本發(fā)明屬于激光大氣遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紫外準(zhǔn)單支純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜提取的全天時(shí)測(cè)溫激光雷達(dá)。

背景技術(shù)：

大氣溫度作為基本的氣象參數(shù)之一在研究大氣物理現(xiàn)象、物理機(jī)制以及演變規(guī)律過(guò)程中扮演著重要的角色。同時(shí)，全天時(shí)的大氣溫度結(jié)合氣溶膠的空間分布和時(shí)間演化參數(shù)，有助于研究云霧降水、大氣輻射和大氣化學(xué)等過(guò)程。相對(duì)于無(wú)線電探空儀等傳統(tǒng)測(cè)溫設(shè)備，激光雷達(dá)具有時(shí)空分辨率高、探測(cè)范圍大、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)測(cè)量大氣溫度，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

由于純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜強(qiáng)度包含溫度和氣溶膠消光等重要信息，同時(shí)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)在探測(cè)大氣溫度過(guò)程中不需要假設(shè)大氣靜力學(xué)平衡，即使在湍流最多的對(duì)流層也可以正常觀測(cè)，易于提取目標(biāo)信號(hào)且對(duì)工作環(huán)境要求較低，因此該類型的測(cè)溫激光雷達(dá)在大氣遙感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)通過(guò)接收脈沖激光束與大氣分子相互作用產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜信號(hào)，再利用算法反演得到大氣溫度的空間分布和時(shí)間演化參數(shù)。由于受到強(qiáng)烈的白天背景光影響，較低的系統(tǒng)信噪比在很大程度上限制了純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)的探測(cè)范圍和探測(cè)精度，導(dǎo)致無(wú)法在白天正常工作，只能選擇在夜間工作。因此，為了使純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)具備全天時(shí)的觀測(cè)能力，必須通過(guò)窄帶寬壓縮白天天空背景噪聲、增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度等方式來(lái)提高激光雷達(dá)的系統(tǒng)信噪比。

目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行全天時(shí)常規(guī)觀測(cè)的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)主要包括以下幾種：

1)德國(guó)亥姆霍茲中心大學(xué)物理與氣象研究所在1996年研制的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)采用日盲技術(shù)和帶寬極窄的鉈原子氣體濾波器來(lái)提高系統(tǒng)信噪比并進(jìn)行全天時(shí)測(cè)溫。其中，該激光雷達(dá)采用波長(zhǎng)為276.787nm的窄帶拉曼頻移krf準(zhǔn)分子激光器作為探測(cè)光源，由于激光束的波長(zhǎng)位于太陽(yáng)光譜的日盲波段范圍，大大減弱了白天天空背景噪聲，提高了系統(tǒng)信噪比。光學(xué)接收系統(tǒng)通過(guò)工作溫度為950℃的鉈原子氣體濾波器濾除大氣粒子產(chǎn)生的彈性散射信號(hào)，經(jīng)過(guò)離軸拋物面鏡準(zhǔn)直入射至階梯光柵，通過(guò)階梯光柵提取n2分子和o2分子的斯托克斯和反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，最后根據(jù)譜線信號(hào)強(qiáng)度反演全天時(shí)大氣溫度數(shù)據(jù)。在該雷達(dá)系統(tǒng)中，鉈原子氣體濾波器需在950℃工作環(huán)境下才可以良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性散射信號(hào)的抑制，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本并存在安全隱患；通過(guò)兩個(gè)離軸拋物面鏡實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和聚焦，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，光路調(diào)節(jié)困難，且對(duì)操作環(huán)境提出較高的要求。

2)德國(guó)霍恩海姆大學(xué)物理與氣象研究所在2013年研制的rrl測(cè)溫激光雷達(dá)主要通過(guò)增加紫外脈沖激光器的功率方式來(lái)提高系統(tǒng)信噪比并進(jìn)行全天時(shí)測(cè)溫。其中，光學(xué)接收系統(tǒng)通過(guò)帶寬為0.7nm的干涉濾光片分別提取n2分子和o2分子的多支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低、高階譜線從而得到大氣溫度信息。在該雷達(dá)系統(tǒng)中，干涉濾光片的帶寬為0.7nm，較大的系統(tǒng)帶寬導(dǎo)致提取多支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的同時(shí)也增加了白天天空背景噪聲，對(duì)高空弱信號(hào)的探測(cè)帶來(lái)了困難，大大限制了該激光雷達(dá)的探測(cè)范圍。

太陽(yáng)光譜中紫外光(190～400nm)范圍內(nèi)的輻照度小于可見(jiàn)光(400～750nm)范圍，同時(shí)，紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子單根純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的微分后向散射截面遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光激光輻射，例如，波長(zhǎng)在354.82nm附近的太陽(yáng)光譜輻照度是532nm的0.6倍，354.82nm紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子單根純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的微分后向散射截面是532nm可見(jiàn)光激光輻射的5倍，因此純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)采用紫外激光作為探測(cè)光源會(huì)大幅度提高探測(cè)信噪比，非常適用于全天時(shí)大氣遙感探測(cè)。但是，在頻譜上，紫外激光輻射產(chǎn)生的大氣分子純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線間隔遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光激光輻射產(chǎn)生的大氣分子純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線間隔，且在轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)j相同的情況下，對(duì)應(yīng)紫外激光輻射的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線距離彈性散射信號(hào)更近，尤其在提取純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階譜線的過(guò)程中更容易受到彈性散射信號(hào)的干擾。例如，在354.82nm紫外激光輻射下，n2分子純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線間隔為0.1nm，而在532nm可見(jiàn)光激光輻射下，n2分子純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線間隔為0.22nm。由于傳統(tǒng)的全天時(shí)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)的系統(tǒng)帶寬均在0.5～0.8nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，同時(shí)目前紫外波段濾光元件的工藝水平無(wú)法對(duì)距離中心波長(zhǎng)1nm附近的波長(zhǎng)產(chǎn)生很高的信號(hào)強(qiáng)度抑制，因此在譜線間隔為0.1nm的情況下，很難實(shí)現(xiàn)窄帶寬提取純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線并對(duì)附近的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生大于6個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制。

同時(shí)，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)均是采用會(huì)聚透鏡與光電探測(cè)器直接耦合的方式進(jìn)行光信號(hào)探測(cè)，會(huì)聚透鏡產(chǎn)生的單個(gè)光點(diǎn)直接入射至陰極光敏面，由于陰極光敏面響應(yīng)度不均勻會(huì)引起探測(cè)通道不重合效應(yīng)，最終導(dǎo)致無(wú)法有效降低探測(cè)高度下邊界，不利于對(duì)低空大氣數(shù)據(jù)的獲取。

為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)一種基于紫外激光輻射的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)大氣遙感探測(cè)，獲取可靠的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時(shí)間演化參數(shù)，對(duì)于氣象、航空、環(huán)保等相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展全天時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)工作具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)在全天時(shí)大氣遙感探測(cè)方面存在的局限性問(wèn)題，提供了一種基于紫外準(zhǔn)單支純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜提取的全天時(shí)測(cè)溫激光雷達(dá)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于紫外準(zhǔn)單支純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜提取的全天時(shí)測(cè)溫激光雷達(dá)，由激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元和信號(hào)采集與控制單元組成。

激光發(fā)射單元包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器、激光擴(kuò)束器、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡，nd:yag激光器的光軸與激光擴(kuò)束器的光軸重合，且激光擴(kuò)束器的小口徑光入射端靠近nd:yag激光器出光口一側(cè)，第一發(fā)射導(dǎo)光鏡的鏡面與激光擴(kuò)束器的光軸成45°角并相交于第一發(fā)射導(dǎo)光鏡的鏡面中心，第二發(fā)射導(dǎo)光鏡的鏡面與第一發(fā)射導(dǎo)光鏡的鏡面相互平行，且第二發(fā)射導(dǎo)光鏡可通過(guò)電動(dòng)雙軸傾斜臺(tái)精密控制鏡面角度；

光學(xué)接收單元包括望遠(yuǎn)鏡、視場(chǎng)光闌、第一反射鏡、長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡、第一能量分光鏡、第二能量分光鏡、第一超窄帶濾光片、第一會(huì)聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測(cè)器、第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第二會(huì)聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測(cè)器、第二反射鏡、第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第三會(huì)聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測(cè)器；望遠(yuǎn)鏡的光軸與天頂方向保持平行，視場(chǎng)光闌端面設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡的像方焦平面，且視場(chǎng)光闌的中心軸線與望遠(yuǎn)鏡的光軸重合，視場(chǎng)光闌的出射光路方向上依次設(shè)置有第一反射鏡、長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡、第一能量分光鏡，第一反射鏡的鏡面與望遠(yuǎn)鏡的光軸成45°角并相交于第一反射鏡的鏡面中心，長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路方向上且物方焦平面與望遠(yuǎn)鏡的像方焦平面重合，第一能量分光鏡與第二能量分光鏡的工作角度均為45°且鏡面相互垂直，第二能量分光鏡的反射光路方向上依次設(shè)置有第一超窄帶濾光片、第一會(huì)聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測(cè)器，第一會(huì)聚透鏡的像方會(huì)聚點(diǎn)與第一雙透鏡組的物方焦點(diǎn)重合；第二能量分光鏡的透射光路方向上依次設(shè)置有三片相同的第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第二會(huì)聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測(cè)器，第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具工作角度為，且第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具放置在第一恒溫箱內(nèi)，第二會(huì)聚透鏡的像方會(huì)聚點(diǎn)與第二雙透鏡組的物方焦點(diǎn)重合；第一能量分光鏡的反射光路方向上依次設(shè)置有第二反射鏡、兩片相同的第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第三會(huì)聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測(cè)器，第二反射鏡的工作角度為45°且鏡面與第一能量分光鏡的鏡面相互平行，第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的工作角度為，且第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具放置在第二恒溫箱內(nèi)，第三會(huì)聚透鏡的像方會(huì)聚點(diǎn)與第三雙透鏡組的物方焦點(diǎn)重合；

信號(hào)采集與控制單元包括數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器的信號(hào)輸出端通過(guò)bnc信號(hào)傳輸線一一對(duì)應(yīng)接入數(shù)據(jù)采集器三個(gè)采集通道的數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)一根網(wǎng)線連接至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口線和時(shí)序控制電路與nd:yag激光器連接。

沿光軸依次排列的第一超窄帶濾光片、第一會(huì)聚透鏡、第一雙透鏡組、第一光電探測(cè)器組成彈性通道，提取并探測(cè)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)；沿光軸依次排列的第二超窄帶濾光片、第一恒溫箱、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第二會(huì)聚透鏡、第二雙透鏡組、第二光電探測(cè)器組成低階拉曼通道，提取并探測(cè)354.82nm紫外激光輻射時(shí)的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8特征譜線和o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11特征譜線，且對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6；第三超窄帶濾光片、第二恒溫箱、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、第三會(huì)聚透鏡、第三雙透鏡組、第三光電探測(cè)器組成高階拉曼通道，提取并探測(cè)354.82nm紫外激光輻射時(shí)的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝14特征譜線和o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝19特征譜線，且對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6。

進(jìn)一步的，所述第一反射鏡、第二反射鏡在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率大于99％；第一能量分光鏡、第二能量分光鏡在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量透反比分別為50:50和95:5；第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的陰極輻射靈敏度大于100ma/w，且陰極光敏面直徑為8mm。

進(jìn)一步的，為了保證fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)良好的濾波、壓縮白天天空背景噪聲以及對(duì)彈性散射信號(hào)的透過(guò)率低于10^-1，所述長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡的像方焦距與視場(chǎng)光闌孔徑的比值小于等于1.8mrad。

進(jìn)一步的，所述第一會(huì)聚透鏡、第二會(huì)聚透鏡和第三會(huì)聚透鏡光學(xué)參數(shù)相同，焦距為90.15mm；第一雙透鏡組、第二雙透鏡組和第三雙透鏡組的光學(xué)參數(shù)相同，均由兩個(gè)相同的平凸透鏡組成，組合焦距為10.13mm，平凸透鏡的凸面曲率半徑為8.87mm，中心厚度為3.2mm，全口徑為10mm，兩個(gè)平凸透鏡以平面朝外、凸面朝內(nèi)的方式對(duì)稱放置且兩個(gè)平凸透鏡的凸面中心距離為3mm。第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器前設(shè)置有雙透鏡組，實(shí)現(xiàn)信號(hào)以近似平行光束的方式入射至光電探測(cè)器陰極光敏面，有效減小由于光電探測(cè)器陰極光敏面響應(yīng)度不均勻造成的通道不重合效應(yīng)，從而有效降低探測(cè)高度的下邊界。

進(jìn)一步的，由于大氣分子和氣溶膠產(chǎn)生的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度比純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)大3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，為了避免彈性散射信號(hào)對(duì)提取的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線產(chǎn)生干擾并引起測(cè)溫誤差，超窄帶濾光片需要提供很好的帶外抑制。所述第一超窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為354.82nm，帶寬為0.3nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，帶外透過(guò)率低于10^-7；第二超窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為354.07nm，帶寬為0.15nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-2，帶外透過(guò)率低于10^-7，三片相同的第二超窄帶濾光片疊加使用，且疊加使用后對(duì)彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6；第三超窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為353.47nm，帶寬為0.15nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-3，帶外透過(guò)率低于10^-7，兩片相同的第三超窄帶濾光片疊加使用，且疊加使用后對(duì)彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6。

進(jìn)一步的，第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具和第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)均相同，均為空氣隙fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具，腔長(zhǎng)為0.208mm，腔體內(nèi)表面在353nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率為75％，自由光譜范圍為0.301nm，帶寬為0.03nm，峰值透過(guò)率為85％；第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具通過(guò)調(diào)節(jié)工作角度，使波長(zhǎng)為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8特征譜線位于第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的峰值處，同時(shí)透過(guò)波長(zhǎng)為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11特征譜線，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-1；第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具通過(guò)調(diào)節(jié)工作角度，使波長(zhǎng)為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝14特征譜線位于第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的峰值處，同時(shí)透過(guò)波長(zhǎng)為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝19特征譜線，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-1；所述第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的工作角度和第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的工作角度需要根據(jù)計(jì)算機(jī)中的實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度剖面進(jìn)行調(diào)節(jié)并最終確定各自的最佳工作角度。

進(jìn)一步的，由于一天之內(nèi)的晝夜溫差會(huì)改變fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具腔體內(nèi)的空氣折射率，導(dǎo)致fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，降低純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)的透過(guò)率和對(duì)彈性散射信號(hào)的抑制。因此，為了消除環(huán)境溫度對(duì)fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的影響，所述第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具和第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具需分別放置在第一恒溫箱和第二恒溫箱中，且控溫精度為0.05k。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明提供了一種基于紫外準(zhǔn)單支純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜提取的全天時(shí)測(cè)溫激光雷達(dá)。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)往往采用532nm可見(jiàn)光激光作為探測(cè)光源，本發(fā)明采用線寬小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作為探測(cè)光源，354.82nm紫外激光輻射所產(chǎn)生的大氣分子單根純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的微分后向散射截面是傳統(tǒng)的532nm可見(jiàn)光激光輻射的5倍，因此在相同激光光子數(shù)輻射時(shí)對(duì)應(yīng)354.82nm的信號(hào)強(qiáng)度得到大幅度提高，同時(shí)太陽(yáng)光譜中的紫外波段在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，被分布在大氣層中氧原子、氧分子以及臭氧分子部分吸收，導(dǎo)致紫外波段的白天背景噪聲減少，大幅度提高了該激光雷達(dá)的系統(tǒng)信噪比；紫外波長(zhǎng)的激光處于人眼安全最佳波段，擴(kuò)大了該激光雷達(dá)的工作環(huán)境。

(2)該純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)的低階拉曼通道以準(zhǔn)單支的方式精準(zhǔn)提取波長(zhǎng)為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8特征譜線和波長(zhǎng)為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11特征譜線，兩根譜線間隔為0.01nm，高階拉曼通道以準(zhǔn)單支的方式精準(zhǔn)提取波長(zhǎng)為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝14特征譜線和波長(zhǎng)為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝19特征譜線，兩根譜線間隔為0.02nm，通過(guò)這種巧妙的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線選擇方案，不僅增加了窄帶寬提取譜線的信號(hào)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)信噪比，同時(shí)增加了與彈性散射信號(hào)之間的間隔，有利于拉曼通道對(duì)彈性散射信號(hào)產(chǎn)生大于6個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制，有效解決了由于現(xiàn)有工藝水平導(dǎo)致紫外濾波器件難以通過(guò)窄帶寬的方式提取紫外波段的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)并有效抑制彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的問(wèn)題。

(3)該純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)的拉曼通道采用了帶寬為0.15nm的超窄帶濾光片和帶寬為0.03nm的fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具組合的方式進(jìn)行分辨譜成分并提取n2分子、o2分子準(zhǔn)單支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，相對(duì)于帶寬在0.5～0.8nm范圍內(nèi)的傳統(tǒng)的全天時(shí)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)的系統(tǒng)帶寬減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅度壓縮了白天天空背景噪聲，提高了探測(cè)信噪比，尤其增加了對(duì)流層的白天探測(cè)高度。

(4)傳統(tǒng)的激光雷達(dá)采用會(huì)聚透鏡與光電探測(cè)器直接耦合的方式，光電探測(cè)器的陰極光敏面的響應(yīng)度不均勻會(huì)引起探測(cè)通道不重合，導(dǎo)致無(wú)法降低對(duì)流層探測(cè)高度的下邊界。本發(fā)明在會(huì)聚透鏡與光電探測(cè)器之間引入了雙透鏡組，該雙透鏡組經(jīng)過(guò)巧妙的光學(xué)設(shè)計(jì)，有效減小了光學(xué)像差，可以將經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡的會(huì)聚光束變?yōu)榻破叫泄?，再入射至光電探測(cè)器的陰極光敏面，避免信號(hào)以單個(gè)光點(diǎn)的方式直接入射至陰極光敏面，大大減小了由于陰極光敏面響應(yīng)度不均勻造成的通道不重合效應(yīng)，從而有效降低探測(cè)高度下邊界，提高測(cè)溫精度，有利于相關(guān)領(lǐng)域?qū)?duì)流層低空物理現(xiàn)象的研究。

(5)該純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)探測(cè)對(duì)流層的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時(shí)間演化參數(shù)，光路簡(jiǎn)單緊湊且調(diào)節(jié)難度低，系統(tǒng)集成度高，使用維護(hù)方便，對(duì)環(huán)境壓力、溫度和濕度要求較低，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的全天時(shí)觀測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的原理圖；

其中：1-激光發(fā)射單元、101-nd:yag激光器、102-激光擴(kuò)束器、103-第一發(fā)射導(dǎo)光鏡、104-第二發(fā)射導(dǎo)光鏡；

2-光學(xué)接收單元、201-望遠(yuǎn)鏡、202-視場(chǎng)光闌、203-第一反射鏡、204-長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡、205-第一能量分光鏡、206-第二能量分光鏡、207-第一超窄帶濾光片、208-第一會(huì)聚透鏡、209-第一雙透鏡組、210-第一光電探測(cè)器、211-第二超窄帶濾光片、212-第一恒溫箱、213-第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、214-第二會(huì)聚透鏡、215-第二雙透鏡組、216-第二光電探測(cè)器、217-第二反射鏡、218-第三超窄帶濾光片、219-第二恒溫箱、220-第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具、221-第三會(huì)聚透鏡、222-第三雙透鏡組、223-第三光電探測(cè)器；

3-信號(hào)采集與控制單元、301-數(shù)據(jù)采集器、302-計(jì)算機(jī)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的354.82nm紫外激光輻射時(shí)所產(chǎn)生的大氣n2分子和o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙透鏡組波像差示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種基于紫外準(zhǔn)單支純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜提取的全天時(shí)測(cè)溫激光雷達(dá)，由激光發(fā)射單元1、光學(xué)接收單元2和信號(hào)采集與控制單元3組成；

激光發(fā)射單元1包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器101(spectra-physics，型號(hào)pro-270-355)、激光擴(kuò)束器102、第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104，nd:yag激光器101的光軸與激光擴(kuò)束器102的光軸重合，激光擴(kuò)束器102的擴(kuò)束倍率為5倍，且激光擴(kuò)束器102的小口徑光入射端靠近nd:yag激光器101出光口一側(cè)；第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103和第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104鍍有354.82nm高反膜，第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103的鏡面與激光擴(kuò)束器102的光軸成45°角并相交于第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103的鏡面中心，第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104的鏡面與第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103的鏡面相互平行，且第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104可通過(guò)電動(dòng)雙軸傾斜臺(tái)(kohzu，型號(hào)sa07a)精密控制鏡面角度；

光學(xué)接收單元2包括望遠(yuǎn)鏡201(meade，型號(hào)lx200-8”)、視場(chǎng)光闌202(thorlabs，型號(hào)sm05d5d)、第一反射鏡203、長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡204、第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206、第一超窄帶濾光片207(materion，定制)、第一會(huì)聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測(cè)器210(hamamatsu，型號(hào)h10721-210)、第二超窄帶濾光片211(materion，定制)、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213(tecoptics，定制)、第二會(huì)聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測(cè)器216(hamamatsu，型號(hào)h10721-210)、第二反射鏡217、第三超窄帶濾光片218(materion，定制)、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220(tecoptics，定制)、第三會(huì)聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測(cè)器223(hamamatsu，型號(hào)h10721-210)，望遠(yuǎn)鏡201上鍍有超高透射介質(zhì)膜層，焦比為10，焦距為2000mm，口徑為200mm，望遠(yuǎn)鏡201的光軸與天頂方向保持平行；視場(chǎng)光闌202端面設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡201的像方焦平面，且視場(chǎng)光闌202的中心軸線與望遠(yuǎn)鏡201的光軸重合，視場(chǎng)光闌202的孔徑調(diào)節(jié)至0.8mm，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡201的視場(chǎng)角為0.4mrad；視場(chǎng)光闌202的出射光路方向上依次設(shè)置有第一反射鏡203、長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡204、第一能量分光鏡205，第一反射鏡203的鏡面與望遠(yuǎn)鏡201的光軸成45°角并相交于第一反射鏡203的鏡面中心，焦距為475mm的長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡204設(shè)置在第一反射鏡203的反射光路方向上且物方焦平面與望遠(yuǎn)鏡的像方焦平面重合，第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206的工作角度均為45°且鏡面相互垂直；第二能量分光鏡206的反射光路方向上依次設(shè)置有第一超窄帶濾光片207、第一會(huì)聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測(cè)器210，第一會(huì)聚透鏡208的像方會(huì)聚點(diǎn)與第一雙透鏡組209的物方焦點(diǎn)重合；第二能量分光鏡206的透射光路方向上依次設(shè)置有三片相同的第二超窄帶濾光片211、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213、第二會(huì)聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測(cè)器216；第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213的工作角度為，且第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213放置在控溫精度為0.05k的第一恒溫箱212內(nèi)；第二會(huì)聚透鏡214的像方會(huì)聚點(diǎn)與第二雙透鏡組215的物方焦點(diǎn)重合；第一能量分光鏡205的反射光路方向上依次設(shè)置有第二反射鏡217、兩片相同的第三超窄帶濾光片218、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220、第三會(huì)聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測(cè)器223，第二反射鏡217的工作角度為45°且鏡面與第一能量分光鏡205的鏡面相互平行，第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220的工作角度為，且第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220放置在控溫精度為0.05k的第二恒溫箱219內(nèi)，第三會(huì)聚透鏡221的像方會(huì)聚點(diǎn)與第三雙透鏡組222的物方焦點(diǎn)重合；

信號(hào)采集與控制單元3包括數(shù)據(jù)采集器301和計(jì)算機(jī)302，數(shù)據(jù)采集器301(licel，型號(hào)tr40-16bit)具有三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣頻率為40mhz，光子計(jì)數(shù)采樣頻率為250mhz，數(shù)據(jù)采樣精度為16bit，采集時(shí)間為25ns；第一光電探測(cè)器210、第二光電探測(cè)器216和第三光電探測(cè)器223的信號(hào)輸出端通過(guò)bnc信號(hào)傳輸線一一對(duì)應(yīng)接入數(shù)據(jù)采集器301三個(gè)采集通道的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)據(jù)采集器301的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)一根網(wǎng)線連接至計(jì)算機(jī)302，計(jì)算機(jī)302通過(guò)串口線和時(shí)序控制電路與nd:yag激光器101連接。

本實(shí)施例的工作流程為：

計(jì)算機(jī)302將啟動(dòng)指令通過(guò)串口線發(fā)送至nd:yag激光器101，nd:yag激光器101在種子注入狀態(tài)下輸出光束直徑為9mm、線寬小于等于0.1pm、重復(fù)頻率為30hz、單脈沖能量等于350mj、發(fā)散角等于0.5mrad、波長(zhǎng)為354.82nm的紫外脈沖激光束；脈沖激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束倍率為5倍的激光擴(kuò)束器102，光束直徑擴(kuò)大至45mm、發(fā)散角壓縮至0.1mrad；隨后依次經(jīng)過(guò)一組相互平行的第一發(fā)射導(dǎo)光鏡103、第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104沿天頂方向發(fā)射至大氣中，當(dāng)光束偏離天頂方向時(shí)，可通過(guò)電動(dòng)雙軸傾斜臺(tái)精密調(diào)節(jié)第二發(fā)射導(dǎo)光鏡104，使光束指向重新恢復(fù)至天頂方向；

如圖2所示，發(fā)射至大氣中的354.82nm紫外脈沖激光束與大氣中的主要組分n2分子、o2分子和氣溶膠粒子之間相互作用并產(chǎn)生一系列分立的譜線散射信號(hào)，其中，n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8和j＝14特征譜線的波長(zhǎng)分別為354.07nm、353.47nm，且分別與波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)相距0.75nm、1.35nm，o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11和j＝19特征譜線的波長(zhǎng)分別為354.06nm、353.49nm；

一系列分立的譜線散射信號(hào)經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡201會(huì)聚在視場(chǎng)光闌202端面上，隨后經(jīng)過(guò)第一反射鏡203折轉(zhuǎn)90°角傳輸至長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡204，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)焦準(zhǔn)直透鏡204變?yōu)榘l(fā)散角為1.68mrad的近似平行光，隨后被第一能量分光鏡205以50:50的能量透反比分成光譜成分相同的透射光和反射光；對(duì)于第一能量分光鏡205的透射光經(jīng)過(guò)第二能量分光鏡206以95:5的能量透反比分成光譜成分相同的透射光和反射光，其反射光經(jīng)過(guò)第一超窄帶濾光片207照射第一會(huì)聚透鏡208，隨后經(jīng)過(guò)第一會(huì)聚透鏡208會(huì)聚在像面上，且像面位置靠近第一會(huì)聚透鏡208的像方焦平面，會(huì)聚之后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)第一雙透鏡組209變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第一光電探測(cè)器210的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號(hào)；

第二能量分光鏡206的透射光經(jīng)過(guò)三片結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的第二超窄帶濾光片211照射第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213，出射光隨后經(jīng)過(guò)第二會(huì)聚透鏡214會(huì)聚在像面上，且像面位置靠近第二會(huì)聚透鏡214的像方焦平面，會(huì)聚之后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)第二雙透鏡組215變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第二光電探測(cè)器216的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號(hào)；

第一能量分光鏡205的反射光經(jīng)過(guò)第二反射鏡217折轉(zhuǎn)90°角傳輸至第三超窄帶濾光片218，經(jīng)過(guò)兩片結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的第三超窄帶濾光片218照射第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220，出射光隨后經(jīng)過(guò)第三會(huì)聚透鏡221會(huì)聚在像面上，且像面位置靠近第三會(huì)聚透鏡221的像方焦平面，會(huì)聚之后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)第三雙透鏡組222變?yōu)楣馐睆叫∮?mm的近似平行光，并入射至第三光電探測(cè)器223的陰極光敏面上產(chǎn)生電信號(hào)；

其中，沿光軸依次排列的第一超窄帶濾光片207、第一會(huì)聚透鏡208、第一雙透鏡組209、第一光電探測(cè)器210組成彈性通道，提取并探測(cè)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)；沿光軸依次排列的第二超窄帶濾光片211、第一恒溫箱212、第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213、第二會(huì)聚透鏡214、第二雙透鏡組215、第二光電探測(cè)器216組成低階拉曼通道，提取并探測(cè)波長(zhǎng)為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8特征譜線和波長(zhǎng)為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11特征譜線，且對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外準(zhǔn)單支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階譜線的提?。坏谌瓗V光片218、第二恒溫箱219、第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220、第三會(huì)聚透鏡221、第三雙透鏡組222、第三光電探測(cè)器223組成高階拉曼通道，提取并探測(cè)波長(zhǎng)為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝14特征譜線和波長(zhǎng)為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝19特征譜線，且對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外準(zhǔn)單支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高階譜線的提取。

nd:yag激光器101在輸出一個(gè)脈沖激光束的同時(shí)，nd:yag激光器101通過(guò)計(jì)算機(jī)302將電平觸發(fā)信號(hào)輸入至數(shù)據(jù)采集器301，控制數(shù)據(jù)采集器開(kāi)始采集；第一光電探測(cè)器210、第二光電探測(cè)器216和第三光電探測(cè)器223產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)bnc信號(hào)傳輸線一一對(duì)應(yīng)輸入給數(shù)據(jù)采集器301的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，數(shù)據(jù)采集器301通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換方式將強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)光子計(jì)數(shù)方式將弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后通過(guò)一根網(wǎng)線將數(shù)字信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)302，計(jì)算機(jī)302通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、去背景和存儲(chǔ)，并得到三個(gè)采集通道的信號(hào)強(qiáng)度隨探測(cè)高度變化的測(cè)量剖面圖，三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的測(cè)量剖面圖可以通過(guò)算法反演得到全天時(shí)的大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時(shí)間演化參數(shù)。

本實(shí)施例的第一反射鏡203、第二反射鏡217在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率大于99％；第一能量分光鏡205、第二能量分光鏡206在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量透反比分別為50:50和95:5；第一會(huì)聚透鏡208、第二會(huì)聚透鏡214和第三會(huì)聚透鏡221光學(xué)參數(shù)相同，焦距為90.15mm；第一光電探測(cè)器210、第二光電探測(cè)器216、第三光電探測(cè)器223在350nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的陰極輻射靈敏度大于100ma/w，且陰極光敏面直徑為8mm。

為了便于說(shuō)明該激光雷達(dá)中雙透鏡組的光學(xué)參數(shù)以及對(duì)像差的校正效果，下面結(jié)合圖3和圖4對(duì)雙透鏡組做詳細(xì)介紹。

如圖3所示，第一雙透鏡組209、第二雙透鏡組215和第三雙透鏡組222的光學(xué)參數(shù)相同，均由兩個(gè)相同的平凸透鏡組成，采用熔石英材料，組合焦距為10.13mm，平凸透鏡的凸面曲率半徑為8.87mm，中心厚度為3.2mm，全口徑為10mm，兩個(gè)平凸透鏡以平面朝外、凸面朝內(nèi)的方式對(duì)稱放置且兩個(gè)平凸透鏡的凸面中心距離為3mm。如圖4所示，波像差為0.4577個(gè)波長(zhǎng)，起到較好的像差校正效果。第一光電探測(cè)器210、第二光電探測(cè)器216和第三光電探測(cè)器223前設(shè)置有雙透鏡組，實(shí)現(xiàn)信號(hào)以近似平行光束的方式入射至光電探測(cè)器陰極光敏面，有效減小由于光電探測(cè)器陰極光敏面響應(yīng)度不均勻造成的通道不重合效應(yīng)，從而有效降低探測(cè)高度的下邊界。

本實(shí)施例的第一超窄帶濾光片207的中心波長(zhǎng)為354.82nm，帶寬為0.3nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，帶外透過(guò)率低于10^-7；第二超窄帶濾光片211的中心波長(zhǎng)為354.07nm，帶寬為0.15nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-2，帶外透過(guò)率低于10^-7，三片相同的第二超窄帶濾光片211疊加使用，且疊加使用后對(duì)彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6；第三超窄帶濾光片218的中心波長(zhǎng)為353.47nm，帶寬為0.15nm，峰值透過(guò)率大于等于40％，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-3，帶外透過(guò)率低于10^-7，兩片相同的第三超窄帶濾光片218疊加使用，且疊加使用后對(duì)彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-6。

本實(shí)施例的第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213和第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220的標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)均相同，均為空氣隙fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具，腔長(zhǎng)為0.208mm，腔體內(nèi)表面在353nm至355nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率為75％，自由光譜范圍為0.301nm，帶寬為0.03nm，峰值透過(guò)率為85％；第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213通過(guò)調(diào)節(jié)工作角度，使波長(zhǎng)為354.07nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝8特征譜線位于第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213透過(guò)率曲線的峰值處，同時(shí)透過(guò)波長(zhǎng)為354.06nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝11特征譜線，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-1；；第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220通過(guò)調(diào)節(jié)工作角度，使波長(zhǎng)為353.47nm的n2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝14特征譜線位于第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220透過(guò)率曲線的峰值處，同時(shí)透過(guò)波長(zhǎng)為353.49nm的o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼j＝19特征譜線，對(duì)波長(zhǎng)為354.82nm的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的透過(guò)率低于10^-1。

為了便于說(shuō)明，fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具的具體調(diào)節(jié)步驟如下：

通過(guò)電動(dòng)位移臺(tái)(thorlabs，型號(hào)ddr100)調(diào)節(jié)第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213的工作角度，觀察計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213數(shù)據(jù)采集通道的實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度剖面，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度剖面調(diào)節(jié)至最大時(shí)，表示第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213的工作角度已經(jīng)調(diào)節(jié)至最佳角度；第二fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具220對(duì)工作角度的調(diào)節(jié)步驟參照第一fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具213的調(diào)節(jié)步驟。

為了便于理解，下面針對(duì)該激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度和氣溶膠參數(shù)的原理做詳細(xì)的說(shuō)明。

第一光電探測(cè)器210探測(cè)到的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度p1(z)可表示為：

式中，p0為單個(gè)脈沖的平均功率，k為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，o(z)為探測(cè)高度z處的幾何重疊因子，h1為光學(xué)接收單元2對(duì)彈性散射信號(hào)的接收效率，β1(z)、β2(z)分別為氣溶膠和大氣分子在高度z處的大氣后向散射系數(shù)，α1(z)、α2(z)分別為氣溶膠和大氣分子在高度z處的大氣消光系數(shù)。采用本領(lǐng)域常用的fernald算法來(lái)計(jì)算氣溶膠的大氣后向散射系數(shù)和消光系數(shù)。該算法可以表示為：

式中，s1、s2分別為氣溶膠和大氣分子的激光雷達(dá)比，且s2為8π/3，zc為大氣參考高度，p1(zc)為參考高度zc處的彈性散射信號(hào)強(qiáng)度，β1(zc)、β2(zc)分別為氣溶膠和大氣分子在參考高度zc處的大氣后向散射系數(shù)。其中，s1需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇髿鈿馊苣z環(huán)境進(jìn)行假設(shè)，β2(z)、β1(zc)、β2(zc)等變量根據(jù)假設(shè)的后向散射比和ussa-1976標(biāo)準(zhǔn)大氣模式獲得，p1(z)、p1(zc)由信號(hào)強(qiáng)度剖面獲得。由該式可知，可以根據(jù)已知的p1(z)、p1(zc)、s1、s2、β2(z)、β1(zc)、β2(zc)求得氣溶膠的全天時(shí)大氣后向散射系數(shù)β1(z)的空間分布和時(shí)間演化剖面。

第二光電探測(cè)器216探測(cè)到的反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階特征譜線信號(hào)強(qiáng)度p2(z)可表示為：

式中，τ(λ0)表示脈沖激光束波長(zhǎng)λ0的大氣透過(guò)率，n(z)表示高度z處的大氣分子的數(shù)密度，h2(ji)表示光學(xué)接收單元2對(duì)反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階特征譜線信號(hào)的接收效率，ηi表示n2分子或o2分子的體積豐度比，σ(ji,t)表示溫度為t時(shí)候的n2分子或o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階特征譜線的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階特征譜線信號(hào)的大氣透過(guò)率。

第三光電探測(cè)器223探測(cè)到的反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高階特征譜線信號(hào)強(qiáng)度p3(z)可表示為：

式中，h3(ji)表示光學(xué)接收單元2對(duì)反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高階特征譜線信號(hào)的接收效率，σ(ji,t)表示溫度為t時(shí)候的n2分子或o2分子反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高階特征譜線的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高階特征譜線信號(hào)的大氣透過(guò)率。

隨著大氣溫度的升高，反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低階特征譜線信號(hào)強(qiáng)度p2(z)減小，高階特征譜線信號(hào)強(qiáng)度p3(z)增加，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼特征譜線信號(hào)的溫度特性，對(duì)第二光電探測(cè)器216和第三光電探測(cè)器223采集的信號(hào)強(qiáng)度作比值：

式中，q(t,z)表示兩個(gè)拉曼通道的信號(hào)強(qiáng)度比值，其數(shù)值大小跟大氣溫度有關(guān)，系數(shù)α、β、γ表示雷達(dá)反演系數(shù)，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)302擬合得到。最終，該測(cè)溫激光雷達(dá)根據(jù)式(5)反演得到全天時(shí)大氣溫度的空間分布和時(shí)間演化剖面。

本發(fā)明的激光雷達(dá)采用線寬小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作為探測(cè)光源，其中兩個(gè)拉曼通道采用超窄帶濾光片與fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具相互結(jié)合的方式精準(zhǔn)提取n2分子和o2分子的準(zhǔn)單支反斯托克斯純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼低、高階譜線，同時(shí)，大幅度壓縮白天天空背景噪聲來(lái)提高系統(tǒng)信噪比。在較小的紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線間隔(～0.1nm)情況下，有效解決了測(cè)溫激光雷達(dá)難以通過(guò)窄帶寬的方式提取純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線并有效抑制彈性散射信號(hào)強(qiáng)度的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫度、氣溶膠等空間分布和時(shí)間演化參數(shù)的全天時(shí)測(cè)量，為氣象、航空、環(huán)保等相關(guān)領(lǐng)域提供可靠的全天時(shí)數(shù)據(jù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。