[發明專利]一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統

有效

• 申請號: 201710001666.2
• 申請日: 2017-01-03
• 公開（公告）號: CN106772438B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 易帆;翁淼;柳付超;張云鵬;余長明;何裕金;譚瑩;易洋;潘向亮
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 趙麗影,代文成

1.一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，包括發射單元、光學接收與信號檢測單元、控制單元；發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激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質的后向散射光；控制單元保障整個雷達系統有序工作，其特征在于：所述發射單元采用種子注入的固體激光器輸出單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz，線寬<0.006cm^-1的532.23nm激光并導向天頂；光學接收與信號檢測單元中兩個Raman通道組合窄帶干涉濾光片和FPI干涉儀分別提取N₂分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6和16兩支單譜線信號，對532.23nm附近光產生優于8個量級的抑制，對鄰近O₂分子譜線信號產生優于1.5個量級的抑制；系統視場～0.4mrad，彈性通道帶寬0.3nm，雙Raman通道帶寬～30pm，具備全天時工作能力。

2.如權利要求1所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：所述發射單元包括種子激光器、固體激光器、擴束鏡、發射臺；

種子激光器產生極窄線寬的1064nm紅外基頻光；基頻光由光纖導入固體激光器諧振腔內，經放大后再由二倍頻晶體倍頻產生線寬<0.006cm^-1，單脈沖能量～800mJ，重復頻率30Hz的532.23nm激光輸出；擴束鏡以8倍倍率放大來射激光直徑和壓縮來射激光發散角；發射臺以>99.5％的反射率將水平來射激光導向天頂方向。

3.如權利要求2所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：所述光學接收與信號檢測單元包括望遠鏡、光闌、反射鏡、準直鏡、分束鏡BS1、干涉濾光片IF3、匯聚鏡L3、探測器3、分束鏡BS2、干涉濾光片IF2、法布里-玻羅干涉儀FPI2、匯聚鏡L2、探測器2、干涉濾光片IF1、法布里-玻羅干涉儀FPI1、匯聚鏡L1、探測器1；

望遠鏡收集大氣后向散射光信號；光信號穿過光闌后由反射鏡轉折并照射準直鏡，準直鏡將來射光變為平行光；光闌定位在望遠鏡焦面上，直徑設置為0.8mm以控制系統視場為～0.4mrad；BS1反射10％入射信號光照射IF3，經L3匯聚后由探測器3接收；BS1透射剩余～90％入射信號光照射BS2；BS2以1:1的比例反射與透射入射平行光；BS2反射的光信號通過兩片相同參數的IF2后照射FPI2，經L2匯聚后由探測器2接收；BS2透射的光信號通過兩片相同參數的IF1后照射FPI1，經L1匯聚后由探測器1接收。

4.如權利要求3所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：所述控制單元包括計算機，對采集數據進行存儲及通過時序電路保障整個雷達系統自動有序工作；

計算機控制一個三通道的Licel瞬態記錄儀采集來自三個探測器的信號，通過一個時序電路控制整個雷達系統自動有序工作；Licel瞬態記錄儀同時以模擬和光子計數兩種工作模式記錄來自探測器1、探測器2和探測器3的原始數據，記錄的數據通過一根網線傳輸至計算機并得以自動存儲。

5.如權利要求4所述的一種全天時準確測量大氣溫度和氣溶膠參數的激光雷達系統，其特征在于：

所述IF3有效孔徑50mm，中心波長532.23nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50％，帶外抑制優于3個量級；

所述IF2有效孔徑50mm，中心波長531.00nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>50％，對包括532.23nm彈性回波的帶外光抑制優于3個量級；

所述IF1有效孔徑50mm，中心波長528.77nm，帶寬0.3nm，峰值透過率>35％，對包括532.23nm彈性回波的帶外光抑制優于3個量級；

所述FPI2與FPI1有效孔徑50mm，空氣隙間隔0.189mm，腔端面反射率～90％，自由光譜區～0.75nm，精細度23；FPI2通過精細溫度和角度控制，對531.00nm信號具有30％的峰值透過率，帶寬～30pm，對532.23nm彈性信號產生優于2個量級的抑制，對O₂分子J＝7的531.18nm譜線信號和J＝9的530.85nm譜線信號產生優于1.5個量級的抑制；FPI1通過精細溫度和角度控制，對528.77nm信號具有30％的峰值透過率，帶寬～30pm，對532.23nm彈性信號產生優于2個量級的抑制，對O₂分子J＝21的528.91nm譜線信號和J＝23的528.60nm譜線信號產生優于1.5個量級的抑制；

所述探測器3實現對彈性回波信號的接收，探測器2實現對N₂分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝6譜線信號的提取，探測器1實現對N₂分子Anti-Stokes純轉動Raman譜J＝16譜線信號的提取。