一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能同时测量大气中由三相态水产生的Raman谱和由气溶胶粒子产生的荧光谱的激光雷达系统。
【背景技术】
[0002]水是大气中的一种重要物质。水汽及由液态/固态水组成的云在大气中的存在与变化，都会直接影响大气辐射收支。精确掌握大气水的含量、分布及相态等信息在大气研究领域是非常必要的。实现大气水的高精度探测需要付出极大的技术努力;水Raman激光雷达利用水的振转Raman谱测量大气水，具有高时空分辨率的优势。水汽Raman激光雷达主要通过接收水汽振转Raman谱Q支信号获取水汽剖面，在晴朗天气条件下常会获得可靠数据，但在有云存在时则会出现相对湿度结果大于100%的情况。其根源在于，由云中液态或/固态水产生的Raman信号，在频谱上与水汽Raman信号交叠进而对水汽信号产生“干扰”，导致测量结果错误。为此，有研究单位通过在水汽Raman激光雷达中增添一个检测液/固态水Raman回波的测量通道，实现对水汽和液/固态水的同时监测。但三相态水Raman谱在频谱上的交叠是固有的，靠采用滤波器件提取有限带宽内水Raman信号的方法，不能直接排除各相水Raman信号相互串扰带来的影响。同时，液水Raman谱与温度相关，单凭有限带宽内液水Raman信号总强度也不能反映出云内部微物理特性的变化。另一个潜在的干扰因素是气溶胶荧光:在大气中，包含有机物或源自生物质的气溶胶粒子，在紫外激光的辐射下会释放谱宽极宽的荧光。气溶胶荧光在频谱上可完全覆盖三相态水的Raman谱，进而进入雷达系统并对最终测量结果造成影响。利用有限带宽滤波器件提取水Raman信号的激光雷达系统，都难以直接识别气溶胶荧光是否存在，在气溶胶荧光存在的情况下也不能剔除气溶胶荧光的干扰。
[0003]综合考虑以上因素，为实现在更多天气条件下的针对大气水的高精度探测，我们提出研制新型的水Raman激光雷达系统:系统能同时获取由三相态水产生的Raman谱信号，同时能直接判断是否有气溶胶荧光存在，并在荧光存在时能检测荧光强度并消除荧光对水Raman谱信号的干扰。这要求雷达系统具有适当的光谱范围来同时记录三相态的水Raman谱和荧光谱，并具有合适的谱分辨能力。另外，考虑到水在大气中含量相对很少，Raman散射相对弹性散射而言效率很低，还要求系统能高效传输目标信号、对发射激光波长附近的弹性回波产生足够程度的抑制，具备从极强的弹性信号中成功检出极弱Raman信号的能力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出了一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，该系统能实现对大气中由三相态水产生的Raman谱和由气溶胶粒子产生的荧光谱的同时探测。该系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元采用种子注入的固体激光器输出极窄线宽的354.Snm紫外激光并导向天顶;光学接收与信号检测单元收集来自大气物质的后向散射光，对354.8nm附近光产生优于15个数量级的抑制，并以0.8nm的谱精度分辨与记录393.0-424.0nm谱带范围信号光;控制单元保障整个雷达系统有序工作。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是:
[0006]—种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，该系统由发射单元、光学接收与信号检测单元和控制单元组成。发射单元包括种子激光器、固体激光器、扩束镜、发射台。光学接收与信号检测单元由望远镜、光阑、准直镜、反射镜、带通滤光片1、分束镜、干涉滤光片、汇聚镜、探测器1、带通滤光片2、耦合镜和双光栅光谱仪系统组成。双光栅光谱仪系统由光纤、透镜I和光栅1、透镜2和光栅2、探测器2组成。双光栅光谱仪系统实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制，高效传输并以0.8nm的谱精度记录393.0-424.0nm谱带范围信号光。控制单元由计算机组成，通过时序电路控制发射单元、光学接收与信号检测单元，保障整个雷达系统有序工作。
[0007]种子激光器产生极窄线宽的1064nm红外基频光;基频光由光纤导入固体激光器谐振腔内，经两级放大后再由三倍频晶体产生极窄线宽的354.8nm紫外激光输出；紫外激光在水平方向上传播，通过5倍扩束镜扩束后照射发射台；发射台可电动精密控制，以高于99.5%的反射率将来射紫外激光导向天顶方向。
[0008]望远镜收集的大气后向散射信号穿过光阑后由准直镜变为平行光，经反射镜导向水平方向后照射带通滤光片I。透过带通滤光片I的光被分束镜分为两路:分束镜反射的10%信号光首先照射中心波长386.8nm、带宽0.3nm的干涉滤光片，经汇聚镜后由探测器I记录作为参考信号;分束镜透射的90%信号首先照射带通滤光片2，随后由耦合镜馈入双光栅光谱仪系统。带通滤光片I对354.Snm附近光产生优于6个量级的抑制，并以高于94%的透过率传输387.0-447.0nm范围光。带通滤光片2对354.8nm、375.5nm和386.7nm附近光产生优于3个量级的抑制，并以高于80 %的透过率传输393.0-424.0nm范围光。
[0009]双光栅光谱仪系统由光纤、透镜I和光栅1、透镜2和光栅2、探测器2组成。光纤提供方便灵活的接入方式，将来自耦合镜的信号光传导并馈入后续的光栅色散系统。透镜I和光栅1、透镜2和光栅2分别准Littrow结构布局，构成两组级联的光栅色散系统;两个光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距53.69mm。双光栅色散系统对354.8nm附近光产生优于6个量级的抑制，同时高效传输并以1.0_ nm—1的线色散率在空间上色散393.0-424.0nm范围光。探测器2以0.8nm的谱精度记录色散后的393.0-424.0nm范围信号光。
[0010]光纤芯径0.6mm、数值孔径0.12，出端口中心精准位于透镜I的焦点上。透镜I直径10mm，焦距300mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99% ；光栅I为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr臟—1，闪耀波长41011111，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级。透镜2直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99%;光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm 1，闪耀波长410nm，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。探测器2共包括32个线阵排列的探测通道，单个探测通道光敏面物理尺寸为0.SmmX 7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。探测器2光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向。
[0011]双光栅色散系统光谱区为393.0-424.0nm范围，线色散率1.0mm nm—S探测器2记录393.0-424.0nm谱带信号，谱精度0.8nm。在波长354.8nm激光辐射下，气态、液态和固态水的振转Raman谱区依次对应395-409nm、396-410nm和401-418nm范围。雷达系统记录的395-418nm范围谱可用以识别三相态水产生的振转Raman谱；393_394nm与419_424nm范围谱可用以直接识别气溶胶荧光谱，间接获取395-418nm范围荧光谱。据此，激光雷达系统实现对大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的同时测量。
[0012]如上所述的一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，带通滤光片1、带通滤光片2和双光栅光谱仪系统组合产生对354.8nm附近光优于15个量级的抑制。
[0013]如上所述的一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，双光栅光谱仪系统采用准Littrow结构布局的两组级联的光栅色散系统实现对393.0-424.0nm范围光的高效传输和以1.0_ nm—1的线色散率在焦面上色散开来。
[0014]如上所述的一种测量大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的激光雷达系统，采用包括32个探测通道的线阵探测器记录393.0-424.0nm范围谱信号，谱分辨率0.8nm，实现在354.8nm激光辐射时对大气中三相态水Raman谱和气溶胶荧光谱的同时测量。
[0015]本发明具有以下优点和有益效果:
[0016]为实现对大气水Raman谱和气溶胶荧光谱的同时探测，本发明的激光雷达系统具有适当的光谱探测范围和光谱分辨能力，并对354.Snm激光波长附近信号产生足够程度的抑制。
[0017]激光雷达系统引入一个双光栅光谱仪系统实现对393.0-424.0nm范围信号光的分辨与记录。双光栅光谱仪系统采用光纤将传导的信号以准“点光源”的形式馈入后续的色散系统。光纤芯径0.6mm，数值孔径0.12，出端口中心精准位于透镜I的焦点上。色散系统由透镜I和光栅1、透镜2和光栅2组成。透镜I直径100mm，焦距300mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99 % ;光栅I为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm—1，闪耀波长410随1，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级。透镜2直径10mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99 % ;光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm—S闪耀波长410nm，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。透镜I和光栅1、透镜2和光栅2分别准Littrow结构布局，构成两组级联的光栅色散系统；两个光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内平行且间距53.69mm。双光栅色散系统对354.8nm附近光产生优于6个量级的抑制，同时高效传输并以1.0mm nnf1的线色散率在空间上色散393.0-424.0nm范围光。探测器2检测并记录色散开来的393.0-424.0nm范围信号光。探测器2共包括32个探测通道，单个探测通道光敏面物理尺寸为0.8mmX 7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0_。探测器2光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向。双光栅光谱仪系统通道光谱区范围为393.0-424.0nm，线色散率1.0mm nm—1;探测器2各探测通道光敏面水平宽度0.8mm，单通道带宽0.8nm，同时雷达系统对393.0-424.0nm内谱信号具有0.8nm的光谱探测精度。在波长354.8nm紫外激光辐射下，气态、液态和固态水产生的振转Raman谱区依次对应395-409nm、396-410nm和401-418nm范围。其中，3