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    重庆时时彩有做假的吗: 一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统.pdf

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    一种 紫外 转动 测温 激光雷达 系统
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    摘要
    申请专利号:

    CN201710045075.5

    申请日:

    2017.01.20

    公开号:

    CN106772441A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01S 17/95申请日:20170120|||公开
    IPC分类号: G01S17/95; G01S7/481; G01K11/32 主分类号: G01S17/95
    申请人: 武汉大学
    发明人: 余长明; 易帆; 张云鹏; 柳付超; 何裕金; 翁淼
    地址: 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学
    优先权:
    专利代理机构: 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 代理人: 赵丽影;代文成
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201710045075.5

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统。该激光雷达系统由发射单元、光学接收和双光栅多色仪单元以及光电转换与控制单元组成。发射单元采用种子注入的固体激光器输出极窄线宽的354.7nm紫外激光并导向天顶;光学接收和双光栅多色仪单元用于收集来自大气物质的后向散射光,并能以0.2??nm的谱分辨率对散射光谱中的纯转动拉曼谱进行提取,利用纯转动拉曼谱线强度随温度的变化得到大气温度的信息。光电转换与控制单元保障整个雷达系统有序工作。本发明的紫外纯转动拉曼激光雷达是让雷达工作在紫外波段,这样可以明显降低太阳背景光,可用于大气温度的全天时测量。

    权利要求书

    1.一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,包括发射单元、光学接收和双光栅多色仪
    单元以及光电转换与控制单元,其特征在于:所述发射单元包括种子激光器、Nd:YAG固体激
    光器、扩束器、折反镜;固体激光器产生的354.7nm的紫外激光,经过扩束器进行5倍扩束后
    由折反镜反射到大气中;
    所述光学接收和双光栅多色仪单元按照光线路径依次包括望远镜、小孔光阑、准直透
    镜、45度反射镜、带通滤光片、透镜、光纤1、光纤模式混合器、光纤2、双光栅多色仪;
    激光与大气相互作用的后向散射光由卡塞格林式望远镜接收后,被汇聚到放置在望远
    镜焦平面的小孔光阑上,经过小孔光阑的光通过准直透镜转化成准平行光,准平行光被45
    度反射镜反射到一片中心波长354.7nm ,在350-360nm的平均透过率大于90%的带通滤光
    片,由带通干涉滤光片出射的光被透镜耦合进芯径为1000μm ,数值孔径为0.22 的光纤1,
    光纤1出射光通过光纤模式混合器导入芯径为600μm,数值孔径为0.22 的光纤2中,光纤2将
    回波信号导入双光栅多色仪用于提取纯转动拉曼信号,测量大气温度;
    所述光电转换与控制单元包括光子计数器、计算机;双光栅多色仪输出的光信号通过
    光电倍增管与光子计数器连接,光子计数器与计算机连接。
    2.根据权利要求1所述的一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,其特征在于:所述双
    光栅多色仪包括两级单光栅多色仪,每级多色仪结构均相同,第一级多色仪包括光栅1、准
    直-汇聚透镜1、光纤束阵列端面1;第二级多色仪包括光栅2、准直-汇聚透镜2、光纤束阵列
    端面2;两级单光栅多色仪通过光纤束阵列4相连;第一级单光栅多色仪的作用是光谱分离,
    其输出的弹性信号由光纤3导出到光电倍增管1—PMT1中进行信号采集;纯转动拉曼信号由
    光纤4导入到双光栅多色仪的第二级,第二级的输出光分别由光纤5和光纤6导出,由光纤5
    和光纤6分别导入到光电倍增管2—PMT2和光电倍增管3—PMT3中进行信号采集;
    光纤3、光纤5和光纤6分别与光电倍增管1、光电倍增管2 和光电倍增管3相连,光电倍
    增管PMT1、PMT2和PMT3与3通道光子计数器连接,由光电倍增管进行光电转换,光子计数器
    对转换的电信号进行采集,最后输出到与光子计数器相连的计算机内进行存储。
    3.根据权利要求1所述的一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,其特征在于:所述带
    通滤光片的中心波长354.7nm ,在350-360nm的平均透过率大于90%。
    4.根据权利要求1所述的一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,其特征在于:所述光
    纤1和光纤2为两根不同芯径的光纤。

    说明书

    一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统

    技术领域

    本发明涉及一种探测大气温度的紫外纯转动拉曼激光雷达系统。

    背景技术

    大气温度是非常重要的参数,它描述了大气的热平衡结构。温度还是很多大气模
    式的重要参量,被广泛应用于大气动力学,气候变化和天气过程的研究中。精准的测量大气
    温度意义重大,大气温度的结构变化可以帮助我们理解气候变化等现象。

    激光雷达以其高时空分辨能力、高探测灵敏度以及可连续探测等特点,被广泛应
    用于大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中,尤其适合对大气参量的探测。激光雷达测
    量低平流层以下高度温度的方法丰富,包括:利用分子振动拉曼信号的积分技术,纯转动拉
    曼技术,高光谱技术等?;旨际醣匦爰偕璐笃τ诰擦ρ胶馓?,先反演出大气分子数密
    度,再得到温度。在对流层内,特别是湍流旺盛时,大气需要很长的时间才能达到新的静力
    学平衡态,雷达信号需要经过长时间的累积(几个小时)才能精确测得大气温度。高光谱技
    术利用Rayleigh-Brillion光谱半宽随温度的变化得到大气温度。由于Rayleigh-Brillion
    光谱半宽极窄,部分频率与极强的米氏散射光谱重叠。在极窄的频率范围内,完全不受强信
    号(米氏散射信号)的干扰得到温度信息,对雷达系统的性能要求极高。纯转动拉曼技术利
    用纯转动拉曼光谱半宽随温度的变化获得大气温度,属于光谱测温技术。它的测温原理十
    分优越,无需假设静力学平衡态,仅需满足热平衡即可。在低层大气空气分子之间的碰撞非
    常频繁,热平衡非常容易满足。纯转动拉曼技术对雷达的设备性能要求并不苛刻,更容易实
    现大气温度测量。综合考虑测温原理和技术复杂程度,纯转动拉曼技术是最适合推广的测
    温方式。

    纯转动拉曼激光雷达有多种光谱提取方式:干涉滤光片组,双光栅多色仪,Fabry-
    Perot Interferometer加双光栅多色仪和原子滤波器加光栅等。干涉滤光片组是让多片干
    涉滤光片以不同的角度级联工作,提取纯转动拉曼谱Stokes 或者anti-Stokes 单边的谱
    线。干涉滤光片组的优点:结构简单稳定,调试方便,非常适合在严峻环境提取纯转动拉曼
    谱。双光栅多色仪是干涉滤光片组以外的另一种主要方式,它可以同时提取Stokes 和
    anti-Stokes 两边具有相同或者相近温度相关性的谱线。双光栅多色仪对环境温度同样不
    敏感,中心波长和接收带宽非常稳定。多数纯转动拉曼激光雷达工作在可见光波段(532nm
    ),这个波段正好位于太阳辐射功率谱的峰值附近,在白天测量大气温度效果不好。Fabry-
    Perot Interferometer(FPI)加双光栅多色仪和原子滤波器加光栅也可以实现白天温度测
    量。但是,这两种纯转动拉曼激光雷达技术复杂,系统不稳定,无法长期可靠的测量大气温
    度。

    发明内容

    本发明的目的是提出了一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,在保证测温原理
    和技术复杂程度的基础上,能对大气温度进行全天时的常规探测。该激光雷达由发射单元、
    光学接收和双光栅多色仪单元以及光电转换与控制单元等三部分组成,其中发射单元是用
    来产生354.7nm波长激光的部分,目的是产生紫外激光脉冲并将其发射到空中,使其与大气
    中的物质相互作用,产生后向散射回波。光学接收和双光栅多色仪单元用于收集回波信号,
    提取回波信号中的来自大气分子的纯转动拉曼谱Stokes (J6和J12)和anti-Stokes (J8和
    J14)双边谱线,并滤除背景噪声。光电转换与控制单元主要实现光电转换、光子计数以及数
    据存储等功能。

    为了实现上述目的,本发明提供的技术方案是:

    一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统,包括发射单元、光学接收和双光栅多色仪单
    元以及光电转换与控制单元,所述发射单元包括种子激光器、Nd:YAG固体激光器、扩束器、
    折反镜;固体激光器产生的354.7nm的紫外激光,经过扩束器进行5倍扩束后由折反镜反射
    到大气中;

    所述光学接收和双光栅多色仪单元按照光线路径依次包括望远镜、小孔光阑、准直透
    镜、45度反射镜、带通滤光片、透镜、光纤1、光纤模式混合器、光纤2、双光栅多色仪;

    激光与大气相互作用的后向散射光由卡塞格林式望远镜接收后,被汇聚到放置在望远
    镜焦平面的小孔光阑上,经过小孔光阑的光通过准直透镜转化成准平行光,准平行光被45
    度反射镜反射到一片中心波长354.7nm ,在350-360nm的平均透过率大于90%的带通滤光
    片,由带通干涉滤光片出射的光被透镜耦合进芯径为1000μm ,数值孔径为0.22 的光纤1,
    光纤1出射光通过光纤模式混合器(FMH)导入芯径为600μm,数值孔径为0.22 的光纤2中,光
    纤2将回波信号导入双光栅多色仪用于提取纯转动拉曼信号,测量大气温度;

    所述光电转换与控制单元包括光子计数器、计算机;双光栅多色仪输出的光信号通过
    光电倍增管与光子计数器连接,光子计数器与计算机连接。

    所述双光栅多色仪包括两级单光栅多色仪,每级多色仪结构均相同,第一级多色
    仪包括光栅1、准直-汇聚透镜1、光纤束阵列端面1;第二级多色仪包括光栅2、准直-汇聚透
    镜2、光纤束阵列端面2;两级单光栅多色仪通过光纤束阵列4相连;第一级单光栅多色仪的
    作用是光谱分离,其输出的弹性信号由光纤3导出到光电倍增管1—PMT1中进行信号采集;
    纯转动拉曼信号由光纤4导入到双光栅多色仪的第二级,第二级的输出光分别由光纤5和光
    纤6导出,由光纤5和光纤6分别导入到光电倍增管2—PMT2和光电倍增管3—PMT3中进行信
    号采集;

    光纤3、光纤5和光纤6分别与光电倍增管1、光电倍增管2 和光电倍增管3相连,光电倍
    增管PMT1、PMT2和PMT3与3通道光子计数器连接,由光电倍增管进行光电转换,光子计数器
    对转换的电信号进行采集,最后输出到与光子计数器相连的计算机内进行存储。

    所述带通滤光片的中心波长354.7nm ,在350-360nm的平均透过率大于90%。

    所述光纤1和光纤2为两根不同芯径的光纤,可以扩大雷达的接收视场,可以让汇
    聚进光纤(F2)的光强分布更均匀。

    与现有技术相比,本发明采用紫外发射光源,利用双光栅单色仪同时提取Stokes
    和anti-Stokes两边具有相同或者相近温度相关性的谱线;同时抑制弹性散射和太阳背景
    光,能够很好地得到纯度很高的转动拉曼谱,且具有长期的稳定性和可靠的测量大气温度。
    白天测量高度范围从近地面到2km左右,夜晚从近地面到10km,适合高时空分辨率的大气温
    度全天时测量的推广。

    附图说明

    图1 为本发明实施例的一种紫外纯转动拉曼测温激光雷达系统工作原理图。

    图2 是本发明实施例的双光栅多色仪原理图。

    图3 是本发明实施例的光纤束阵列端面1和光纤束阵列端面2的光纤布局图,其
    中,F代表光纤,F1代表光纤1,F41代表光纤4中的第一根光纤;其他以此类推。

    具体实施方式

    下面结合附图对本发明作进一步说明。

    本发明的关键在于采用种子注入的ND:YAG固体激光器的三倍频激光(355nm)作为
    发射光,以及采用双光栅多色仪同时采集Stokes 和anti-Stokes 双边的纯转动拉曼谱(频
    率对称)进行大气温度测量。由于双光栅多色仪对环境温度同样不敏感,中心波长和接收带
    宽非常稳定,并且采用紫外355nm波段的激光作为发射光源,可有效降低太阳背景光对回波
    信号的影响,可实现大气温度的全天时观测。

    本发明的激光雷达系统由三部分组成,即发射单元、光学接收和双光栅多色仪单
    元以及光电转化与和控制单元。如附图1。

    发射单元由由种子激光器、Nd:YAG固体激光器、扩束器、折反镜组成。固体激光器
    产生的355nm的紫外激光,经过扩束器进行5倍扩束后由折反镜反射到大气中。

    激光与大气相互作用的后向散射光由450mm有效孔径的卡塞格林式望远镜接收
    后,被汇聚到放置在望远镜焦平面的小孔光阑上。经过小孔光阑的光通过准直透镜转化成
    具有一定发散角的准平行光。准平行光被45度反射镜反射到一片中心波长354.7nm ,在
    350-360nm的平均透过率大于90%的带通滤光片。它的作用:将进入分光系统的光限定在比
    较窄的频率范围内,防止光谱越级重叠,并降低雷达信号背景光的带宽。由带通干涉滤光片
    出射的光被透镜耦合进芯径为1000μm ,数值孔径为0.22 的光纤1。光纤1出射光通过光纤
    模式混合器(FMH)导入芯径为600μm,数值孔径为0.22 的光纤2中。光纤2将回波信号导入双
    光栅多色仪用于提取纯转动拉曼信号,测量大气温度。利用光纤模式混合器(FMH)连接两根
    不同芯径的光纤,必然损失一部分光强。但是,采用这种连接方式可以带来很多好处:可以
    扩大雷达的接收视场,可以让汇聚进光纤2的光强分布更均匀。

    双光栅多色仪由两级单光栅多色仪构成。每级多色仪结构都相同,第一级多色仪
    包括光栅1、准直-汇聚透镜1、光纤束阵列端面1;第二级多色仪包括光栅2、准直-汇聚透镜
    2、光纤束阵列端面2;两级单光栅多色仪通过光纤束阵列4相连。如附图2。第一级单光栅多
    色仪的作用是光谱分离,光纤3在第一焦平面提取弹性信号并将其导出到光电倍增管1
    (PMT1)中进行信号采集。纯转动拉曼信号分别为Stokes的J6和J12以及anti-Stokes的J8和
    J14则由四根光纤4提取并导入第二级单光栅多色仪。第二级单光栅多色仪将Stokes 和
    anti-Stokes 两边同为低(J6、J8) 和高(J12、J14)的两部分谱线合并到光纤5和光纤6,并
    导入到光电倍增管2(PMT2) 和光电倍增管3(PMT3)中进行信号采集。同时,第二次光栅衍射
    将从在第一级单光栅多色仪中提取的纯转动拉曼信号所携带的弹性杂散光分开,进一步提
    高纯转动拉曼通道对弹性波长的带外抑制,实现纯转动拉曼通道对弹性波长的带外抑制优
    于8个数量级。

    光纤2的端面定位在透镜1的焦平面上,由它发出的光通过直径120mm、焦距为
    285mm的透镜1准直后入射在反射式闪耀光栅1上,反射式闪耀光栅1的参数如表1所示。经光
    栅1色散的光再次通过透镜1汇聚到焦平面上,被放置在焦平面处的光纤束阵列端面1上特
    定位置的光纤接收。其中,弹性信号被光纤3接收并导出第1级单色光栅多色仪;纯转动拉曼
    谱Stokes的J6、J12和anti-Stokes的J8和J14信号被光纤4(4根芯径为600μm,数值孔径为
    0.22的光纤组成)接收并传输到第2 级光栅多色仪中。光纤 4的另一端固定在光纤束阵列
    另一个端面2上,也被精确定位在直径120mm、焦距为285mm的透镜2的焦平面上。由第1 级光
    栅多色仪提取的光出射后由透镜2准直为平行光入射在反射式闪耀光栅2上,反射式闪耀光
    栅2具有和光栅1相同的参数和工作方式。由光栅2衍射的光再次经过透镜2自汇聚在焦平面
    上。光纤束阵列端面1和光纤束阵列端面2的光纤布局。如附图3。

    第二级单光栅多色仪是第一级的逆光路,它将Stokes 和anti-Stokes 两边同为
    低(J6、J8) 和高(J12、J14)的两部分谱线合并到光纤5和光纤6,并导入到光电倍增管2
    (PMT2) 和光电倍增管3(PMT3)中进行信号采集。同时,第二次光栅衍射将从在第一级单光
    栅多色仪中提取的纯转动拉曼信号所携带的弹性杂散光分开,进一步提高纯转动拉曼通道
    对弹性波长的带外抑制。第一级单光栅多色仪的作用是光谱分离,光纤3在第一焦平面提取
    弹性信号并将其导出到光电倍增1(PMT1)中进行信号采集。

    光电转换与与控制单元包括光电倍增管、多通道光子计数器以及计算机组成。主
    要实现光电转换、光子计数、数据存储等功能。保证整个激光雷达系统有序工作。

    光纤3、光纤5和光纤6分别与光电倍增管1(PMT1)、光电倍增管2(PMT2) 和光电倍
    增管3(PMT3)相连,光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3与3通道光子计数器连接。由光电倍增管进
    行光电转换,3通道光子计数器对转换的电信号进行采集,最后输出到与光子计数器相连的
    计算机内进行存储。

    雷达提取的弹性和纯转动拉曼信号由光纤导入光电倍增管(PMT)进行探测。PMT
    是具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件,具有高增益和低暗噪声的优点,是工作
    在紫外-近红外波段激光雷达首选探测器件。其中光电倍增管采用日本HAMAMATSU公司
    H10721-110,光谱响应范围为230-700nm。光电倍增管的输出脉冲由德国Licel 公司生产的
    信号采集器TR20-160对快速变化的回波信号进行多次的采样和累加,最后可得到激光雷达
    的原始回波数据,上传到计算机进行计算、存储。

    表1(如下表) 为本发明实施例的反射式闪耀光栅的参数表


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