[發明專利]一種基于純轉動拉曼譜線全提取的測溫激光雷達系統及探測方法

有效

• 申請號: 202010068870.8
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111256870B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 陳偉;范廣強;張天舒;項衍;呂立慧;劉洋;趙雪松;付毅賓;董云升
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院;安徽省生態環境廳
• 主分類號: G01K11/3206
• 分類號: G01K11/3206;G01K11/324;G01S17/95;G01S7/481
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種基于純轉動拉曼譜線全提取測溫激光雷達系統探測方法，利用基于純轉動拉曼譜線全提取測溫激光雷達系統，包括激光發射單元、后繼光學接收單元、信號采集與控制單元；所述的激光發射單元包括高重頻半導體激光器、擴束鏡、三組反射鏡，三組反射鏡分別包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡，高重頻半導體激光器、擴束鏡、第一反射鏡緊鎖在一塊光學平板上，光學平板水平固定在系統框架上；所述后繼光學接收單元包括接收望遠鏡、光纖、準直鏡、兩個平面全息光柵、凹面鏡、兩個寬帶反射鏡以及用于純轉動拉曼信號的寬帶濾光片和用于同時接收純轉動拉曼全譜線的線陣光電倍增管；所述的接收望遠鏡鍍有353-360nm高反介質膜層，接收望遠鏡光軸與激光反射單元光軸一致，接收望遠鏡出散光路上依次設置光纖、準直鏡、第一塊平面全息光柵、第二塊平面全息光柵、凹面鏡、第一個寬帶反射鏡、第二個寬帶反射鏡、寬帶濾光片、線陣光電倍增管；準直鏡、兩個平面全息光柵、凹面鏡、兩個寬帶反射鏡、寬帶濾光片、線陣光電倍增管固定在一個密閉箱體內，通過光纖直接與接收望遠鏡相連接；所述信號采集與控制單元包括前置放大器、數據采集卡、UPS電源、工控機，所述前置放大器分別采用2倍和48倍，分別對同一信號進行采集，從而增大回波信號的動態范圍，所述數據采集卡采用PCI接口，采樣位數12bit，采樣速率20Mhz，放置于工控機內部；其特征在于：該方法包括：由工控機通過串口發送命令控制高頻激光器出光，激光經擴束鏡擴束后經第一反射鏡反射后由水平狀態轉為垂直發射到空中，第二反射鏡和第三反射鏡將激光束由離軸形式轉變為激光雷達的同軸結構，激光束穿透密封鏡窗垂直射向大氣中，激光束與N₂氣分子產生相互作用，其產生的純轉動拉曼后向散射光由接收望遠鏡接收后，匯聚于光纖入口內；光纖將N₂分子斯托克斯和反斯托克斯的純轉動拉曼后向散射光由準直鏡準直后轉為平行光，平行光經過第一塊平面全息光柵、第二塊平面全息光柵組成的分光器件組分離出各階純轉動拉曼光，經由凹面鏡會聚，第一個寬帶反射鏡和第二個寬帶反射鏡是為了增加光程，將純轉動拉曼光兩次轉折，減小密閉箱體的長度；寬帶濾光片用于進一步抑制發射激光與顆粒物、空氣分子產生的米散射光，經過寬帶濾光片后，N₂分子各階純轉動拉曼散射光分布在線陣光電倍增管各個點陣上，并被采集單元分別采集接收，工控機通過純轉動拉曼溫度激光雷達分析軟件解析獲得溫度垂直分布信息；在結束測量時，工控機控制關閉高頻激光器輸出，依次關閉前置放大器、采集器、光電倍增管高壓、工控機；在系統連續測量過程中，工控機通過UPS電源不間斷監測供電電池組的輸入狀態，若供電電池組的保持正常供電，則系統循環工作；若供電電池組的輸入狀態出現異常，為了防備供電電池組的輸入狀態只是短暫的異常，或者只是供電電池組的電壓波動造成的，因此，在檢查發現供電電池組供電狀態異常的情況下，等待1～2分鐘后再次檢查供電電池組供電狀態是否正常，若供電電池組輸入狀態正常，則系統繼續循環工作，若供電電池組供電狀態仍然異常，則關閉高頻激光器，并預設3-5分鐘后關閉UPS電源，在關閉高頻激光器后，關閉工控機，UPS電源會在3-5分鐘后關閉；

UPS電源采用在線式架構、正弦波輸出，UPS電源可以解決市電高壓、市電低壓、電壓瞬態跌落、電壓波動、浪涌電壓電源問題，在斷電情況下，能維持5～10分鐘的正常輸出，提供RS-232串口，通過S-232串口對UPS電源控制；

激光發射單元整體核心部件高頻激光器、擴束鏡緊鎖在一塊光學平板上面，光學平板水平固定在系統框架上，在快速運動和顛簸的工作環境下，起到了保護高頻激光器的目的和抗震的效果；

接收望遠鏡采用了純正的Richey-Chre'tien雙曲面主、次鏡結構，同時消除了球差和彗差，并且主、次鏡采用最優的低熱膨脹系數石英玻璃，輔以高強度、低膨脹系數鏡筒，主鏡牢牢固定在后端基座上，次鏡經過光軸校準后固定不動；接收望遠鏡主次鏡鍍介質膜，具有99％的極高反射率，接收望遠鏡口徑大于等于300mm；

光纖為石英光纖，對紫外350-360nm高透，光纖數值孔徑與接收望遠鏡數值孔徑相匹配，光纖端面起到小孔光闌的作用，限制了接收望遠鏡視場角，通過多次試驗驗證，接收望遠鏡視場角小于等于0.2mrad，白天白噪聲影響小，從而得以實現白天純轉動拉曼回波信號的有效提取，實現純轉動拉曼雷達溫度廓線白天測量；

高頻激光器經過擴束鏡的激光發散角小于等于0.1mrad，并且是接收視場角的一半；

第一塊平面全息光柵、第二塊平面全息光柵組成的分光器件對發射激光的抑制比為3，為了進一步抑制發射激光，采用的寬帶濾光片對發射激光的抑制比為4，對各階純轉動拉曼光峰值透過率大于60％；

第一塊平面全息光柵、第二塊平面全息光柵組成的分光器件的光譜分辨率達到0.1nm/mm，與線陣光電倍增管中的像素為1mm，各級純轉動拉曼光譜之間的光譜間隔為0.1nm，每根純轉動拉曼光譜均由線陣光電倍增管獨立接收；

系統可獨立測量各階存轉動拉曼譜線，全部獨立提取N2各階從0階-16階各階斯托克斯光和反斯托克斯光，同時獨立測量各階純轉動拉曼譜線，靈活選擇不同的純轉動拉曼譜線用于溫度反演，提高溫度廓線的反演精度。