本發(fā)明涉及一種測量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大氣中的現(xiàn)象和過程錯綜復(fù)雜，使得大氣科學(xué)研究在很大程度上要依靠對大氣現(xiàn)象和過程的探測。大氣溫度、水汽和氣溶膠是大氣研究的重要參量。

激光雷達(dá)以其高時空分辨能力、高探測靈敏度以及可連續(xù)探測等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大氣、海洋、陸地和其他目標(biāo)的遙感探測中，尤其適合對大氣參量的探測。激光雷達(dá)測量技術(shù)主要基于光與物質(zhì)的相互作用機(jī)制。具體有：彈性散射、分子振動拉曼、分子純轉(zhuǎn)動拉曼、共振熒光以及差分吸收等技術(shù)。其中，拉曼散射是激光與大氣分子之間的一種非彈性的作用過程。入射光與散射光波長不同，散射光的頻移量與散射物質(zhì)的電子能級分布有關(guān)。拉曼散射可以確定物質(zhì)的屬性，是辨識性的散射。激光雷達(dá)發(fā)射的激光束與大氣中的塵埃、云霧、煙霧以及其它微粒相互作用，產(chǎn)生后向散射的回波光子信號，被激光雷達(dá)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，接收到的回波光子經(jīng)過信號檢測與處理系統(tǒng)，可以得到回波信號強(qiáng)度隨高度分布以及隨時間的變化，進(jìn)而利用激光雷達(dá)方程反演出被探測對象的各種物理參數(shù)的空間分布和時間變化。

激光雷達(dá)測量的大氣溫度和水汽與無線電探空儀等相比，激光雷達(dá)能夠獲得高時空分辨率的溫度和水汽的時空分布情況。測量水汽的激光雷達(dá)主要基于差分吸收和Raman散射兩種原理。差分吸收激光雷達(dá)根據(jù)待測大氣成分對兩個相鄰的波長吸收程度的差異進(jìn)行濃度測量。由于分子的吸收截面比較大，所以差分激光雷達(dá)的測量精度高、測量周期短。但是由于差分吸收激光雷達(dá)對激光光源有較高的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜且造價高昂。Raman 散射激光雷達(dá)則根據(jù)分子微弱的非彈性散射（Raman 散射）進(jìn)行探測，散射光的頻率相對于入射光會發(fā)生一定的偏移，且偏移量只與目標(biāo)分子有關(guān)，而與入射波長無關(guān)，因此可以根據(jù)散射光的強(qiáng)度確定被測氣體組分的濃度。Raman激光雷達(dá)對激光波長沒有特殊要求，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，而且設(shè)備經(jīng)濟(jì)性比較好。

激光雷達(dá)對水汽測量通常采用354.7nm的發(fā)射激光。這樣，需要從大氣散射譜中，將中心波長為386.7nm的氮?dú)夥肿拥恼駝庸庾V和中心波長為407.6nm的水汽分子的Raman 光譜分離出來。如果同時要進(jìn)行高時間分辨率的大氣溫度測量，就要采用干涉濾光片組或者雙光柵多色儀的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)技術(shù)。目前，同時的大氣溫度、水汽和氣溶膠測量的激光雷達(dá)，主要有兩種，干涉濾光片組成的分光系統(tǒng)、干涉濾光片和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合組成的分光系統(tǒng)。

對于單純由干涉濾光片構(gòu)成的分光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定，但是對于純轉(zhuǎn)動拉曼測溫來說，干涉濾光片難以充分抑制兩波長間的相互干擾，對彈性信號的抑制作用有限。干涉濾光片和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合組成的分光系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 很少用于紫外激光分光。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出了一種測量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)。該激光雷達(dá)由發(fā)射單元、光學(xué)接收和分光單元以及數(shù)據(jù)采集與控制單元等三部分組成，其中發(fā)射單元是用來產(chǎn)生354.7nm波長激光的部分，目的是產(chǎn)生激光脈沖并將其發(fā)射到空中，使其與大氣中的物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生后向散射回波。光學(xué)接收和分光單元用于收集回波信號，并將回波信號中的彈性信號（354.7nm）、大氣分子的純轉(zhuǎn)動拉曼譜(中心波長分別為353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm）和振轉(zhuǎn)拉曼譜（386.7nm、407.6nm）信號進(jìn)行分離，根據(jù)各種譜信號強(qiáng)度隨高度的分布，利用激光雷達(dá)方程反演出被探測對象的各種物理參數(shù)的空間分布和時間變化。數(shù)據(jù)采集與控制單元主要實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲等功能，保障整個激光雷達(dá)系統(tǒng)有序工作。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種測量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括發(fā)射單元、光學(xué)接收和分光單元以及數(shù)據(jù)采集與控制單元，所述發(fā)射單元采用固體激光器輸出354.7nm激光并導(dǎo)向天頂；光學(xué)接收和分光單元包括450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、分光鏡、濾光片、透鏡、光纖以及光柵；激光與大氣相互作用的后向散射光由450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡接收后，通過分光鏡、濾光片、透鏡、光纖以及光柵將回波信號中的彈性信號、大氣分子的純轉(zhuǎn)動拉曼譜和振轉(zhuǎn)拉曼譜信號進(jìn)行分離；所述彈性信號的中心波長為354.7nm，大氣分子的純轉(zhuǎn)動拉曼譜中心波長分別為353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm，振轉(zhuǎn)拉曼譜中心波長分別為386.7nm、407.6nm。

所述發(fā)射單元包括Nd:YAG固體激光器、擴(kuò)束器、折反鏡；固體激光器產(chǎn)生的354.7nm的激光，經(jīng)過擴(kuò)束器進(jìn)行5倍擴(kuò)束后由折反鏡反射到大氣中；

所述光學(xué)接收和分光單元包括卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、小孔光闌、分光鏡、濾光片、透鏡、光纖、光纖模式混合器以及雙光柵多色儀；雙光柵多色儀包括兩級單光柵多色儀；望遠(yuǎn)鏡接收到由折反鏡反射到大氣中的激光后，依次經(jīng)過小孔光闌、透鏡L1照射到分光鏡BS1上；

分光鏡BS1的反射光經(jīng)濾光片IF1、透鏡L2后注入光纖F1，光纖F1輸出端與光纖模式混合器連接，光纖模式混合器輸出端與光纖F2相連，光纖F2與雙光柵多色儀的第一級相連，雙光柵多色儀的第一級與雙光柵多色儀的第二級通過光纖F4連接，雙光柵多色儀的第一級的彈性信號光由光纖F3導(dǎo)出，純轉(zhuǎn)動拉曼譜中心波長分別為353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm的信號光由光纖F4導(dǎo)入到雙光柵多色儀的第二級，第二級的輸出光分別由光纖F5和光纖F6導(dǎo)出，光纖F3、F5和F6分別與光電倍增管PMT3、PMT1和PMT2相連；

分光鏡BS1的透射光由BS2再次分為反射部分和投射部分，反射部分經(jīng)濾光片IF2和透鏡L5后進(jìn)入光電倍增管PMT4，投射部分由分光鏡BS3反射后經(jīng)IF3和透鏡L6進(jìn)入光電倍增管PMT5；

所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括光子計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)；光電倍增管PMT1，PMT2，PMT3，PMT4，PMT5輸出接光子計(jì)數(shù)器，由光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集，光子計(jì)數(shù)器與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并顯示。

所述雙光柵多色儀包括兩級單光柵多色儀，第一級多色儀包括光柵G1、透鏡L3、光纖束陣列端面FA1，第二級多色儀包括光柵G2、透鏡L4、光纖束陣列端面FA2；兩級單光柵多色儀通過光纖F4相連；每一級多色儀中的透鏡和光柵均放置在內(nèi)壁有密集消光槽結(jié)構(gòu)的密封盒內(nèi)。

所述分光鏡BS1、分光鏡BS2和分光鏡BS3工作在45度角，分光鏡BS1對372nm以下波段信號光高反，對372nm以上高透；分光鏡BS2對393nm以下波段信號光高反，對372nm以上高透；分光鏡BS3對407nm光高反。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明將干涉濾光片和雙光柵相結(jié)合，充分利用干涉濾光片分光結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定和雙光柵分光系統(tǒng)穩(wěn)定并能對彈性信號有效抑制（~10⁷）的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同時對大氣溫度、水汽和氣溶膠的測量。同時的大氣溫度、水汽和氣溶膠測量對氣象、氣候以及大氣輻射、熱力學(xué)、動力學(xué)的變化研究起著很重要的作用。尤其是隨著近幾年霧霾現(xiàn)象的頻發(fā)，對大氣溫度、水汽和氣溶膠等參數(shù)的同步探測研究，對于理解國內(nèi)區(qū)域大氣霧霾的生消過程等有很好的應(yīng)用價值與前景。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明實(shí)施例的一種測量大氣溫度和水汽以及氣溶膠的激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 為本發(fā)明實(shí)施例的被分離的中心波長分別為353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm譜在純轉(zhuǎn)動拉曼譜中位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的關(guān)鍵在于采用種子注入的ND:YAG固體激光器的三倍頻激光（354.7nm）作為發(fā)射光，以及采用分光鏡、干涉濾光片和光柵分光技術(shù)同時采集大氣散射回波中的彈性散射信號354.7nm、N₂和O₂的Stokes 純轉(zhuǎn)動拉曼譜（中心波長分別為355.6nm和356.2nm）和anti-Stokes 的純轉(zhuǎn)動拉曼譜（中心波長分別為353.5nm和354.1nm）、N₂的振轉(zhuǎn)拉曼譜386.7nm以及H₂O的振轉(zhuǎn)拉曼譜407.6nm，可實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠、溫度以及水汽的高時間分辨率測量。

本發(fā)明的激光雷達(dá)系統(tǒng)由三部分組成，即發(fā)射單元、光學(xué)接收和分光單元以及數(shù)據(jù)采集與控制單元。如附圖1。

發(fā)射單元由固體激光器、擴(kuò)束器、45度折反鏡組成。固體激光器產(chǎn)生的354.7nm的紫外激光，經(jīng)過擴(kuò)束器進(jìn)行擴(kuò)束后由45度折反鏡反射到大氣中。

光學(xué)接收和分光單元由450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、分光鏡、濾光片、透鏡、光纖以及光柵等組成。激光與大氣相互作用的后向散射光由450mm有效孔徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡接收后，被匯聚到放置在望遠(yuǎn)鏡焦平面的小孔光闌上。經(jīng)過小孔光闌的光通過透鏡L1轉(zhuǎn)化成具有一定發(fā)散角的準(zhǔn)平行光。準(zhǔn)平行光被分光鏡BS1分為兩路光：一路光(波長小于372nm )被反射。反射光經(jīng)過中心波長354.7nm ，在350-360nm的平均透過率大于90%的濾光片IF1后，被透鏡L2耦合進(jìn)芯徑為1000μm ，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖F1。光纖F1出射光通過光纖模式混合器（FMH）導(dǎo)入芯徑為600μm，數(shù)值孔徑為0.22 的光纖F2中。

雙光柵多色儀包括兩級單光柵多色儀。每級多色儀結(jié)構(gòu)都相同，第一級多色儀包括光柵G1、透鏡L3、光纖束陣列端面FA1，第二級多色儀包括光柵G2、透鏡L4、光纖束陣列端面FA2。兩級單光柵多色儀通過光纖束陣列F4相連。

光纖F2的出射端面精確定位在透鏡L1的焦平面上，由它發(fā)出的光通過直徑120mm、焦距為285mm的透鏡L1準(zhǔn)直后入射在刻線密度為600 線/mm ，光柵閃耀角為~54°的閃耀光柵G1上。經(jīng)光柵G1色散的光再次通過透鏡L1匯聚到焦平面上，被放置在焦平面處的光纖束陣列端面FA1上的光纖接收。其中，彈性信號被光纖F3接收并導(dǎo)入到光電倍增管PMT3，記為通道3，用于大氣氣溶膠的測量。

含有N₂和O₂的Stokes 純轉(zhuǎn)動拉曼譜的信號光（中心波長為355.6nm和356.2nm）以及含有anti-Stokes 的純轉(zhuǎn)動拉曼譜的信號光（中心波長為353.5nm和354.1nm），通過光柵G1的色散，在空間上被分離開來。被分離的純轉(zhuǎn)動拉曼譜分別由4根芯徑為600μm ，數(shù)值孔徑為0.22的光纖F4傳輸?shù)街睆?20mm、焦距為285mm的透鏡L2的焦平面上。中心波長分別353.5nm、354.1nm 、355.6nm和356.2nm的信號光由透鏡L2準(zhǔn)直后入射在和光柵G1具有相同的參數(shù)和工作方式的光柵G2上。由光柵G2衍射的光再次經(jīng)過透鏡L2自匯聚在焦平面上。光纖束陣列端面FA2放置在透鏡L2的焦平面處。此時，中心波長分別354.1nm和355.6nm的光將重疊在一起，由光纖束陣列端面FA2處的芯徑為1500μm ，數(shù)值孔徑為0.22的光纖F5導(dǎo)入到光電倍增管PMT1中，此通道為純轉(zhuǎn)動拉曼譜的低轉(zhuǎn)動量子數(shù)通道，記為通道1。

中心波長分別353.5nm和356.2nm的光將重疊在一起，由光纖束陣列端面FA2處的芯徑為1500μm ，數(shù)值孔徑為0.22的光纖F6導(dǎo)入到光電倍增管PMT2中。此通道為純轉(zhuǎn)動拉曼譜的高轉(zhuǎn)動量子數(shù)通道，記為通道2。利用光柵G2衍射將純轉(zhuǎn)動拉曼信號所攜帶的彈性雜散光進(jìn)一步分開，提高純轉(zhuǎn)動拉曼通道對彈性波長的帶外抑制，帶外抑制達(dá)到10⁷-10⁸。通道1和通道2信號的比值隨溫度的變化用于大氣溫度的測量。中心波長分別為353.5nm、354.1nm 355.6nm和356.2nm的譜線在純轉(zhuǎn)動拉曼譜中位置，如附圖2。

回波信號中波長大于372nm的信號光透過分光鏡BS1后，由分色鏡BS2分為兩部分。其中，波長小于393nm的信號光被反射，經(jīng)過濾光片IF2，IF2是美國Materion Barr公司生產(chǎn)的窄帶干涉濾光片。IF2的中心波長386.7nm、帶寬0.3nm、帶外抑制10⁷從200-1200nm，對354.7nm彈性散射光的抑制達(dá)到12個數(shù)量級。經(jīng)過IF2后的信號光，被透鏡L5匯聚到光電倍增管PMT4，為大氣N₂分子振轉(zhuǎn)拉曼通道，記為通道4。

回波信號中波長大于393nm的信號光透過分光鏡BS2后，由分光鏡BS3反射。被分光鏡BS3反射的光經(jīng)過窄帶干涉濾光片IF3。IF3也是美國Materion Barr公司生產(chǎn)的窄帶干涉濾光片。該濾光片的中心波長407.6nm、帶寬0.3nm、帶外抑制10⁷從200-1200nm，對354.7nm彈性散射光的抑制達(dá)到12個數(shù)量級。這樣，回波信號中波長大于393nm的信號光濾光片IF3后，只有在407.6nm、帶寬0.3nm的光被透鏡L6匯聚到光電倍增管PMT5，為大氣水汽拉曼通道，記為通道5。由通道4和通道5用于大氣水汽的測量。

各通道的光電信號轉(zhuǎn)換器件是光電倍增管PMT。光電倍增管PMT 是具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光探測器件，具有高增益和低暗噪聲的優(yōu)點(diǎn)，是工作在紫外-近紅外波段激光雷達(dá)首選探測器件。光電倍增管采用日本HAMAMATSU公司H10721-110，光譜響應(yīng)范圍為230-700nm。

數(shù)據(jù)采集與控制單元包括多通道光子計(jì)數(shù)器以及計(jì)算機(jī)組成。光電倍增管的輸出脈沖由德國Licel 公司生產(chǎn)的信號采集器TR20-160對快速變化的回波信號進(jìn)行多次的采樣和累加，最后可得到激光雷達(dá)的原始回波數(shù)據(jù)，上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、存儲。同時保障整個雷達(dá)系統(tǒng)有序工作。