本發(fā)明屬于激光雷達遙感探測技術領域，具體涉及一種能夠準確、高時空分辨率測量自近地面到35km高度范圍大氣溫度的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)。

背景技術：

自近地面到35km高度范圍是整個地球大氣的重要高度區(qū)間：向下，它包括大氣邊界層，是地表與大氣的直接相互作用區(qū)域；向上，它包括低層大氣與中高層大氣的過渡區(qū)。準確、高分辨率地監(jiān)測~0-35km高度范圍的大氣溫度，對精細刻畫在垂直方向上的大氣物質、能量/動量的變化與輸運等至關重要。激光雷達能夠連續(xù)工作，具備高時間與空間分辨率的優(yōu)勢，是進行大氣探測的有力工具。當前，針對大氣溫度進行探測的激光雷達在類型上主要包括：共振熒光測溫激光雷達，瑞利測溫激光雷達和轉動拉曼測溫激光雷達。共振熒光測溫激光雷達需要借助金屬原子“示蹤物”（例如，fe、na、k等）獲取回波信號，測溫高度范圍通常為80-120km。瑞利激光雷達利用大氣分子的瑞利回波，在理想氣體和靜力學平衡假設條件下可得到30-80km潔凈大氣區(qū)域溫度，但在30km以下有氣溶膠存在時工作失效。轉動拉曼測溫激光雷達常通過提取大氣分子（主要為n2與o2分子）位于不同頻譜位置的兩路轉動拉曼回波信號作比來反演溫度，即便在氣溶膠存在時也可有效工作，且具備較高的理論測溫準確度。

當前，已有報道的轉動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)，其有效探測區(qū)間要么對應較低高度范圍（例如，從數百米到~20km附近），要么對應較高高度范圍（例如，從數公里到~30km附近），目前尚無實現(xiàn)~0-35km高度范圍完全覆蓋探測的轉動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)先例。一個重要難點在于，激光雷達回波信號強度與探測高度的平方成反比，且大氣分子數密度隨高度增加而指數規(guī)律減小，這導致激光雷達回波信號強度隨探測高度的增加而急劇衰減。理論模擬計算與實踐經驗都表明，在~0-35km高度范圍的實際雷達回波信號強度動態(tài)變化范圍極大，可跨越至少8個數量級！而常見的用于光電轉換的探測器件（例如，光電倍增管），在常規(guī)工作條件下允許輸入的信號幅度變化范圍往往只有3-4個量級，信號繼續(xù)增強將導致探測器工作異常。為此，考慮到拉曼散射效率較低，為有效增強在較高高度上的拉曼回波信號強度，要求配備大功率的激光器，加大望遠鏡有效口徑和盡量提高光學接收系統(tǒng)傳輸效率；但與此同時，為實現(xiàn)對較低高度上強信號的準確提取，即讓低空回波信號強度落入探測器允許的強度范圍之內，則要求極大程度地降低接收光學系統(tǒng)的傳輸效率（或改變雷達系統(tǒng)光學設計方案，降低發(fā)射激光功率與縮小望遠鏡口徑）?？梢?，在發(fā)射激光功率、望遠鏡口徑及光學接收系統(tǒng)效率給定的情況下，對高空弱信號和低空強信號的同時有效接收難以兼顧。或者說，要同時實現(xiàn)對高空弱信號和低空強信號的有效提取，對雷達光學系統(tǒng)提出的性能參數要求是相互矛盾的。

技術實現(xiàn)要素：

為實現(xiàn)自近地面到35km高度范圍內大氣溫度的高精度探測：一方面，要求有效增強在較高高度上的拉曼回波信號強度；另一方面，需要同時實現(xiàn)在整個探測高度范圍內拉曼回波信號的有效提取。為此，本發(fā)明提出了一種高精度測量~0-35km大氣溫度的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，系統(tǒng)由發(fā)射單元、光學接收單元和數據采集與控制單元組成。發(fā)射單元采用種子注入的大功率固體激光器輸出極窄線寬的532.23nm激光并導向天頂；光學接收單元采用分層接收技術，通過低空探測模塊實現(xiàn)~0-15km高度范圍回波信號的有效提取，通過高空探測模塊實現(xiàn)~8-35km高度范圍回波信號的有效提?。粩祿杉瘑卧瑫r工作于模擬（ad）與光子計數（pc）模式，有效拓展了探測器允許的輸入信號強度動態(tài)變化范圍（優(yōu)于6個數量級），控制單元保障整個雷達系統(tǒng)自動有序工作。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是：

一種高精度測量~0-35km大氣溫度的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，由發(fā)射單元、光學接收單元，數據采集與控制單元組成。發(fā)射單元包括種子注入的固體激光器、擴束鏡、發(fā)射臺。光學接收單元包括低空探測模塊和高空探測模塊：低空探測模塊由望遠鏡系統(tǒng)、反射鏡rm1、準直鏡l1、分束器bs1、窄帶干涉濾光片if1、彈性探測通道（ch-e）、分束器bs2、窄帶干涉濾光片組if2、低量子數拉曼探測通道（ch-jl）、窄帶干涉濾光片組if3、高量子數拉曼探測通道（ch-jh）組成；高空探測模塊由望遠鏡系統(tǒng)、準直鏡l2、反射鏡rm2、透鏡l3、分色鏡bs3、窄帶干涉濾光片if6、彈性探測通道（ch-e）、分色鏡bs4、窄帶干涉濾光片if4、低量子數拉曼探測通道（ch-jl）、轉折鏡rm3、窄帶干涉濾光片if5、高量子數拉曼探測通道（ch-jh）組成。數據采集與控制單元主要由計算機、時序電路trigger、兩個三通道數據采集系統(tǒng)（licel）組成，對數據進行采集、存儲及保障整個雷達系統(tǒng)自動有序工作。

固體激光器在種子注入后產生極窄線寬（<0.006cm^-1）的532.23nm激光輸出。輸出激光單脈沖能量~800mj，重復頻率30hz，通過8倍擴束鏡后照射發(fā)射臺。發(fā)射臺可電動精密控制，以高于99.5%的反射率將水平來射激光導向天頂。

低空探測模塊實現(xiàn)~0-15km高度范圍回波信號的有效提取。望遠鏡系統(tǒng)收集大氣后向散射光信號，設置光闌直徑以限制系統(tǒng)視場為~1.5mrad。望遠鏡有效口徑為203.2mm，焦距2032mm。光信號穿過光闌后由反射鏡rm1轉折并照射準直鏡l1，準直鏡l1直徑25.4mm，有效焦距100mm。經過準直鏡l1的準直光束首先照射分束器bs1。分束器bs1反射約10%的光信號照射窄帶干涉濾光片if1，隨后進入彈性探測通道ch-e；分束器bs1透射~90%的光信號照射分束器bs2。分束器bs2反射~50%的光信號在照射窄帶干涉濾光片組if2后進入低量子數拉曼探測通道ch-jl，同時透射~50%的光信號在照射窄帶干涉濾光片組if3后進入高量子數拉曼探測通道ch-jh。分束器bs1與分束器bs2為邊長25.4mm的立方體。窄帶干涉濾光片if1直徑25.4mm，中心波長532.23nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50%，帶外抑制優(yōu)于3個量級。窄帶干涉濾光片組if2由兩片相同的濾光片組成：各濾光片直徑25.4mm，中心波長530.55nm，帶寬0.6nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。窄帶干涉濾光片組if3由兩片相同的濾光片組成：各濾光片直徑25.4mm，中心波長529.21nm，帶寬1.0nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。

高空探測模塊實現(xiàn)~8-35km高度范圍回波信號的有效提取。望遠鏡系統(tǒng)收集大氣后向散射光信號，設置光闌直徑以限制系統(tǒng)視場為~0.4mrad。望遠鏡有效口徑1000mm，系統(tǒng)焦距8000mm。光信號穿過光闌后由準直鏡l2準直，隨后為反射鏡rm2導向水平后照射透鏡l3。準直鏡l2直徑25.4mm，有效焦距~128mm。經過透鏡l3的準直光束首先照射分色鏡bs3。分色鏡bs3以>70%的透過率透過532.05-532.35nm范圍光，隨后穿過窄帶干涉濾光片if6后進入彈性探測通道ch-e；分色鏡bs3以>95%的反射率反射528.50-530.90nm范圍光，隨后照射分色鏡bs4。分色鏡bs4以>80%的透過率透過530.27-530.77nm范圍光，隨后穿過窄帶干涉濾光片if4后進入低量子數拉曼探測通道ch-jl；分色鏡bs4以>95%的反射率反射528.50-529.80nm范圍光，經反射鏡rm3轉折后照射窄帶干涉濾光片if5后進入高量子數拉曼探測通道ch-jh。分色鏡bs3與分色鏡bs4直徑25.4mm，工作角度6o。帶干涉濾光片if6直徑25.4mm，中心波長532.23nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50%，帶外抑制優(yōu)于3個量級。窄帶干涉濾光片if4直徑25.4mm，中心波長530.55nm，帶寬0.6nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。窄帶干涉濾光片if5直徑25.4mm，中心波長529.21nm，帶寬1.0nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。

在低空探測模塊和高空探測模塊中，各彈性探測通道（ch-e）都由中性衰減片（透過率~0.1%）、匯聚鏡和探測器組成；各拉曼探測通道（ch-jl與ch-jh）都由匯聚鏡和探測器組成。利用低空探測模塊中兩路拉曼信號最終實現(xiàn)~0-15km高度范圍大氣溫度的測量，利用高空探測模塊中兩路拉曼信號最終實現(xiàn)~8-35km高度范圍大氣溫度的測量，二者組合最終實現(xiàn)對~0-35km高度范圍大氣溫度的完全覆蓋探測。

數據采集與控制單元主要由計算機、時序電路trigger、兩個三通道的licel瞬態(tài)記錄儀組成。計算機通過軟件控制兩個三通道的licel瞬態(tài)記錄儀分別采集來自高、低探測模塊中各個探測器的信號，通過時序電路trigger控制整個雷達系統(tǒng)自動有序工作。每個licel瞬態(tài)記錄儀同時以模擬（ad）和光子計數（pc）兩種工作模式記錄原始數據，數據通過一根網線傳輸至計算機并自動存儲。

如上所述的一種高精度測量~0-35km大氣溫度的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，其光學接收單元采用分層接收技術，具體為高空探測模塊實現(xiàn)~8-35km回波信號的有效提取，低空探測模塊實現(xiàn)~0-15km回波信號的有效提取，二者聯(lián)合最終實現(xiàn)~0-35km高度范圍大氣溫度的完全覆蓋探測。

如上所述的一種高精度測量~0-35km大氣溫度的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)，發(fā)射單元采用大功率固體激光器產生單脈沖能量~800mj，重復頻率30hz的532.23nm激光輸出；高空探測模塊選擇有效口徑1000mm的大望遠鏡收集大氣后向散射光信號，限制系統(tǒng)視場為~0.4mrad以提高完全進視場高度，分光系統(tǒng)采用小角度（6o）工作的兩組分色鏡（bs3與bs4）實現(xiàn)兩路拉曼信號的分離與高效傳輸；低空探測模塊選擇有效口徑203.2mm的小望遠鏡收集大氣后向散射光信號，設置系統(tǒng)視場為~1.5mrad以降低完全進視場高度，分光系統(tǒng)采用兩組分束器（bs1與bs2）實現(xiàn)兩路拉曼信號的分離與較低效率的傳輸；數據采集系統(tǒng)同時以模擬（ad）和光子計數（pc）兩種工作模式記錄來自個探測通道的數據。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

理論模擬與實踐經驗都表明，地基激光雷達在~0-35km高度范圍的回波信號強度可跨越至少8個數量級。然而，常見的探測器（光電倍增管）在常規(guī)工作條件下允許輸入的信號強度變化范圍僅為3-4個數量級。因此，單一探測通道難以實現(xiàn)~0-35km高度范圍信號的完全覆蓋測量。本發(fā)明光學接收單元采用分層接收技術，具體為高空探測模塊限制望遠鏡系統(tǒng)視場為~0.4mrad，針對~8-35km高度范圍進行探測；低空探測模塊設置望遠鏡系統(tǒng)視場為~1.5mrad降低完全進視場高度，針對~0-15km高度范圍進行探測；二者組合最終實現(xiàn)~0-35km高度范圍大氣溫度的全覆蓋探測。

由于拉曼散射效率極低，且激光雷達回波信號強度隨探測距離的增加而急劇衰減，故在針對高空探測時要著重考慮設法增強回波信號強度。為此，高空探測模塊在引入大功率激光器的前提下，采用有效口徑1000mm的大望遠鏡收集大氣后向光散射信號，分光系統(tǒng)采用小角度（6o）工作的兩組分色鏡（bs3與bs4）實現(xiàn)兩路拉曼信號的分離與高效傳輸，保證了高空回波信號強度，同時限制系統(tǒng)視場為~0.4mrad以提高完全進視場高度，防止低空信號過強導致探測器工作異常。相反，在低空探測模塊中，選擇有效口徑203.2mm的小望遠鏡收集大氣后向光散射信號，分光系統(tǒng)采用兩組分束器（bs1與bs2）實現(xiàn)兩路拉曼信號的分離與較低效率的傳輸，有效控制了實際到達探測器的信號強度。

常見的探測器（光電倍增管）工作于模擬（ad）模式時，允許輸入的信號強度動態(tài)變化范圍~3個數量級；工作于光子計數（pc）模式時，允許輸入的信號強度動態(tài)變化范圍~4個數量級。系統(tǒng)中數據采集單元同時以模擬（ad）和光子計數（pc）兩種工作模式記錄來自個探測通道的原始數據，有效拓展了探測器允許輸入的信號強度動態(tài)范圍（優(yōu)于6個數量級）。實測結果表明，六個探測通道回波信號強度都控制在6個數量級以內。這樣，數據采集系統(tǒng)最終實現(xiàn)對~0-35km高度范圍回波信號的有效記錄。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的激光雷達系統(tǒng)框圖。rm，反射鏡；l，透鏡；if，窄帶干涉濾光片；bs，分束器或分色鏡；ch-e，彈性探測通道；ch-jl，低量子數拉曼探測通道；ch-jh，高量子數拉曼探測通道；trigger，時序電路；licel，三通道瞬態(tài)記錄儀。

圖2為本發(fā)明實施例的激光雷達系統(tǒng)對大氣溫度的一次實測結果。

具體實施方式

本發(fā)明由發(fā)射單元、光學接收單元、數據采集和控制單元組成。結合附圖1，本發(fā)明的實施方案具體陳述如下。

發(fā)射單元包括種子注入的固體激光器、擴束鏡和發(fā)射臺。固體激光器（美國，continuum，powerlite9030）在種子注入后產生單脈沖能量~800mj，重復頻率30hz的532.23nm激光輸出（線寬<0.006cm^-1）。自制的擴束鏡以8倍倍率放大入射激光束直徑及壓縮入射激光束發(fā)散角。電控發(fā)射臺（日本，kohzu）具備二維調節(jié)能力，以>99.5%的反射率將水平來射激光精準導向天頂方向。

光學接收單元包括低空探測模塊和高空探測模塊：低空探測模塊由望遠鏡系統(tǒng)、反射鏡rm1、準直鏡l1、分束器bs1、窄帶干涉濾光片if1、彈性探測通道（ch-e）、分束器bs2、窄帶濾干涉光片組if2、低量子數拉曼探測通道（ch-jl）、窄帶干涉濾光片組if3、高量子數拉曼探測通道（ch-jh）組成；高空探測模塊由望遠鏡系統(tǒng)、準直鏡l2、反射鏡rm2、透鏡l3、分色鏡bs3、窄帶干涉濾光片if6、彈性探測通道（ch-e）、分色鏡bs4、窄帶干涉濾光片if4、低量子數拉曼探測通道（ch-jl）、轉折鏡rm3、窄帶干涉濾光片if5、高量子數拉曼探測通道（ch-jh）組成。

低空探測模塊實現(xiàn)~0-15km高度回波信號的有效提取?？ㄈ窳质酵h鏡（美國，meade）收集大氣后向散射光信號，設置光闌直徑以限制系統(tǒng)視場為~1.5mrad。望遠鏡有效口徑203.2mm，有效焦距2000mm。光信號穿過光闌后由反射鏡rm1轉折并照射準直鏡l1，準直鏡l1（美國，thorlabs）直徑25.4mm，有效焦距100mm。經過準直鏡l1的準直光束首先照射分束器bs1。分束器bs1反射約10%的光信號照射窄帶干涉濾光片if1，隨后進入彈性探測通道ch-e；分束器bs1透射~90%的光信號照射分束器bs2。分束器bs2反射~50%的光信號在照射窄帶干涉濾光片組if2后進入低量子數拉曼探測通道ch-jl，同時透射~50%的光信號在照射窄帶干涉濾光片組if3后進入高量子數拉曼探測通道ch-jh。分束器bs1（美國，thorlabs）與分束器bs2（美國，thorlabs）為邊長25.4mm的立方體。窄帶干涉濾光片if1（美國，barr）直徑25.4mm，中心波長532.23nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50%，帶外抑制優(yōu)于3個量級。窄帶干涉濾光片組if2（美國，barr）由兩片相同的濾光片組成：各濾光片直徑25.4mm，中心波長530.55nm，帶寬0.6nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。窄帶干涉濾光片組if3（美國，barr）由兩片相同的濾光片組成：各濾光片直徑25.4mm，中心波長529.21nm，帶寬1.0nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。

高空探測模塊實現(xiàn)~8-35km高度范圍回波信號的有效提取。定制的卡塞格林式望遠鏡系統(tǒng)收集大氣后向散射光信號，設置光闌直徑以限制系統(tǒng)視場為~0.4mrad。望遠鏡有效口徑1000mm，有效焦距8000mm。光信號穿過光闌后由準直鏡l2準直，隨后為反射鏡rm2導向水平后照射透鏡l3。準直鏡l2直徑25.4mm，焦距~128mm。經過透鏡l3的準直光束首先照射分色鏡bs3。分色鏡bs3以>70%的透過率透過532.05-532.35nm范圍光，隨后穿過窄帶干涉濾光片if6后進入彈性探測通道ch-e；分色鏡bs3以>95%的反射率反射528.50-530.90nm范圍光，隨后照射分色鏡bs4。分色鏡bs4以>80%的透過率透過530.27-530.77nm范圍光，隨后穿過窄帶干涉濾光片if4后進入低量子數拉曼探測通道ch-jl；分色鏡bs4以>95%的反射率反射528.50-529.80nm范圍光，經轉折鏡rm3后穿過窄帶干涉濾光片if5并進入高量子數拉曼探測通道ch-jh。分色鏡bs3與分色鏡bs4為訂制品（美國，barr），直徑25.4mm，工作角度6o。窄帶干涉濾光片if6（美國，barr）直徑25.4mm，中心波長532.23nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50%，帶外抑制優(yōu)于3個量級。窄帶干涉濾光片if4（美國，barr）直徑25.4mm，中心波長530.55nm，帶寬0.6nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。窄帶干涉濾光片if5（美國，barr）直徑25.4mm，中心波長529.21nm，帶寬1.0nm，峰值透過率>50%，帶外抑制（包括對532.23nm附近彈性信號）優(yōu)于6個量級。

在高、低空探測模塊中，各彈性探測通道（ch-e）都由中性衰減片、匯聚鏡和探測器組成；各拉曼探測通道（ch-jl與ch-jh）都由匯聚鏡和探測器組成。中性衰減片（美國，thorlabs）直徑25.4mm，透過率~0.1%。匯聚鏡（美國，thorlabs）直徑25.4mm，焦距40mm。探測器選用光電倍增管（h10721，hamamatsu，日本），光敏面直徑8mm，對532nm附近光量子效率~20%。

數據采集與控制單元主要由計算機、時序電路trigger和兩個三通道的licel瞬態(tài)記錄儀組成。計算機通過自主開發(fā)的軟件控制兩個三通道的licel瞬態(tài)記錄儀采集來自高、低空探測模塊中各個探測器的信號，通過自制的時序電路trigger控制整個雷達系統(tǒng)自動有序工作。每個licel瞬態(tài)記錄儀（德國，licel）同時以模擬（ad）和光子計數（pc）兩種工作模式記錄原始數據，數據通過一根網線傳輸至計算機并自動存儲。

圖2展示了本發(fā)明實施例的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)對大氣溫度的一次實際探測結果（探測時間為2016年11月03日夜晚。時間分辨率15min；高度分辨率：15km以下30-90m，15km以上90-500m）?？梢钥闯龅涂仗綔y模塊測溫結果（劃線）、高空探測模塊測溫結果（點劃線）在8-15km范圍高度吻合。高、低空探測模塊組合實現(xiàn)~0-35km高度范圍溫度的完全覆蓋探測，且與探空氣球（武漢市氣象局）溫度剖面結果高度一致。