振動拉曼雷射雷達散射光處理系統的製作方法

2023-08-08 05:33:31

專利名稱：振動拉曼雷射雷達散射光處理系統的製作方法
技術領域：
本實用新型設計了一種振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，通過設計光路對拉曼雷射雷 達系統接收的後向散射光進行分別處理，其中高空直接對通過窄帶濾光片的信號進行探測， 而低空通道使大氣後向散射信號兩次經過窄帶濾光片，進一步壓縮拉曼雷射雷達系統的中的 噪聲，能夠提高系統信噪比。在探測大氣溫度廓線信息過程中，本實用新型解決了雷射雷達 信號動態範圍大和低空拉曼散射信號受彈性散射信號影響兩個問題。
背景技術：
大氣溫度廓線在多個研究領域均有重要應用。在氣候學研究方面，全球氣候變暖越來越被 人們重視，全球氣候變暖使海平面上升，將使很多島國面臨災難；同時使極端溫度天氣頻頻 出現，極端天氣的出現對人類生活、生產帶來不利影響。溫度廓線的長期觀測則表明，雖然 對流層底部溫度在降低，對流層頂部和平流層溫度卻在升高，因此，對大氣溫度廓線的長期 監測是研究氣候變化的一個重要方面。
在氣象學研究方面，大氣溫度是大氣物理、天氣分析與預報中的一個重要氣象參數。在 大氣動力學研究中，準確的大氣溫度信息對大氣穩定性研究和動力學研究十分重要，同時準 確的大氣溫度信息能夠有助解釋自然中的天氣現象，能夠提高數值天氣預報的準確性。在平 流層大氣研究中，溫度則與臭氧吸收太陽輻射加熱有很大關係，該區溫度變化間接反映了臭 氧的變化，同時，高空大氣溫度與高空重力波和大氣環流結構相關。除地球物理學方面的研 究之外，大氣溫度廓線還是其他一些遙感手段的輸入參數，例如使用拉曼雷射雷達進行散射 和消光測量等。總之，多項研究迫切需要從邊界層到中間層底部的大氣溫度廓線信息。
由於大氣溫度的重要性，對大氣溫度的測量由來已久，除傳統的大氣溫度測量方式外， 隨著光電子技術的發展，大氣溫度測量雷射雷達逐漸發展為一種新興的大氣溫度測量儀器。 大氣溫度測量雷射雷達具有時空解析度高的特點， 一般分為下面幾類轉動拉曼雷射雷達、
振動拉曼雷射雷達、瑞利雷射雷達、金屬離子螢光雷射雷達。多種技術的雷射雷達互相補充，
共同構成從地面到高空110Km處溫度廓線的測量體系。其中，振動拉曼散射雷射雷達使用積 分技術反演大氣溫度，探測的波長不同於發射波長，所以接收系統中不需要高分辨光譜部分， 簡化了雷射雷達系統，因此，在測量精度許可的情況下可以利用振動拉曼散射代替純轉動拉曼散射。對於瑞利雷射雷達， 一般的探測區域是30Km以上氣溶膠影響可以忽略的區域，對 於5-30Km的區域內，高於轉動拉曼雷射雷達探測的極限，低於瑞利雷射雷達的探測極限， 只能使用轉動拉曼雷射雷達進行探測。法國國家研究中心Philippe Keckhut1990報導了綜合使 用振動拉曼和瑞利技術的雷射雷達系統，其振動拉曼通道最低的測量高度為12Km。美國宇 航局的Keith D. Evans 1997年報導的振動拉曼雷射雷達測量高度最低為5Km，可以與轉動拉 曼雷射雷達重合，但其測量的最大高度僅為10Km，不能達到瑞利測溫的最低高度。國內， 中科院安徽光機所報導的振動拉曼雷射雷達測量結果顯示該系統在9-15Km範圍內溫度測量 的準確度較高。綜合分析多家研究單位的振動拉曼雷射雷達的探測結果可以看出，限制振動 拉曼雷射雷達測量範圍增大的主要原因有兩個其一，轉動拉曼雷射雷達信號本身比較弱(比 米-瑞利信號小3-4個數量級)，其二，雷射雷達方程距離平方因子的存在使雷射雷達信號的 動態範圍變化很大，高空信號很弱。上述兩個原因存在一定的矛盾性，高空拉曼散射信號弱， 要求增強發射雷射以獲得更多的拉曼散射，但雷射能量的增強，會使米-瑞利信號同時增強， 甚至使光電倍增管飽和，無益於提高系統的信噪比。
發明內容
本實用新型解決的技術問題通過分高空和低空兩個通道進行探測，解決雷射雷達信號 的動態範圍大的問題，並對低空通道設計光路，使光信號兩次通過濾波，進一步壓縮背景噪 聲和彈性散射噪聲，提高系統的信噪比，從而提高了拉曼雷射雷達溫度測量的準確性和擴大 溫度測量範圍。
本實用新型的技術解決方案如下 振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，該系統包括
(1) 一臺脈衝雷射器；
(2) 反射脈衝雷射的第一反光鏡和第二反光鏡；
(3) 收集大氣的後向散射光信號的望遠鏡；
(4) 限制接收系統視場角的小孔光闌和信號光準直透鏡；
(5) 第三反光鏡；
(6) 濾除光信號噪聲的窄帶濾光片；
(7) 檢測光信號的光電倍增管；
(8) 數據採集處理系統，主要包括主控計算機和光子計數卡，該系統與雷射器和光電倍 增管相連；其特徵是
(9) 所述光電倍增管包括第一光電倍增管和第二光電倍增管，兩光電倍增管分別設置在窄帶濾波片的兩側檢測光信號；
(10)系統還包括一個三稜鏡，它設置在第一光電倍增管與窄帶濾光片之間，將透射部 分光送入第一光電倍增管，反射部分光再窄帶濾光片後送入第二光電倍增管。
振動拉曼雷射雷達散射光處理過程如下
(1) 主控計算機控制雷射器發射脈衝雷射，通過兩個反光鏡全反射進入大氣；
(2) 大氣的後向散射通過望遠鏡收集，通過小孔光闌限制接收系統視場角，經準直鏡將 信號光準直；
(3) 準直後的散射光信號經過窄帶濾光片的上半部，濾除背景噪聲和雷射的彈性散射；
(4) 經過一次窄帶濾光片的光信號進入三稜鏡，在第一個反射面上，信號光的透過和反 射比值為l: 1，
(5) 透射光部分進入第一光電倍增管進行高空探測；
(6) 反射部分的光信號經過三稜鏡的第二反射面發生全射反，由窄帶濾光片的下半部第 二次進入窄帶濾光片(進一步濾除背景噪聲和彈性散射)，並由第二光電倍增管探測(將光信 號轉化為電信號)；
(7) 第一、第二光電倍增管探測到的信號由數據採集處理系統進行採集處理。 本實用新型中所說雷射器為Nd:YAG雷射器，單脈衝能量可調，最大為260mJ，雷射器
工作在外觸發狀態，可以通過調節雷射器泵浦電流的方式調節雷射脈衝能量。所說接收望遠 鏡為卡塞格林望遠鏡，焦距為2m，配以小孔限制整個雷射雷達的接收角。所說的窄帶濾光片， 其作用是保留需要的拉曼光信號而濾除作為噪聲存在的光信號，是雷射雷達系統的核心部件， 其工作直徑為l英寸，透過中心波長為607nm，峰值透過率大於40%， 200-1200nm之間壓制 率為107， 532nm理論壓制率可以達到1012，窄帶濾光片的透過光譜如圖2所示。所說的反射 三稜鏡，入射面鍍有607nm增透膜，第一個反射面的鍍有607nm波長半反半透膜，第二個反 射面鍍有607nm的全反膜。三稜鏡的第一反射面與第一光電倍增管對應窄帶濾波片的上半部 位置；三稜鏡的第二反射面與第二光電倍增管對應窄帶濾波片的下半部位置。
所說的光電倍增管具有較高的增益能夠實現單光子的探測。所說的數據採集處理系統包 括，光子計數卡和主控計算機，光子計數卡探測光電倍增管輸出的電信號，主控計算機主要 功能是提供雷射器的外觸發脈衝信號、兩個光電倍增管的門控信號、光子計數卡的觸發信號。 光子計數卡的採樣速率為200MHz，計數閾值電壓可調。
本實用新型與現有技術相比具有的優點在於:(1) 本實用新型解決了雷射雷達信號強度動態範圍大的問題。將探測的雷射雷達的信號分 成高空段、低空段分別進行探測，高空一般為5-15km的區域內，低空一般指15-30km的區 域內。本實用新型使用兩個倍增管和光子計數技術分別探測，解決了雷射雷達信號動態範圍 大而難以探測的問題。
(2) 本實用新型進一步壓縮噪聲。設計光路使低空散射光兩次經過窄帶濾光片，進一步壓 縮背景噪聲和彈性散射噪聲，提高系統的信噪比，使探測範圍向低空擴展。
(3) 本實用新型可以提高單脈衝能量的方式，增加系統測量準確度。通過雷射雷達分段 探測和兩次壓縮噪聲，系統接收到的信號雖然比較弱，但是很純的拉曼散射信號，因此，可 以通過增加雷射雷達單脈衝能量的方式進一步提高系統的信噪比。
(4) 本實用新型解決了多個濾光片的波長匹配問題。顯然，若讓低空信號連續通過兩個 窄帶濾光片，也能進一步壓縮低空的信號，但這種方式勢必存在波長匹配的問題(兩個窄帶 濾光片的中心波長不一定相同)。而事實上，又有工藝上的問題，兩個窄帶濾光片很難做到波 長完全匹配，波長不匹配使探測效率下降。即使兩個濾光片能夠做到波長匹配，其透過率中 心波長隨溫度的變化也不盡相同，也就是說，溫度稍微發生變化，波長就不再匹配。而本實 用新型提出的信號光兩次經過同一個濾光片，由於是同一個濾光片，不存在波長匹配和外界 溫度的影響，所以解決了濾光片的波長匹配問題。


圖1為振動拉曼雷射雷達散射光處理系統的基本結構示意圖。 圖2為窄帶濾光片透過光譜示意圖。 圖3為三稜鏡結構示意圖。
圖中1—雷射器；2 —第一反光鏡；3 —第二反光鏡；4-望遠鏡；5-小孔光闌；6-準直鏡；
7-第三全反鏡；8-窄帶濾光片；81-信號光單次通過濾光片的透過率光譜；82-信號光兩次通過 濾光片的透過率光譜；
9- 三稜鏡；91-信號光入射面(鍍有607nm增透膜)；92-第一反射面(鍍有607nm半反膜)； 93-第二反射面(鍍有607nm的全反膜)；
10- 第一光電倍增管；ll-第二光電倍增管；12-數據採集處理系統。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型基於新穎光路的振動拉曼溫度測量雷射雷達，它使用三稜鏡將 拉曼散射光信號分為高空和低空兩個通道，高空光信號直接探測，低空光信號兩次通過窄帶濾光片，可以提高拉曼雷射雷達溫度測量的準確性和溫度測量範圍。
如圖2所示，窄帶濾光片的透過光譜，81為單次通過濾光片的歸一化後透過率光譜，82 為兩次通過濾光片的歸一化透過率光譜。兩次通過濾光片後通過率為單次通過的平方，具有 更高的噪聲信號壓縮能力和更窄的通帶帶寬。
如圖3所示，三稜鏡入射面91鍍有607nm增透膜，第一個反射面92的鍍有607nm波 長半反半透膜，第二個反射面93鍍有607nm的全反膜。光信號走向如圖所示，其中箭頭表 示光的走向，虛線框寬度表示光信號強度，粗細如圖所示。
該系統由雷射器l、第一反光鏡2、第二反光鏡3、望遠鏡4、小孔光闌5、準直鏡6、 第三全反鏡7、窄帶濾光片8、三稜鏡9、第一光電倍增管10、第二光電倍增管11、數據採 集處理系統12組成。其中第一、第二反光鏡的作用將雷射器的雷射導向大氣、並且能夠方便 的調節雷射的光軸與望遠鏡的光軸平行。望遠鏡4用於收集大氣的後向散射信號光信號，其 口徑大小體現了對散射光的接收能力大小。小孔光闌5的作用在於限制望遠鏡視場角， 一般 望遠鏡的視場角遠遠大於雷射雷達的視場角，因此需要在望遠鏡的焦平面附件放置一個小孔 光闌，小孔光闌擋掉一部散射光，因此能夠限制系統的視場角。準直鏡6的作用在於將望遠 鏡接收到的後向散射光變為平行光。窄帶濾光片8的作用在於濾除噪聲光信號，壓縮背景噪 聲和彈性散射噪聲引起的噪聲，是拉曼雷射雷達的核心部件。三稜鏡9的作用在於將一部分 光送入探測器直接探測，而將另一部分光再次送入窄帶濾光片進一步壓縮噪聲。第一、第二 光電倍增管的作用在於探測不同高度返回的拉曼散射信號，並將光信號轉化為電信號。數裙 採集處理系統12的主控計算機的作用在於對整個系統的工作時序進行控制，並採集兩個光， 倍增管的輸出信號。高空信號噪聲信號相對比較弱，其信號經過一次窄帶濾光片8後送入光 電探測系統進行探測。而低空噪聲信號很強，使用特殊光學設計，使大氣的後向散射光兩次 經過同一個窄帶濾光片8，總的透過率光譜相當於單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制 了光噪聲。發射波長的彈性散射和背景光被壓縮後，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增 加發射雷射的單脈衝能量，提高拉曼散射信號的回波強度，進而達到提高溫度測量準確度和 擴大溫度測量範圍。
以下結合附圖說明拉曼雷射雷達系統的具體實現過程。
系統開機工作，首先是對主控計算機進行設置，即通過設置延時門控的方法設定第一、 第二倍增管對應的探測範圍。雷射雷達工作時，主控計算機給出雷射器1出光信號，雷射器 l發出532nm的雷射通過第一、第二反光鏡全反進入大氣。雷射與大氣相互作用產生瑞利散 射、米散射、和振動拉曼散射，其中前兩種散射不改變雷射的波長一般稱為彈性散射，振動拉曼散射改變波長，使雷射變為607nrn的光信號，彈性散射的光能量遠遠大於拉曼散射的光 信號的能量。三種散射光均被望遠鏡4收集，進入雷射雷達接收系統，位於望遠鏡4焦平面 上的小孔光闌5限制了接收系統的視場角，使視場角在包含雷射發射光束的情況下，儘量減 小發射角，有利於減少背景光的影響。
為便於後續光學處理，由望遠鏡4收集的光信號首先經小孔光闌5，經過準直鏡6準直， 再經第三全反鏡7後送入窄帶濾光片8。窄帶濾光片8濾除大部分噪聲光信號後，信號光在 三稜鏡9第一反射面92發生1: l的透射和反射，透射光由第一光電倍增管10進行探測(即 高空探測通道)，通過設置光電倍增管門控的方式，即在雷射器1出發脈衝發出一定時間後使 光電倍增管工作，使第一光電倍增管10僅探測高空的拉曼散射光。在第一反射面92的反射 的光，經三稜鏡9的第二反射面93發生全反射後，從窄帶濾光片8的下半部再次送入窄帶濾 光片8，進一步壓縮彈性散射引入的噪聲。不可否認，兩次通過窄帶濾光片8，對系統有益的 607nm的光信號也受到衰減，但其衰減程度遠遠小於對彈性散射的衰減。因此，兩次經過窄 帶濾光片8後的信號有益於提高系統總的信噪比。兩次經過窄帶濾光片8後的光信號由第二 光電倍增管11進行探測，同樣，通過設置光電倍增管門控的方式，使第二光電倍增管11僅 僅探測低空的拉曼光信號。光電倍增管的門控和光電倍增管後信號的探測均由數據採集處理 12的主控計算機監控，其中光電信號的探測，使用單光子計數卡。這樣，雷射器l每發射一 個雷射脈衝，主控計算機均得到不同高度返回的光子數廓線，由於只發一個雷射脈衝，系統 收集的光子個數很少，系統必須經過多個雷射脈衝的積分後(例如10000個雷射脈衝)，獲取 的光子個數才可以用來反演大氣溫度廓線，因此，雷射雷達系統每經過一段時間的積分後將 不同高度對應的光子個數數據保護，並更新所得到的大氣溫度廓線。
權利要求1、振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，該系統包括(1)一臺脈衝雷射器(1)；(2)反射脈衝雷射的第一反光鏡(2)和第二反光鏡(3)；(3)收集大氣的後向散射光信號的望遠鏡(4)；(4)限制接收系統視場角的小孔光闌(5)和信號光準直透鏡(6)；(5)第三反光鏡(7)；(6)濾除光信號噪聲的窄帶濾光片(8)；(7)檢測光信號的光電倍增管；(8)數據採集處理系統(12)，主要(包)括主控計算機和光子計數卡，該系統與雷射器1和光電倍增管相連；其特徵是(9)所述光電倍增管包括第一光電倍增管(10)和第二光電倍增管(11)，兩光電倍增管分別設置在窄帶濾波片(8)的兩側檢測光信號；(10)系統還包括一個三稜鏡(9)，它設置在第一光電倍增管(10)與窄帶濾光片(8)之間，將透射部分光送入第一光電倍增管(10)，反射部分光再經窄帶濾光片(8)後送入第二光電倍增管(11)。
2、 根據權利要求1所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，雷射器(1)釆用 Nd:YAG雷射器，輸出波長532nm，單脈衝能量可調，最大250mJ。
3、 根據權利要求1所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，望遠鏡(4)為卡塞 格林望遠鏡，焦距2m;準直鏡的口徑為lcm，信號光經準直後光斑大小lcm。
4、 根據權利要求1所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，窄帶濾光片(8)中 心波長為607nm，直徑為2.54cm， 200-1200nm波段壓制率為107。
5、 根據權利要求1所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，三稜鏡(9)為等腰 直角稜鏡，第一反射面(92)鍍有半反膜，第二反射面(93)鍍有全反膜。
6、 根據權利要求5所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，所述三稜鏡(9)的 第一反射面(92)與第一光電倍增管(10)對應窄帶濾波片(8)的上半部位置；三稜鏡(9)的第二反 射面(93)與第二光電倍增管(11)對應窄帶濾波片(8)的下半部位置。
7、 根據權利要求1所述的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，其中，光子計數卡採樣速 率為200MHz，計數閾值電壓可調。
專利摘要一種基於窄帶濾光片和反射三稜鏡的振動拉曼雷射雷達散射光處理系統，本實用新型針對雷射雷達信號強度動態範圍大、噪聲信號相對拉曼散射信號強兩個問題，通過將後向散射光分成高、低空兩個通道進行探測，並充分利用窄帶濾光片，提高了溫度測量準確度，擴大了溫度測量範圍。高空信號噪聲信號相對比較弱，其信號經過一次窄帶濾光片後送入光電探測系統進行探測，而低空噪聲信號很強，使用特殊光學設計，使大氣的後向散射光兩次經過同一個濾光片，總的透過率光譜相當於單次透過率光譜的平方，極大限度的壓制了光噪聲。發射波長的彈性散射和背景光被壓縮後，在倍增管不飽和的情況下，可以通過增加發射雷射的單脈衝能量，提高拉曼散射信號的回波強度，進而達到提高溫度測量準確度和擴大溫度測量範圍的目的。
文檔編號G01S17/95GK201340455SQ20092003807
公開日2009年11月4日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者卜令兵, 曹念文 申請人:南京信息工程大學