[发明专利]一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法

摘要

本发明公开的自校正转动拉曼激光雷达测温系统及其反演方法，包括依次连接的脉冲激光器和准直扩束器，沿准直扩束器的光路出射方向依次设置有分光镜、反射镜，分光镜反射光路方向上设置有光电检测器，还包括有望远镜，望远镜的输出光口固定有光纤耦合器，反射镜位于望远镜的筒口处，光纤耦合器依次连接有一级光谱分光系统、二级光谱分光的相对探测系统、系统控制处理平台，一级光谱分光系统和系统控制处理平台之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统，系统控制处理平台分别与脉冲激光器、光电检测器连接。兼具相对探测距离远和绝对探测无需校正的优势，具备白天探测的能力，能实现自校正全天时的大气温度遥感探测。

主权项

1.一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光器(1)和准直扩束器(2)，沿所述准直扩束器(2)的光路出射方向依次设置有分光镜(3)、反射镜(5)，所述分光镜(3)反射光路方向上设置有光电检测器(4)，

还包括有望远镜(8)，所述望远镜(8)的输出光口固定有光纤耦合器(9)，所述反射镜(5)位于望远镜(8)的筒口处，所述光纤耦合器(9)依次连接有一级光谱分光系统(11)、二级光谱分光的相对探测系统(13)、系统控制处理平台(20)，所述一级光谱分光系统(11)和系统控制处理平台(20)之间还连接有二级光谱分光的绝对探测系统(15)，所述系统控制处理平台(20)分别与脉冲激光器(1)、光电检测器(4)连接。

2.如权利要求1所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述光纤耦合器(9)通过接收光纤(10)与一级光谱分光系统(11)连接，所述一级光谱分光系统(11)通过第一连接光纤(12)与二级光谱分光的相对探测系统(13)连接，所述一级光谱分光系统(11)通过第二连接光纤(14)与二级光谱分光的绝对探测系统(15)连接；所述系统控制处理平台(20)通过第一连接电缆(16)与二级光谱分光的绝对探测系统(15)连接；系统控制处理平台(20)通过第二连接电缆(17)与二级光谱分光的相对探测系统(13)连接，系统控制处理平台(20)通过第三连接电缆(18)与光电检测器(4)连接，系统控制处理平台(20)通过第四连接电缆(19)与脉冲激光器(1)连接。

3.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述接收光纤(10)、第一连接光纤(12)及第二连接光纤(14)均为多模光纤，且其纤芯直径为0.4mm，数值孔径为0.22mm。

4.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述一级光谱分光系统(11)包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜(21)、F‑P光谱梳滤光器(22)、第一会聚透镜(23)、小孔光阑(24)、第二准直透镜(25)及第一衍射光栅(28)，所述第一准直透镜(21)位于一级光谱分光系统(11)上靠近接收光纤(10)的位置，所述第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的输入端面与小孔光阑(24)均位于第二准直透镜(25)的焦平面上。

5.如权利要求4所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的纤芯中心呈对称设置，所述小孔光阑(24)中心与第二准直透镜(25)焦点连线的延长线为第一连接光纤(12)和第二连接光纤(14)的对称线。

6.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述一级光谱分光系统(11)包括沿出射光路方向依次设置的第一准直透镜(21)、F‑P光谱梳滤光器(22)、长波通二向色镜(27)及第二会聚透镜(28)，所述长波通二向色镜(27)反射光路方向上设置有第三会聚透镜(29)；

所述第一准直透镜(21)位于一级光谱分光系统(11)上靠近接收光纤(10)的位置，所述第二会聚透镜(28)位于一级光谱分光系统(11)上靠近第二连接光纤(14)的位置，所述第三会聚透镜(29)位于一级光谱分光系统(11)上靠近第一连接光纤(12)的位置。

7.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述二级光谱分光的相对探测系统(13)包括沿出射光路方向依次设置的第三准直透镜(30)、第一窄带干涉滤光片(31)、第四会聚透镜(32)、第一光电倍增管检测系统(33)，沿所述第一窄带干涉滤光片(31)反射光路方向依次设置有第二窄带干涉滤光片(34)、第五会聚透镜(35)、第二光电倍增管检测系统(36)；

所述第二连接电缆(17)包括电缆a(17‑1)和电缆b(17‑2)，所述第一光电倍增管检测系统(33)通过电缆a(17‑1)与系统控制处理平台(20)连接，所述第二光电倍增管检测系统(36)通过电缆b(17‑2)与系统控制处理平台(20)连接，所述第三准直透镜(30)位于二级光谱分光的相对探测系统(13)上靠近第一连接光纤(12)的位置。

8.如权利要求2所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统，其特征在于，所述二级光谱分光的绝对探测系统(15)包括沿出射光路方向依次设置的第四准直透镜(37)、第二衍射光栅(38)，所述第四准直透镜(37)远离第二衍射光栅(38)一侧的焦平面上设置有光纤密排线阵列(39)，且所述光纤密排线阵列(39)位于二级光谱分光的绝对探测系统(15)上靠近第二连接光纤(14)的位置，光纤密排线阵列(39)连接有线阵光电倍增探测系统(40)，所述第一连接电缆(16)连接在线阵光电倍增探测系统(40)上。

9.如权利要求8所述的一种自校正转动拉曼激光雷达测温系统的反演方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、先将均匀光谱密度的宽带光源信号接入所述接收光纤(10)，再在所述光纤密排线阵列(39)中提取波长分别为533.34nm、534.24nm、534.70nm、535.60nm、536.51nm及536.97nm的六条谱线，并分别对上述六条谱线的拉曼通道转换效率η_i进行校正；

其中，i为拉曼通道序号，i＝1，2，3，4，5，6；

步骤2、将激光雷达回波信号接入接收光纤(10)，根据所述二级光谱分光的绝对探测系统(15)测得步骤1中六路转动拉曼信号通道的输出信号功率P_i(z，T)，并结合步骤1的通道效率η_i对接收信号进行归一化，则

P′_i(z，T)＝P_i(z，T)/η_i    (1)；

式(1)中，z为探测高度，T表示大气温度；

步骤3、根据步骤2得到的输出信号功率P_i(z，T)，并利用最小二乘原理，结合激光雷达方程与转动拉曼信号的散射截面积σ_i(J_n，T)进行匹配，直接反演最佳的温度廓线T_a(z)；

所述激光雷达方程为

P′_i(z，T)＝K(z)·σ′_i(J_n，T)     (2)；

式中，K(z)为拟合P′_i(z)的系统因子，J_n表示拉曼通道i对应的转动量子数，σ′_i(J_n，T)为温度T时转动量子数J_n的转动拉曼信号的散射截面积；

步骤4、根据所述二级光谱分光的相对探测系统(13)测得的两路同步转动拉曼信号通道的输出信号功率P_L(z，T)和P_H(z，T)，其中，H表示高转动量子数拉曼通道，L表示低转动量子数拉曼通道，计算得到两路转动拉曼信号之比R(T，z)，

R(T，z)＝P_H(z，T)/P_L(z，T)    (3)；

步骤5：利用步骤3中算得的温度廓线T_a(z)，基于最小二乘原理选取不同高度处测量的温度T，结合相对探测的温度反演算法，校正相对探测的温度反演算法中的系统因子A、B和C，即完成大气温度探测激光雷达系统的自校正，所述相对探测的温度反演算法的公式为

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