[發(fā)明專利]基于波分復(fù)用技術(shù)分光的全光纖拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710018406.2
• 申請日: 2007-08-03
• 公開（公告）號: CN101105532A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 華燈鑫;毛建東;胡遼林;周毅;劉君
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;H04J14/02
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所
• 代理人: 羅笛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣象與環(huán)境觀測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對氣象與大氣環(huán)境進(jìn)行觀測的激光雷達(dá)系統(tǒng)，特別涉及一種利用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的解復(fù)用器(Demultiplexer)進(jìn)行分光的全光纖拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)作為一種主動遙感探測工具已廣泛用于激光大氣傳輸、全球氣候預(yù)測、氣溶膠輻射效應(yīng)及大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域。激光雷達(dá)(Lidar：Lightdetection?and?ranging)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，分光系統(tǒng)與光電探測部件以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成。基本原理為：由激光器發(fā)出的脈沖激光束射向大氣，經(jīng)與大氣中的物質(zhì)作用后產(chǎn)生的散射信號被接收系統(tǒng)收集下來，并經(jīng)光學(xué)分光系統(tǒng)的分光處理后，由光電探測部件轉(zhuǎn)換為電信號，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

激光遙感的基礎(chǔ)是光輻射與大氣中的原子、分子以及氣溶膠粒子之間相互作用所產(chǎn)生的各種物理過程。米散射(Mie?scattering)是一種散射譜的中心波長與入射激光波長相同，散射譜的譜寬近似于入射激光譜寬的彈性散射，它是由粒徑相當(dāng)或大于激光波長的氣溶膠粒子引起的散射。瑞利散射(Rayleigh?scattering)也是一種中心波長與入射激光波長相同，譜寬依存大氣溫度變化的彈性散射，它是由散射體粒徑比激光波長小的分子或原子引起的散射現(xiàn)象。拉曼散射(Raman?scattering)可分為轉(zhuǎn)動拉曼和振動拉曼散射，是一種由大氣分子或原子引起的非彈性散射，散射譜分布于入射激光譜線的兩側(cè)，其散射截面是各種散射機(jī)理中較小的一種，很適合用來探測大氣溫度和大氣成分。

氣象觀測主要是進(jìn)行大氣溫度的測量，大氣環(huán)境觀測主要進(jìn)行如氣溶膠消光系數(shù)及散射系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣能見度參數(shù)的測量。通常，氣象觀測激光雷達(dá)與大氣環(huán)境觀測激光雷達(dá)都是使用各自獨(dú)立的系統(tǒng)，因?yàn)榇髿猸h(huán)境激光雷達(dá)使用的是大氣回波信號中的米—瑞利散射信號，這與氣象觀測激光雷達(dá)中所利用的散射信號不同。為了使同一個激光雷達(dá)系統(tǒng)既能觀測氣象參數(shù)，又能觀測大氣環(huán)境，就必須有效分離大氣回波信號中的各個散射信號光譜成分，并檢測出來，還要有效利用其相互關(guān)系進(jìn)行分析求解。

但是，由于拉曼散射的截面相對于氣溶膠引起的米散射和大氣分子引起的瑞利散射要小3-4個數(shù)量級，這就需要對米和瑞利散射信號具有7個數(shù)量級以上的抑制，并且從強(qiáng)烈的米、瑞利散射信號中提取出微弱的拉曼譜線，還需要激光雷達(dá)的分光系統(tǒng)有帶外抑制能力和很高的光譜分辨能力。另外，白天探測時(shí)，還需要考慮對太陽背景光進(jìn)行有效地濾除。目前，轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)提取轉(zhuǎn)動拉曼散射光譜的分光方案中普遍采用干涉濾波片、單光柵單色儀結(jié)合原子共振吸收濾光片，或者雙光柵單色儀的分光方法。

近年來，隨著光纖通信技術(shù)地飛速發(fā)展，光纖通信中普遍采用WDM技術(shù)已經(jīng)非常成熟。WDM技術(shù)所采用的方案是在同一根光纖中使用相同的速率來傳輸多個波長的光信號。WDM系統(tǒng)的核心光學(xué)器件是復(fù)用/解復(fù)用器(Multiplexer/Demultiplexer)其功能是采用光學(xué)方法將密集間隔的各波長(信道)分開，或?qū)崿F(xiàn)光波長(信道)的上下話路，后者通常稱為光上下話路復(fù)用器(Optical?Add/Drop?Multilexer)。即它們分別是組合(耦合)和分開(分離)不同波長的光信號的裝置，Multiplexer組合幾個波長的信道到一根光纖上，Demultiplexer正好與此相反，實(shí)際中，往往一個WDM裝置既做Demultiplexer又做Multiplexer。由于WDM技術(shù)具有優(yōu)良的波長選擇性，光譜分辨率高，光譜響應(yīng)函數(shù)旁瓣小，半峰值寬度小，同時(shí)具有多端口，體積小、插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、性能穩(wěn)定以及易于實(shí)現(xiàn)全光纖連接的特點(diǎn)。

因此，本發(fā)明借鑒光纖通信的WDM技術(shù)的解復(fù)用器及其嚴(yán)格的波長選擇特性、高的光譜分辨能力以及帶外抑制能力，提出一種基于WDM技術(shù)的解復(fù)用器分光技術(shù)的進(jìn)行氣象觀測和大氣環(huán)境觀測的全光纖拉曼激光雷達(dá)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種全光纖拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，利用WDM的解復(fù)用器進(jìn)行分光，一套激光雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行氣象與大氣環(huán)境觀測，最終實(shí)現(xiàn)大氣溫度氣象參數(shù)測量，以及大氣氣溶膠消光系數(shù)及散射系數(shù)、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣能見度等大氣環(huán)境參數(shù)的測量。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于WDM技術(shù)的解復(fù)器分光的全光纖拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、分光系統(tǒng)與光電探測部件以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括