本发明属于激光大气遥感技术领域，具体涉及一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达。
背景技术：
大气温度作为基本的气象参数之一在研究大气物理现象、物理机制以及演变规律过程中扮演着重要的角色。同时，全天时的大气温度结合气溶胶的空间分布和时间演化参数，有助于研究云雾降水、大气辐射和大气化学等过程。相对于无线电探空仪等传统测温设备，激光雷达具有时空分辨率高、探测范围大、探测精度高等优点，同时还可以实现定点连续自动测量大气温度，从而保证了数据的可靠性。
由于纯转动拉曼散射谱强度包含温度和气溶胶消光等重要信息，同时纯转动拉曼测温激光雷达在探测大气温度过程中不需要假设大气静力学平衡，即使在湍流最多的对流层也可以正常观测，易于提取目标信号且对工作环境要求较低，因此该类型的测温激光雷达在大气遥感领域得到广泛应用。纯转动拉曼测温激光雷达通过接收脉冲激光束与大气分子相互作用产生的纯转动拉曼散射谱信号，再利用算法反演得到大气温度的空间分布和时间演化参数。由于受到强烈的白天背景光影响，较低的系统信噪比在很大程度上限制了纯转动拉曼测温激光雷达的探测范围和探测精度，导致无法在白天正常工作，只能选择在夜间工作。因此，为了使纯转动拉曼测温激光雷达具备全天时的观测能力，必须通过窄带宽压缩白天天空背景噪声、增强信号强度等方式来提高激光雷达的系统信噪比。
目前国内外进行全天时常规观测的纯转动拉曼测温激光雷达主要包括以下几种：
1)德国亥姆霍兹中心大学物理与气象研究所在1996年研制的纯转动拉曼测温激光雷达采用日盲技术和带宽极窄的铊原子气体滤波器来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，该激光雷达采用波长为276.787nm的窄带拉曼频移krf准分子激光器作为探测光源，由于激光束的波长位于太阳光谱的日盲波段范围，大大减弱了白天天空背景噪声，提高了系统信噪比。光学接收系统通过工作温度为950℃的铊原子气体滤波器滤除大气粒子产生的弹性散射信号，经过离轴抛物面镜准直入射至阶梯光栅，通过阶梯光栅提取n2分子和o2分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼谱线，最后根据谱线信号强度反演全天时大气温度数据。在该雷达系统中，铊原子气体滤波器需在950℃工作环境下才可以良好地实现对弹性散射信号的抑制，增加了系统的运行成本并存在安全隐患；通过两个离轴抛物面镜实现光束的准直和聚焦，增加了系统的复杂度，光路调节困难，且对操作环境提出较高的要求。
2)德国霍恩海姆大学物理与气象研究所在2013年研制的rrl测温激光雷达主要通过增加紫外脉冲激光器的功率方式来提高系统信噪比并进行全天时测温。其中，光学接收系统通过带宽为0.7nm的干涉滤光片分别提取n2分子和o2分子的多支反斯托克斯纯转动拉曼低、高阶谱线从而得到大气温度信息。在该雷达系统中，干涉滤光片的带宽为0.7nm，较大的系统带宽导致提取多支反斯托克斯纯转动拉曼谱线的同时也增加了白天天空背景噪声，对高空弱信号的探测带来了困难，大大限制了该激光雷达的探测范围。
太阳光谱中紫外光(190～400nm)范围内的辐照度小于可见光(400～750nm)范围，同时，紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面远大于可见光激光辐射，例如，波长在354.82nm附近的太阳光谱辐照度是532nm的0.6倍，354.82nm紫外激光辐射产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面是532nm可见光激光辐射的5倍，因此纯转动拉曼测温激光雷达采用紫外激光作为探测光源会大幅度提高探测信噪比，非常适用于全天时大气遥感探测。但是，在频谱上，紫外激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔远小于可见光激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔，且在转动量子数j相同的情况下，对应紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线距离弹性散射信号更近，尤其在提取纯转动拉曼低阶谱线的过程中更容易受到弹性散射信号的干扰。例如，在354.82nm紫外激光辐射下，n2分子纯转动拉曼谱线间隔为0.1nm，而在532nm可见光激光辐射下，n2分子纯转动拉曼谱线间隔为0.22nm。由于传统的全天时纯转动拉曼测温激光雷达的系统带宽均在0.5～0.8nm波长范围内，同时目前紫外波段滤光元件的工艺水平无法对距离中心波长1nm附近的波长产生很高的信号强度抑制，因此在谱线间隔为0.1nm的情况下，很难实现窄带宽提取纯转动拉曼谱线并对附近的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。
同时，传统的激光雷达均是采用会聚透镜与光电探测器直接耦合的方式进行光信号探测，会聚透镜产生的单个光点直接入射至阴极光敏面，由于阴极光敏面响应度不均匀会引起探测通道不重合效应，最终导致无法有效降低探测高度下边界，不利于对低空大气数据的获取。
为了解决上述问题，研发一种基于紫外激光辐射的纯转动拉曼测温激光雷达，实现全天时大气遥感探测，获取可靠的大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数，对于气象、航空、环保等相关领域开展全天时环境监测、气象预报工作具有非常重要的意义。
技术实现要素：
本发明为了解决现有纯转动拉曼测温激光雷达在全天时大气遥感探测方面存在的局限性问题，提供了一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达。
本发明所采用的技术方案是：一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，由激光发射单元、光学接收单元和信号采集与控制单元组成。
激光发射单元包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器、激光扩束器、第一发射导光镜、第二发射导光镜，nd:yag激光器的光轴与激光扩束器的光轴重合，且激光扩束器的小口径光入射端靠近nd:yag激光器出光口一侧，第一发射导光镜的镜面与激光扩束器的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜的镜面中心，第二发射导光镜的镜面与第一发射导光镜的镜面相互平行，且第二发射导光镜可通过电动双轴倾斜台精密控制镜面角度；
光学接收单元包括望远镜、视场光阑、第一反射镜、长焦准直透镜、第一能量分光镜、第二能量分光镜、第一超窄带滤光片、第一会聚透镜、第一双透镜组、第一光电探测器、第二超窄带滤光片、第一恒温箱、第一fabry-perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组、第二光电探测器、第二反射镜、第三超窄带滤光片、第二恒温箱、第二fabry-perot标准具、第三会聚透镜、第三双透镜组、第三光电探测器；望远镜的光轴与天顶方向保持平行，视场光阑端面设置在望远镜的像方焦平面，且视场光阑的中心轴线与望远镜的光轴重合，视场光阑的出射光路方向上依次设置有第一反射镜、长焦准直透镜、第一能量分光镜，第一反射镜的镜面与望远镜的光轴成45°角并相交于第一反射镜的镜面中心，长焦准直透镜设置在第一反射镜的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜的像方焦平面重合，第一能量分光镜与第二能量分光镜的工作角度均为45°且镜面相互垂直，第二能量分光镜的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片、第一会聚透镜、第一双透镜组、第一光电探测器，第一会聚透镜的像方会聚点与第一双透镜组的物方焦点重合；第二能量分光镜的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片、第一恒温箱、第一fabry-perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组、第二光电探测器，第一fabry-perot标准具工作角度为，且第一fabry-perot标准具放置在第一恒温箱内，第二会聚透镜的像方会聚点与第二双透镜组的物方焦点重合；第一能量分光镜的反射光路方向上依次设置有第二反射镜、两片相同的第三超窄带滤光片、第二恒温箱、第二fabry-perot标准具、第三会聚透镜、第三双透镜组、第三光电探测器，第二反射镜的工作角度为45°且镜面与第一能量分光镜的镜面相互平行，第二fabry-perot标准具的工作角度为，且第二fabry-perot标准具放置在第二恒温箱内，第三会聚透镜的像方会聚点与第三双透镜组的物方焦点重合；
信号采集与控制单元包括数据采集器和计算机，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的信号输出端通过bnc信号传输线一一对应接入数据采集器三个采集通道的数据输入端，数据采集器的数据输出端通过一根网线连接至计算机，计算机通过串口线和时序控制电路与nd:yag激光器连接。
沿光轴依次排列的第一超窄带滤光片、第一会聚透镜、第一双透镜组、第一光电探测器组成弹性通道，提取并探测波长为354.82nm的弹性散射信号；沿光轴依次排列的第二超窄带滤光片、第一恒温箱、第一fabry-perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组、第二光电探测器组成低阶拉曼通道，提取并探测354.82nm紫外激光辐射时的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8特征谱线和o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-6；第三超窄带滤光片、第二恒温箱、第二fabry-perot标准具、第三会聚透镜、第三双透镜组、第三光电探测器组成高阶拉曼通道，提取并探测354.82nm紫外激光辐射时的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝14特征谱线和o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝19特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-6。
进一步的，所述第一反射镜、第二反射镜在350nm至355nm波长范围内的反射率大于99％；第一能量分光镜、第二能量分光镜在350nm至355nm波长范围内的能量透反比分别为50:50和95:5；第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器在350nm至355nm波长范围内的阴极辐射灵敏度大于100ma/w，且阴极光敏面直径为8mm。
进一步的，为了保证fabry-perot标准具实现良好的滤波、压缩白天天空背景噪声以及对弹性散射信号的透过率低于10-1，所述长焦准直透镜的像方焦距与视场光阑孔径的比值小于等于1.8mrad。
进一步的，所述第一会聚透镜、第二会聚透镜和第三会聚透镜光学参数相同，焦距为90.15mm；第一双透镜组、第二双透镜组和第三双透镜组的光学参数相同，均由两个相同的平凸透镜组成，组合焦距为10.13mm，平凸透镜的凸面曲率半径为8.87mm，中心厚度为3.2mm，全口径为10mm，两个平凸透镜以平面朝外、凸面朝内的方式对称放置且两个平凸透镜的凸面中心距离为3mm。第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器前设置有双透镜组，实现信号以近似平行光束的方式入射至光电探测器阴极光敏面，有效减小由于光电探测器阴极光敏面响应度不均匀造成的通道不重合效应，从而有效降低探测高度的下边界。
进一步的，由于大气分子和气溶胶产生的弹性散射信号强度比纯转动拉曼信号大3～5个数量级，为了避免弹性散射信号对提取的纯转动拉曼谱线产生干扰并引起测温误差，超窄带滤光片需要提供很好的带外抑制。所述第一超窄带滤光片的中心波长为354.82nm，带宽为0.3nm，峰值透过率大于等于40％，带外透过率低于10-7；第二超窄带滤光片的中心波长为354.07nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-2，带外透过率低于10-7，三片相同的第二超窄带滤光片叠加使用，且叠加使用后对弹性散射信号强度的透过率低于10-6；第三超窄带滤光片的中心波长为353.47nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-3，带外透过率低于10-7，两片相同的第三超窄带滤光片叠加使用，且叠加使用后对弹性散射信号强度的透过率低于10-6。
进一步的，第一fabry-perot标准具和第二fabry-perot标准具的标准具参数均相同，均为空气隙fabry-perot标准具，腔长为0.208mm，腔体内表面在353nm至355nm波长范围内的反射率为75％，自由光谱范围为0.301nm，带宽为0.03nm，峰值透过率为85％；第一fabry-perot标准具通过调节工作角度，使波长为354.07nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8特征谱线位于第一fabry-perot标准具透过率曲线的峰值处，同时透过波长为354.06nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-1；第二fabry-perot标准具通过调节工作角度，使波长为353.47nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝14特征谱线位于第二fabry-perot标准具透过率曲线的峰值处，同时透过波长为353.49nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-1；所述第一fabry-perot标准具的工作角度和第二fabry-perot标准具的工作角度需要根据计算机中的实际信号强度剖面进行调节并最终确定各自的最佳工作角度。
进一步的，由于一天之内的昼夜温差会改变fabry-perot标准具腔体内的空气折射率，导致fabry-perot标准具透过率曲线的中心波长发生漂移，降低纯转动拉曼信号的透过率和对弹性散射信号的抑制。因此，为了消除环境温度对fabry-perot标准具的影响，所述第一fabry-perot标准具和第二fabry-perot标准具需分别放置在第一恒温箱和第二恒温箱中，且控温精度为0.05k。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明提供了一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达。传统的激光雷达往往采用532nm可见光激光作为探测光源，本发明采用线宽小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作为探测光源，354.82nm紫外激光辐射所产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面是传统的532nm可见光激光辐射的5倍，因此在相同激光光子数辐射时对应354.82nm的信号强度得到大幅度提高，同时太阳光谱中的紫外波段在经过大气层时，被分布在大气层中氧原子、氧分子以及臭氧分子部分吸收，导致紫外波段的白天背景噪声减少，大幅度提高了该激光雷达的系统信噪比；紫外波长的激光处于人眼安全最佳波段，扩大了该激光雷达的工作环境。
(2)该纯转动拉曼测温激光雷达的低阶拉曼通道以准单支的方式精准提取波长为354.07nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8特征谱线和波长为354.06nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11特征谱线，两根谱线间隔为0.01nm，高阶拉曼通道以准单支的方式精准提取波长为353.47nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝14特征谱线和波长为353.49nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝19特征谱线，两根谱线间隔为0.02nm，通过这种巧妙的纯转动拉曼谱线选择方案，不仅增加了窄带宽提取谱线的信号强度，提高系统信噪比，同时增加了与弹性散射信号之间的间隔，有利于拉曼通道对弹性散射信号产生大于6个数量级的抑制，有效解决了由于现有工艺水平导致紫外滤波器件难以通过窄带宽的方式提取紫外波段的纯转动拉曼信号并有效抑制弹性散射信号强度的问题。
(3)该纯转动拉曼测温激光雷达的拉曼通道采用了带宽为0.15nm的超窄带滤光片和带宽为0.03nm的fabry-perot标准具组合的方式进行分辨谱成分并提取n2分子、o2分子准单支反斯托克斯纯转动拉曼谱线，相对于带宽在0.5～0.8nm范围内的传统的全天时纯转动拉曼测温激光雷达，该激光雷达的系统带宽减小了一个数量级，大幅度压缩了白天天空背景噪声，提高了探测信噪比，尤其增加了对流层的白天探测高度。
(4)传统的激光雷达采用会聚透镜与光电探测器直接耦合的方式，光电探测器的阴极光敏面的响应度不均匀会引起探测通道不重合，导致无法降低对流层探测高度的下边界。本发明在会聚透镜与光电探测器之间引入了双透镜组，该双透镜组经过巧妙的光学设计，有效减小了光学像差，可以将经过会聚透镜的会聚光束变为近似平行光，再入射至光电探测器的阴极光敏面，避免信号以单个光点的方式直接入射至阴极光敏面，大大减小了由于阴极光敏面响应度不均匀造成的通道不重合效应，从而有效降低探测高度下边界，提高测温精度，有利于相关领域对对流层低空物理现象的研究。
(5)该纯转动拉曼测温激光雷达可以实现全天时探测对流层的大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数，光路简单紧凑且调节难度低，系统集成度高，使用维护方便，对环境压力、温度和湿度要求较低，可实现长期稳定的全天时观测。
附图说明
图1为本发明实施例的原理图；
其中：1-激光发射单元、101-nd:yag激光器、102-激光扩束器、103-第一发射导光镜、104-第二发射导光镜；
2-光学接收单元、201-望远镜、202-视场光阑、203-第一反射镜、204-长焦准直透镜、205-第一能量分光镜、206-第二能量分光镜、207-第一超窄带滤光片、208-第一会聚透镜、209-第一双透镜组、210-第一光电探测器、211-第二超窄带滤光片、212-第一恒温箱、213-第一fabry-perot标准具、214-第二会聚透镜、215-第二双透镜组、216-第二光电探测器、217-第二反射镜、218-第三超窄带滤光片、219-第二恒温箱、220-第二fabry-perot标准具、221-第三会聚透镜、222-第三双透镜组、223-第三光电探测器；
3-信号采集与控制单元、301-数据采集器、302-计算机。
图2为本发明实施例的354.82nm紫外激光辐射时所产生的大气n2分子和o2分子反斯托克斯纯转动拉曼谱。
图3为本发明实施例提供的双透镜组结构示意图。
图4为本发明实施例提供的双透镜组波像差示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于紫外准单支纯转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，由激光发射单元1、光学接收单元2和信号采集与控制单元3组成；
激光发射单元1包括沿出射光路方向依次排列的nd:yag激光器101(spectra-physics，型号pro-270-355)、激光扩束器102、第一发射导光镜103、第二发射导光镜104，nd:yag激光器101的光轴与激光扩束器102的光轴重合，激光扩束器102的扩束倍率为5倍，且激光扩束器102的小口径光入射端靠近nd:yag激光器101出光口一侧；第一发射导光镜103和第二发射导光镜104镀有354.82nm高反膜，第一发射导光镜103的镜面与激光扩束器102的光轴成45°角并相交于第一发射导光镜103的镜面中心，第二发射导光镜104的镜面与第一发射导光镜103的镜面相互平行，且第二发射导光镜104可通过电动双轴倾斜台(kohzu，型号sa07a)精密控制镜面角度；
光学接收单元2包括望远镜201(meade，型号lx200-8”)、视场光阑202(thorlabs，型号sm05d5d)、第一反射镜203、长焦准直透镜204、第一能量分光镜205、第二能量分光镜206、第一超窄带滤光片207(materion，定制)、第一会聚透镜208、第一双透镜组209、第一光电探测器210(hamamatsu，型号h10721-210)、第二超窄带滤光片211(materion，定制)、第一恒温箱212、第一fabry-perot标准具213(tecoptics，定制)、第二会聚透镜214、第二双透镜组215、第二光电探测器216(hamamatsu，型号h10721-210)、第二反射镜217、第三超窄带滤光片218(materion，定制)、第二恒温箱219、第二fabry-perot标准具220(tecoptics，定制)、第三会聚透镜221、第三双透镜组222、第三光电探测器223(hamamatsu，型号h10721-210)，望远镜201上镀有超高透射介质膜层，焦比为10，焦距为2000mm，口径为200mm，望远镜201的光轴与天顶方向保持平行；视场光阑202端面设置在望远镜201的像方焦平面，且视场光阑202的中心轴线与望远镜201的光轴重合，视场光阑202的孔径调节至0.8mm，此时望远镜201的视场角为0.4mrad；视场光阑202的出射光路方向上依次设置有第一反射镜203、长焦准直透镜204、第一能量分光镜205，第一反射镜203的镜面与望远镜201的光轴成45°角并相交于第一反射镜203的镜面中心，焦距为475mm的长焦准直透镜204设置在第一反射镜203的反射光路方向上且物方焦平面与望远镜的像方焦平面重合，第一能量分光镜205、第二能量分光镜206的工作角度均为45°且镜面相互垂直；第二能量分光镜206的反射光路方向上依次设置有第一超窄带滤光片207、第一会聚透镜208、第一双透镜组209、第一光电探测器210，第一会聚透镜208的像方会聚点与第一双透镜组209的物方焦点重合；第二能量分光镜206的透射光路方向上依次设置有三片相同的第二超窄带滤光片211、第一恒温箱212、第一fabry-perot标准具213、第二会聚透镜214、第二双透镜组215、第二光电探测器216；第一fabry-perot标准具213的工作角度为，且第一fabry-perot标准具213放置在控温精度为0.05k的第一恒温箱212内；第二会聚透镜214的像方会聚点与第二双透镜组215的物方焦点重合；第一能量分光镜205的反射光路方向上依次设置有第二反射镜217、两片相同的第三超窄带滤光片218、第二恒温箱219、第二fabry-perot标准具220、第三会聚透镜221、第三双透镜组222、第三光电探测器223，第二反射镜217的工作角度为45°且镜面与第一能量分光镜205的镜面相互平行，第二fabry-perot标准具220的工作角度为，且第二fabry-perot标准具220放置在控温精度为0.05k的第二恒温箱219内，第三会聚透镜221的像方会聚点与第三双透镜组222的物方焦点重合；
信号采集与控制单元3包括数据采集器301和计算机302，数据采集器301(licel，型号tr40-16bit)具有三个数据采集通道，模数转换采样频率为40mhz，光子计数采样频率为250mhz，数据采样精度为16bit，采集时间为25ns；第一光电探测器210、第二光电探测器216和第三光电探测器223的信号输出端通过bnc信号传输线一一对应接入数据采集器301三个采集通道的数据输入端；数据采集器301的数据输出端通过一根网线连接至计算机302，计算机302通过串口线和时序控制电路与nd:yag激光器101连接。
本实施例的工作流程为：
计算机302将启动指令通过串口线发送至nd:yag激光器101，nd:yag激光器101在种子注入状态下输出光束直径为9mm、线宽小于等于0.1pm、重复频率为30hz、单脉冲能量等于350mj、发散角等于0.5mrad、波长为354.82nm的紫外脉冲激光束；脉冲激光束经过扩束倍率为5倍的激光扩束器102，光束直径扩大至45mm、发散角压缩至0.1mrad；随后依次经过一组相互平行的第一发射导光镜103、第二发射导光镜104沿天顶方向发射至大气中，当光束偏离天顶方向时，可通过电动双轴倾斜台精密调节第二发射导光镜104，使光束指向重新恢复至天顶方向；
如图2所示，发射至大气中的354.82nm紫外脉冲激光束与大气中的主要组分n2分子、o2分子和气溶胶粒子之间相互作用并产生一系列分立的谱线散射信号，其中，n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8和j＝14特征谱线的波长分别为354.07nm、353.47nm，且分别与波长为354.82nm的弹性散射信号相距0.75nm、1.35nm，o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11和j＝19特征谱线的波长分别为354.06nm、353.49nm；
一系列分立的谱线散射信号经过望远镜201会聚在视场光阑202端面上，随后经过第一反射镜203折转90°角传输至长焦准直透镜204，经过长焦准直透镜204变为发散角为1.68mrad的近似平行光，随后被第一能量分光镜205以50:50的能量透反比分成光谱成分相同的透射光和反射光；对于第一能量分光镜205的透射光经过第二能量分光镜206以95:5的能量透反比分成光谱成分相同的透射光和反射光，其反射光经过第一超窄带滤光片207照射第一会聚透镜208，随后经过第一会聚透镜208会聚在像面上，且像面位置靠近第一会聚透镜208的像方焦平面，会聚之后的光信号经过第一双透镜组209变为光束直径小于8mm的近似平行光，并入射至第一光电探测器210的阴极光敏面上产生电信号；
第二能量分光镜206的透射光经过三片结构参数相同的第二超窄带滤光片211照射第一fabry-perot标准具213，出射光随后经过第二会聚透镜214会聚在像面上，且像面位置靠近第二会聚透镜214的像方焦平面，会聚之后的光信号经过第二双透镜组215变为光束直径小于8mm的近似平行光，并入射至第二光电探测器216的阴极光敏面上产生电信号；
第一能量分光镜205的反射光经过第二反射镜217折转90°角传输至第三超窄带滤光片218，经过两片结构参数相同的第三超窄带滤光片218照射第二fabry-perot标准具220，出射光随后经过第三会聚透镜221会聚在像面上，且像面位置靠近第三会聚透镜221的像方焦平面，会聚之后的光信号经过第三双透镜组222变为光束直径小于8mm的近似平行光，并入射至第三光电探测器223的阴极光敏面上产生电信号；
其中，沿光轴依次排列的第一超窄带滤光片207、第一会聚透镜208、第一双透镜组209、第一光电探测器210组成弹性通道，提取并探测波长为354.82nm的弹性散射信号；沿光轴依次排列的第二超窄带滤光片211、第一恒温箱212、第一fabry-perot标准具213、第二会聚透镜214、第二双透镜组215、第二光电探测器216组成低阶拉曼通道，提取并探测波长为354.07nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8特征谱线和波长为354.06nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-6，从而实现对紫外准单支反斯托克斯纯转动拉曼低阶谱线的提取；第三超窄带滤光片218、第二恒温箱219、第二fabry-perot标准具220、第三会聚透镜221、第三双透镜组222、第三光电探测器223组成高阶拉曼通道，提取并探测波长为353.47nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝14特征谱线和波长为353.49nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝19特征谱线，且对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-6，从而实现对紫外准单支反斯托克斯纯转动拉曼高阶谱线的提取。
nd:yag激光器101在输出一个脉冲激光束的同时，nd:yag激光器101通过计算机302将电平触发信号输入至数据采集器301，控制数据采集器开始采集；第一光电探测器210、第二光电探测器216和第三光电探测器223产生的电信号通过bnc信号传输线一一对应输入给数据采集器301的三个数据采集通道，数据采集器301通过模数转换方式将强信号转换为数字信号，通过光子计数方式将弱信号转换为数字信号，随后通过一根网线将数字信号输入至计算机302，计算机302通过数据处理软件对测量数据进行平滑、去背景和存储，并得到三个采集通道的信号强度随探测高度变化的测量剖面图，三个数据采集通道的测量剖面图可以通过算法反演得到全天时的大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数。
本实施例的第一反射镜203、第二反射镜217在350nm至355nm波长范围内的反射率大于99％；第一能量分光镜205、第二能量分光镜206在350nm至355nm波长范围内的能量透反比分别为50:50和95:5；第一会聚透镜208、第二会聚透镜214和第三会聚透镜221光学参数相同，焦距为90.15mm；第一光电探测器210、第二光电探测器216、第三光电探测器223在350nm至355nm波长范围内的阴极辐射灵敏度大于100ma/w，且阴极光敏面直径为8mm。
为了便于说明该激光雷达中双透镜组的光学参数以及对像差的校正效果，下面结合图3和图4对双透镜组做详细介绍。
如图3所示，第一双透镜组209、第二双透镜组215和第三双透镜组222的光学参数相同，均由两个相同的平凸透镜组成，采用熔石英材料，组合焦距为10.13mm，平凸透镜的凸面曲率半径为8.87mm，中心厚度为3.2mm，全口径为10mm，两个平凸透镜以平面朝外、凸面朝内的方式对称放置且两个平凸透镜的凸面中心距离为3mm。如图4所示，波像差为0.4577个波长，起到较好的像差校正效果。第一光电探测器210、第二光电探测器216和第三光电探测器223前设置有双透镜组，实现信号以近似平行光束的方式入射至光电探测器阴极光敏面，有效减小由于光电探测器阴极光敏面响应度不均匀造成的通道不重合效应，从而有效降低探测高度的下边界。
本实施例的第一超窄带滤光片207的中心波长为354.82nm，带宽为0.3nm，峰值透过率大于等于40％，带外透过率低于10-7；第二超窄带滤光片211的中心波长为354.07nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-2，带外透过率低于10-7，三片相同的第二超窄带滤光片211叠加使用，且叠加使用后对弹性散射信号强度的透过率低于10-6；第三超窄带滤光片218的中心波长为353.47nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-3，带外透过率低于10-7，两片相同的第三超窄带滤光片218叠加使用，且叠加使用后对弹性散射信号强度的透过率低于10-6。
本实施例的第一fabry-perot标准具213和第二fabry-perot标准具220的标准具参数均相同，均为空气隙fabry-perot标准具，腔长为0.208mm，腔体内表面在353nm至355nm波长范围内的反射率为75％，自由光谱范围为0.301nm，带宽为0.03nm，峰值透过率为85％；第一fabry-perot标准具213通过调节工作角度，使波长为354.07nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝8特征谱线位于第一fabry-perot标准具213透过率曲线的峰值处，同时透过波长为354.06nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝11特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-1；；第二fabry-perot标准具220通过调节工作角度，使波长为353.47nm的n2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝14特征谱线位于第二fabry-perot标准具220透过率曲线的峰值处，同时透过波长为353.49nm的o2分子反斯托克斯纯转动拉曼j＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度的透过率低于10-1。
为了便于说明，fabry-perot标准具的具体调节步骤如下：
通过电动位移台(thorlabs，型号ddr100)调节第一fabry-perot标准具213的工作角度，观察计算机中对应第一fabry-perot标准具213数据采集通道的实际信号强度剖面，当信号强度剖面调节至最大时，表示第一fabry-perot标准具213的工作角度已经调节至最佳角度；第二fabry-perot标准具220对工作角度的调节步骤参照第一fabry-perot标准具213的调节步骤。
为了便于理解，下面针对该激光雷达探测大气温度和气溶胶参数的原理做详细的说明。
第一光电探测器210探测到的弹性散射信号强度p1(z)可表示为：
式中，p0为单个脉冲的平均功率，k为激光雷达系统常数，o(z)为探测高度z处的几何重叠因子，h1为光学接收单元2对弹性散射信号的接收效率，β1(z)、β2(z)分别为气溶胶和大气分子在高度z处的大气后向散射系数，α1(z)、α2(z)分别为气溶胶和大气分子在高度z处的大气消光系数。采用本领域常用的fernald算法来计算气溶胶的大气后向散射系数和消光系数。该算法可以表示为：
式中，s1、s2分别为气溶胶和大气分子的激光雷达比，且s2为8π/3，zc为大气参考高度，p1(zc)为参考高度zc处的弹性散射信号强度，β1(zc)、β2(zc)分别为气溶胶和大气分子在参考高度zc处的大气后向散射系数。其中，s1需要根据当地的大气气溶胶环境进行假设，β2(z)、β1(zc)、β2(zc)等变量根据假设的后向散射比和ussa-1976标准大气模式获得，p1(z)、p1(zc)由信号强度剖面获得。由该式可知，可以根据已知的p1(z)、p1(zc)、s1、s2、β2(z)、β1(zc)、β2(zc)求得气溶胶的全天时大气后向散射系数β1(z)的空间分布和时间演化剖面。
第二光电探测器216探测到的反斯托克斯纯转动拉曼低阶特征谱线信号强度p2(z)可表示为：
式中，τ(λ0)表示脉冲激光束波长λ0的大气透过率，n(z)表示高度z处的大气分子的数密度，h2(ji)表示光学接收单元2对反斯托克斯纯转动拉曼低阶特征谱线信号的接收效率，ηi表示n2分子或o2分子的体积丰度比，σ(ji,t)表示温度为t时候的n2分子或o2分子反斯托克斯纯转动拉曼低阶特征谱线的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯纯转动拉曼低阶特征谱线信号的大气透过率。
第三光电探测器223探测到的反斯托克斯纯转动拉曼高阶特征谱线信号强度p3(z)可表示为：
式中，h3(ji)表示光学接收单元2对反斯托克斯纯转动拉曼高阶特征谱线信号的接收效率，σ(ji,t)表示温度为t时候的n2分子或o2分子反斯托克斯纯转动拉曼高阶特征谱线的微分后向散射截面，τ(ji)表示反斯托克斯纯转动拉曼高阶特征谱线信号的大气透过率。
随着大气温度的升高，反斯托克斯纯转动拉曼低阶特征谱线信号强度p2(z)减小，高阶特征谱线信号强度p3(z)增加，根据转动拉曼特征谱线信号的温度特性，对第二光电探测器216和第三光电探测器223采集的信号强度作比值：
式中，q(t,z)表示两个拉曼通道的信号强度比值，其数值大小跟大气温度有关，系数α、β、γ表示雷达反演系数，可以根据计算机302拟合得到。最终，该测温激光雷达根据式(5)反演得到全天时大气温度的空间分布和时间演化剖面。
本发明的激光雷达采用线宽小于等于0.1pm的大功率354.82nm紫外激光作为探测光源，其中两个拉曼通道采用超窄带滤光片与fabry-perot标准具相互结合的方式精准提取n2分子和o2分子的准单支反斯托克斯纯转动拉曼低、高阶谱线，同时，大幅度压缩白天天空背景噪声来提高系统信噪比。在较小的紫外纯转动拉曼谱线间隔(～0.1nm)情况下，有效解决了测温激光雷达难以通过窄带宽的方式提取纯转动拉曼谱线并有效抑制弹性散射信号强度的问题，实现对大气温度、气溶胶等空间分布和时间演化参数的全天时测量，为气象、航空、环保等相关领域提供可靠的全天时数据。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。