[发明专利]一种基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达

权利要求书

1.一种基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，包括：激光光源(1)、拉曼管(3)、光学发射模块、光学接收模块(7)、分光光谱仪(9)、单光子CCD(10)、光子计数器(11)、主控模块(12)；

所述激光光源(1)用于输出激光，所述激光包括第一波长激光；

所述拉曼管(3)用于接收激光光源(1)输入的激光，产生至少两个波长的拉曼散射光；所述拉曼散射光包括第二波长激光和第三波长激光；所述第二波长激光和第三波长激光的波长差不大于10nm；

所述光学发射模块用于将拉曼管(3)出射的激光发射到探测目标；

所述光学接收模块(7)用于收集探测目标返回的回波信号；

所述分光光谱仪(9)用于对光学接收模块(7)收集的不同波长的回波信号进行空间分离；

所述单光子CCD(10)用于对分光光谱仪(9)输出的多个不同波长的回波信号进行光电转换；

所述光子计数器(11)用于记录单光子CCD所测量的光子数，并将记录的信息发送给主控模块(12)；

所述主控模块(12)用于处理光子计数器(11)发送的信息，从而得到目标位置的目标信息；所述目标信息包括臭氧浓度；

其中，所述主控模块(12)包括时序控制单元和数据处理单元；所述时序控制单元用于分别控制所述单光子CCD(10)上不同像素的工作时序，实现单独控制每个波长回波信号的测量时间；所述数据处理单元用于处理光子计数器(11)发送的信息，从而得到目标位置的目标信息；

所述时序控制单元分别与激光光源(1)和单光子CCD(10)连接，所述时序控制单元用于在所述激光光源(1)发射激光脉冲的第一时间间隔后，控制单光子CCD(10)上用于采集第一通道的像素工作；以及用于在所述激光光源(1)发射激光脉冲的第二时间间隔后，控制单光子CCD(10)上用于采集第二通道的像素工作；第二时间间隔大于第一时间间隔。

2.根据权利要求1所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，所述激光光源(1)为Nd-YAG激光器；所述第一波长为266nm；所述第二波长为289nm，所述第三波长为299nm；所述拉曼管(3)内充有H₂、D₂和缓冲气体，所述D₂用于产生289nm的拉曼散射光，所述H₂用于产生299nm的拉曼散射光；所述缓冲气体用于抑制拉曼管内的激光混频。

3.根据权利要求1或2所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，所述分光光谱仪(9)包括光栅和分束器，所述光栅用于分离光学接收模块(7)输出的不同波长的激光信号，所述分束器用于将接收到的第二波长激光分为两束，其中一束为占比A％的第一分路，另一束为占比B％的第二分路；所述第一波长激光束与第一分路组成第一通道；所述第二分路与第三波长激光组成第二通道；所述第一通道上设置有衰减元件，所述衰减元件用于对第一通道的光信号能量进行衰减。

4.根据权利要求3所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，所述分光光谱仪(9)还包括至少第一狭缝、第二狭缝和第三狭缝，所述第一狭缝用于使光栅分离出的第一波长激光通过，过滤其他波长激光信号；所述第二狭缝用于使光栅分离出的第二波长激光通过，过滤其他波长激光信号；所述第三狭缝用于使光栅分离出的第三波长激光通过，过滤其他波长激光信号。

5.根据权利要求1所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，还包括第一光学透镜(2)和第二光学透镜(4)；所述光学发射模块包括扩束器(5)和平面镜(6)；所述第一光学透镜(2)用于将激光光源(1)出射的激光聚焦到拉曼管(3)；所述第二光学透镜(4)用于会聚拉曼管(3)出射的激光；所述平面镜(6)用于将扩束器(5)出射的激光反射到目标方向。

6.根据权利要求3所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，所述光栅为全息光栅或闪耀光栅。

7.根据权利要求2所述的基于单光子CCD的多波长臭氧激光雷达，其特征在于，所述缓冲气体为Ar或He。