(hào)而濾除作為噪聲存在的光信號(hào)，是激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件， 其工作直徑為l英寸，透過中心波長(zhǎng)為607nm，峰值透過率大于40%, 200-1200nm之間壓制 率為107， 532nm理論壓制率可以達(dá)到1012,窄帶濾光片的透過光譜如圖2所示。所說的反射 三棱鏡，入射面鍍有607nm增透膜，第一個(gè)反射面的鍍有607nm波長(zhǎng)半反半透膜，第二個(gè)反 射面鍍有607nm的全反膜。三棱鏡的第一反射面與第一光電倍增管對(duì)應(yīng)窄帶濾波片的上半部 位置；三棱鏡的第二反射面與第二光電倍增管對(duì)應(yīng)窄帶濾波片的下半部位置。
所說的光電倍增管具有較高的增益能夠?qū)崿F(xiàn)單光子的探測(cè)。所說的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包 括，光子計(jì)數(shù)卡和主控計(jì)算機(jī)，光子計(jì)數(shù)卡探測(cè)光電倍增管輸出的電信號(hào)，主控計(jì)算機(jī)主要 功能是提供激光器的外觸發(fā)脈沖信號(hào)、兩個(gè)光電倍增管的門控信號(hào)、光子計(jì)數(shù)卡的觸發(fā)信號(hào)。 光子計(jì)數(shù)卡的采樣速率為200MHz，計(jì)數(shù)閾值電壓可調(diào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)在于
(l)本發(fā)明解決了激光雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍大的問題。將探測(cè)的激光雷達(dá)的信號(hào)分成高
6空段、低空段分別進(jìn)行探測(cè)，高空一般為5-15km的區(qū)域內(nèi)，低空一般指15-30km的區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明使用兩個(gè)倍增管和光子計(jì)數(shù)技術(shù)分別探測(cè)，解決了激光雷達(dá)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大而難以探測(cè)的問題。
(2) 本發(fā)明進(jìn)一步壓縮噪聲。設(shè)計(jì)光路使低空散射光兩次經(jīng)過窄帶濾光片，進(jìn)一步壓縮背景噪聲和彈性散射噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，使探測(cè)范圍向低空擴(kuò)展。
(3) 本發(fā)明可以提高單脈沖能量的方式，增加系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度。通過激光雷達(dá)分段探測(cè)和兩次壓縮噪聲，系統(tǒng)接收到的信號(hào)雖然比較弱，但是很純的拉曼散射信號(hào)，因此，可以通過增加激光雷達(dá)單脈沖能量的方式進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信噪比。
(4) 本發(fā)明解決了多個(gè)濾光片的波長(zhǎng)匹配問題。顯然，若讓低空信號(hào)連續(xù)通過兩個(gè)窄帶濾光片，也能進(jìn)一歩壓縮低空的信號(hào)，但這種方式勢(shì)必存在波長(zhǎng)匹配的問題(兩個(gè)窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)不一定相同)。而事實(shí)上，又有工藝上的問題，兩個(gè)窄帶濾光片很難做到波長(zhǎng)完全匹配，波長(zhǎng)不匹配使探測(cè)效率下降。即使兩個(gè)濾光片能夠做到波長(zhǎng)匹配，其透過率中心波長(zhǎng)隨溫度的變化也不盡相同，也就是說，溫度稍微發(fā)生變化，波長(zhǎng)就不再匹配。而本發(fā)明提出的信號(hào)光兩次經(jīng)過同一個(gè)濾光片，由于是同一個(gè)濾光片，不存在波長(zhǎng)匹配和外界溫度的影響，所以解決了濾光片的波長(zhǎng)匹配問題。


圖1為振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為窄帶濾光片透過光譜示意圖。圖3為三棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)一激光器；2 —第一反光鏡；3 —第二反光鏡；4-望遠(yuǎn)鏡；5-小孔光闌；6-準(zhǔn)直鏡；7-第三全反鏡；8-窄帶濾光片；81-信號(hào)光單次通過濾光片的透過率光譜；82-信號(hào)光兩次通過濾光片的透過率光譜；
9- 三棱鏡；91-信號(hào)光入射面(鍍有607nm增透膜)；92-第一反射面(鍍有607nm半反膜)；93-第二反射面(鍍有607nm的全反膜)；
10- 第一光電倍增管；ll-第二光電倍增管；12-數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，本發(fā)明基于新穎光路的振動(dòng)拉曼溫度測(cè)量激光雷達(dá)，它使用三棱鏡將拉曼散射光信號(hào)分為高空和低空兩個(gè)通道，高空光信號(hào)直接探測(cè)，低空光信號(hào)兩次通過窄帶濾光片，可以提高拉曼激光雷達(dá)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和溫度測(cè)量范圍。
7如圖2所示，窄帶濾光片的透過光譜，81為單次通過濾光片的歸一化后透過率光譜，82 為兩次通過濾光片的歸一化透過率光譜。兩次通過濾光片后通過率為單次通過的平方，具有 更高的噪聲信號(hào)壓縮能力和更窄的通帶帶寬。
如圖3所示，三棱鏡入射面91鍍有607nm增透膜，第一個(gè)反射面92的鍍有607nm波 長(zhǎng)半反半透膜，第二個(gè)反射面93鍍有607nm的全反膜。光信號(hào)走向如圖所示，其中箭頭表 示光的走向，虛線框?qū)挾缺硎竟庑盘?hào)強(qiáng)度，粗細(xì)如圖所示。
該系統(tǒng)由激光器l、第一反光鏡2、第二反光鏡3、望遠(yuǎn)鏡4、小孔光闌5、準(zhǔn)直鏡6、 第三全反鏡7、窄帶濾光片8、三棱鏡9、第一光電倍增管10、第二光電倍增管11、數(shù)據(jù)采 集處理系統(tǒng)12組成。其中第一、第二反光鏡的作用將激光器的激光導(dǎo)向大氣、并且能夠方便 的調(diào)節(jié)激光的光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸平行。望遠(yuǎn)鏡4用于收集大氣的后向散射信號(hào)光信號(hào)，其 口徑大小體現(xiàn)了對(duì)散射光的接收能力大小。小孔光闌5的作用在于限制望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角， 一般 望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光雷達(dá)的視場(chǎng)角，因此需要在望遠(yuǎn)鏡的焦平面附件放置一個(gè)小孔 光闌，小孔光闌擋掉一部散射光，因此能夠限制系統(tǒng)的視場(chǎng)角。準(zhǔn)直鏡6的作用在于將望遠(yuǎn) 鏡接收到的后向散射光變?yōu)槠叫泄?。窄帶濾光片8的作用在于濾除噪聲光信號(hào)，壓縮背景噪 聲和彈性散射噪聲引起的噪聲，是拉曼激光雷達(dá)的核心部件。三棱鏡9的作用在于將一部分 光送入探測(cè)器直接探測(cè)，而將另一部分光再次送入窄帶濾光片進(jìn)一步壓縮噪聲。第一、第二 光電倍增管的作用在于探測(cè)不同高度返回的拉曼散射信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。數(shù)據(jù) 采集處理系統(tǒng)12的主控計(jì)算機(jī)的作用在于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)序進(jìn)行控制，并采集兩個(gè)光電 倍增管的輸出信號(hào)。高空信號(hào)噪聲信號(hào)相對(duì)比較弱，其信號(hào)經(jīng)過一次窄帶濾光片8后送入光 電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)。而低空噪聲信號(hào)很強(qiáng)，使用特殊光學(xué)設(shè)計(jì)，使大氣的后向散射光兩次 經(jīng)過同一個(gè)窄帶濾光片8，總的透過率光譜相當(dāng)于單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制 了光噪聲。發(fā)射波長(zhǎng)的彈性散射和背景光被壓縮后，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增 加發(fā)射激光的單脈沖能量，提高拉曼散射信號(hào)的回波強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確度和 擴(kuò)大溫度測(cè)量范圍。
下面結(jié)合

拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程。
系統(tǒng)開機(jī)工作，首先是對(duì)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置，即通過設(shè)置延時(shí)門控的方法設(shè)定第一、 第二倍增管對(duì)應(yīng)的探測(cè)范圍。激光雷達(dá)工作時(shí)，主控計(jì)算機(jī)給出激光器1出光信號(hào)，激光器 l發(fā)出532nm的激光通過第一、第二反光鏡全反進(jìn)入大氣。激光與大氣相互作用產(chǎn)生瑞利散 射、米散射、和振動(dòng)拉曼散射，其中前兩種散射不改變激光的波長(zhǎng)一般稱為彈性散射，振動(dòng) 拉曼散射改變波長(zhǎng)，使激光變?yōu)?07nm的光信號(hào)，彈性散射的光能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉曼散射的光
8信號(hào)的能量。三種散射光均被望遠(yuǎn)鏡4收集，進(jìn)入激光雷達(dá)接收系統(tǒng)，位于望遠(yuǎn)鏡4焦平面 上的小孔光闌5限制了接收系統(tǒng)的視場(chǎng)角，使視場(chǎng)角在包含激光發(fā)射光束的情況下，盡量減 小發(fā)射角，有利于減少背景光的影響。
為便于后續(xù)光學(xué)處理，由望遠(yuǎn)鏡4收集的光信號(hào)首先經(jīng)小孔光闌5，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡6準(zhǔn)直， 再經(jīng)第三全反鏡7后送入窄帶濾光片8。窄帶濾光片8濾除大部分噪聲光信號(hào)后，信號(hào)光在 三棱鏡9第一反射面92發(fā)生1: 1的透射和反射，透射光由第一光電倍增管IO進(jìn)行探測(cè)(即 高空探測(cè)通道)，通過設(shè)置光電倍增管門控的方式，即在激光器1出發(fā)脈沖發(fā)出一定時(shí)間后使 光電倍增管工作，使第一光電倍增管IO僅探測(cè)高空的拉曼散射光。在第一反射面92的反射 的光，經(jīng)三棱鏡9的第二反射面93發(fā)生全反射后，從窄帶濾光片8的下半部再次送入窄帶濾 光片8,進(jìn)一步壓縮彈性散射引入的噪聲。不可否認(rèn)，兩次通過窄帶濾光片8，對(duì)系統(tǒng)有益的 607nm的光信號(hào)也受到衰減，但其衰減程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)彈性散射的衰減。因此，兩次經(jīng)過窄 帶濾光片8后的信號(hào)有益于提高系統(tǒng)總的信噪比。兩次經(jīng)過窄帶濾光片8后的光信號(hào)由第二 光電倍增管ll進(jìn)行探測(cè)，同樣，通過設(shè)置光電倍增管門控的方式，使第二光電倍增管ll僅 僅探測(cè)低空的拉曼光信號(hào)。光電倍增管的門控和光電倍增管后信號(hào)的探測(cè)均由數(shù)據(jù)采集處理 12的主控計(jì)算機(jī)監(jiān)控，其中光電信號(hào)的探測(cè)，使用單光子計(jì)數(shù)卡。這樣，激光器l每發(fā)射一 個(gè)激光脈沖，主控計(jì)算機(jī)均得到不同高度返回的光子數(shù)廓線，由于只發(fā)一個(gè)激光脈沖，系統(tǒng) 收集的光子個(gè)數(shù)很少，系統(tǒng)必須經(jīng)過多個(gè)激光脈沖的積分后(例如10000個(gè)激光脈沖)，獲取 的光子個(gè)數(shù)才可以用來反演大氣溫度廓線，因此，激光雷達(dá)系統(tǒng)每經(jīng)過一段時(shí)間的積分后將 不同高度對(duì)應(yīng)的光子個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)保護(hù)，并更新所得到的大氣溫度廓線。
權(quán)利要求
1、振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)一臺(tái)脈沖激光器(1)；(2)反射脈沖激光的第一反光鏡(2)和第二反光鏡(3)；(3)收集大氣的后向散射光信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡(4)；(4)限制接收系統(tǒng)視場(chǎng)角的小孔光闌(5)和信號(hào)光準(zhǔn)直透鏡(6)；(5)第三反光鏡(7)；(6)濾除光信號(hào)噪聲的窄帶濾光片(8)；(7)檢測(cè)光信號(hào)的光電倍增管；(8)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(12)，主要(包)括主控計(jì)算機(jī)和光子計(jì)數(shù)卡，該系統(tǒng)與激光器1和光電倍增管相連；其特征是(9)所述光電倍增管包括第一光電倍增管(10)和第二光電倍增管(11)，兩光電倍增管分別設(shè)置在窄帶濾波片(8)的兩側(cè)檢測(cè)光信號(hào)；(10)系統(tǒng)還包括一個(gè)三棱鏡(9)，它設(shè)置在第一光電倍增管(10)與窄帶濾光片(8)之間，將透射部分光送入第一光電倍增管(10)，反射部分光再經(jīng)窄帶濾光片(8)后送入第二光電倍增管(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，激光器(1)采用 Nd:YAG激光器，輸出波長(zhǎng)532nm,單脈沖能量可調(diào)，最大250mJ。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，望遠(yuǎn)鏡(4)為卡塞 格林望遠(yuǎn)鏡，焦距2m;準(zhǔn)直鏡的口徑為lcm，信號(hào)光經(jīng)準(zhǔn)直后光斑大小lcm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，窄帶濾光片(8)中 心波長(zhǎng)為607nm，直徑為2.54cm， 200-1200nm波段壓制率為107。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，三棱鏡(9)為等腰 直角棱鏡，第一反射面(92)鍍有半反膜，第二反射面(93)鍍有全反膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，所述三棱鏡(9)的 第一反射面(92)與第一光電倍增管(10)對(duì)應(yīng)窄帶濾波片(8)的上半部位置；三棱鏡(9)的第二反 射面(93)與第二光電倍增管(11)對(duì)應(yīng)窄帶濾波片(8)的下半部位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)，其中，光子計(jì)數(shù)卡采樣速 率為200MHz，計(jì)數(shù)閾值電壓可調(diào)。
8、 振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理方法，其特征在于它包括以下步驟(1) 主控計(jì)算機(jī)控制激光器(l)發(fā)射脈沖激光，通過兩個(gè)反光鏡全反射進(jìn)入大氣；(2) 大氣的后向散射通過望遠(yuǎn)鏡(4)收集，通過小孔光闌(5)限制接收系統(tǒng)視場(chǎng)角，經(jīng) 準(zhǔn)直鏡(6)將信號(hào)光準(zhǔn)直；(3) 準(zhǔn)直后的散射光信號(hào)經(jīng)過窄帶濾光片(8)的上半部，濾除背景噪聲和激光的彈性散射；(4) 經(jīng)過一次窄帶濾光片(8)的光信號(hào)進(jìn)入三棱鏡(9)，在第一反射面(92)上信號(hào)光的透過和反射比值為l: 1，(5) 透射光部分進(jìn)入第一光電倍增管(10)進(jìn)行高空探測(cè)；(6) 反射部分的光信號(hào)經(jīng)過三棱鏡(9)的第二反射面(92)全反射，由窄帶濾光片(8)的下半 部第二次進(jìn)入所述窄帶濾光片(8)，并由第二光電倍增管(ll)探測(cè)；(7) 第一、第二光電倍增管探測(cè)到的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(12)進(jìn)行采集和處理。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理方法，其中，三棱鏡(9)為等腰直 角棱鏡，第一反射面(92)鍍有半反膜，第二反射面(93)鍍有全反膜。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理方法，其中，窄帶濾光片(8)中 心波長(zhǎng)為607nm，直徑為2.54cm， 200-1200nm波段壓制率為107。
全文摘要
一種基于窄帶濾光片和反射三棱鏡的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)散射光處理系統(tǒng)及其處理方法，本發(fā)明針對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲信號(hào)相對(duì)拉曼散射信號(hào)強(qiáng)兩個(gè)問題，通過將后向散射光分成高、低空兩個(gè)通道進(jìn)行探測(cè)，并充分利用窄帶濾光片，提高了溫度測(cè)量準(zhǔn)確度，擴(kuò)大了溫度測(cè)量范圍。高空信號(hào)噪聲信號(hào)相對(duì)比較弱，其信號(hào)經(jīng)過一次窄帶濾光片后送入光電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，而低空噪聲信號(hào)很強(qiáng)，使用特殊光學(xué)設(shè)計(jì)，使大氣的后向散射光兩次經(jīng)過同一個(gè)濾光片，總的透過率光譜相當(dāng)于單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制了光噪聲。發(fā)射波長(zhǎng)的彈性散射和背景光被壓縮后，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增加發(fā)射激光的單脈沖能量，提高拉曼散射信號(hào)的回波強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確度和擴(kuò)大溫度測(cè)量范圍的目的。
文檔編號(hào)G01S7/48GK101477196SQ20091002814
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者卜令兵, 曹念文 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)