基于波分復用技術分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(tǒng)的制作方法

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專利名稱：基于波分復用技術分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣象與環(huán)境觀測技術領域，涉及一種對氣象與大氣環(huán)境進行
觀測的激光雷達系統(tǒng)，特別涉及一種利用波分復用(WDM)技術的解復用器(Demultiplexer)進行分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(tǒng)。
背景技術：
激光雷達作為一種主動遙感探測工具已廣泛用于激光大氣傳輸、全球氣候預測、氣溶膠輻射效應及大氣環(huán)境等研究領域。激光雷達(Lidan Light detection 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算機系統(tǒng)等組成?；驹頌橛杉す馄靼l(fā)出的脈沖激光束射向大氣，經與大氣中的物質作用后產生的散射信號被接收系統(tǒng)收集下來，并經光學分光系統(tǒng)的分光處理后，由光電探測部件轉換為電信號，送入計算機進行數據處理。
激光遙感的基礎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象。拉曼散射(Raman scattering)可分為轉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，其散射截面是各種散射機理中較小的一種，很適合用來探測大氣溫度和大氣成分。
氣象觀測主要是進行大氣溫度的測量，大氣環(huán)境觀測主要進行如氣溶膠消光系數及散射系數、氣溶膠光學厚度、大氣能見度參數的測量。通常，氣象觀測激光雷達與大氣環(huán)境觀測激光雷達都是使用各自獨立的系統(tǒng)，因為大氣環(huán)境激光雷達使用的是大氣回波信號中的米一瑞利散射信號，這與氣象觀測激光雷達中所利用的散射信號不同。為了使同一個激光雷達系統(tǒng)既能觀測氣象參數，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系進行分析求解。
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個數量級，這就需要對米和瑞利散射信號具有7個數量級以上的抑制，并且從強烈的米、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，還需要考慮對太陽背景光進行有效地濾除。目前，轉動拉曼激光雷達提取轉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，隨著光纖通信技術地飛速發(fā)展，光纖通信中普遍采用WDM技術己經非常成熟。WDM技術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)的核心光學器件是復用/解復用器
(Multiplexer/Demultiplexer)其功能是采用光學方法將密集間隔的各波長(信道)分開，或實現光波長(信道)的上下話路，后者通常稱為光上下話路復用器
(Optical Add/Drop MuWlexer)。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，實際中，往往一個WDM裝置既做Demultiplexer 又做Multiplexer由于WDM技術具有優(yōu)良的波長選擇性，光譜分辨率高，光譜響應函數旁瓣小，半峰值寬度小，同時具有多端口，體積小、插入損耗低、結構簡單緊湊、性能穩(wěn)定以及易于實現全光纖連接的特點。因此，本發(fā)明借鑒光纖通信的WDM技術的解復用器及其嚴格的波長選擇特性、高的光譜分辨能力以及帶外抑制能力，提出一種基于WDM技術的解復用器分光技術的進行氣象觀測和大氣環(huán)境觀測的全光纖拉曼激光雷達。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提出一種全光纖拉曼散射激光雷達系統(tǒng)，利用WDM的解復用器進行分光，一套激光雷達系統(tǒng)同時進行氣象與大氣環(huán)境觀測，最終實現大氣溫度氣象參數測量，以及大氣氣溶膠消光系數及散射系數、氣溶膠光學厚度、大氣能見度等大氣環(huán)境參數的測量。本發(fā)明所采用的技術方案是，基于WDM技術的解復器分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(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算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，包括發(fā)射脈沖激光的Nd: YAG脈沖激光器、對脈沖激光進行準直擴束的擴束器，還包括多個反射鏡，多個反射鏡的設置使準直擴束后的激光垂直射向大氣，接收系統(tǒng)，用于接收激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光，并將接收到的激光雷達大氣回波信號耦合到多模光纖，多模光纖將該大氣回波信號送入多模/單模光纖轉換器，用于將多模大氣回波信號轉換成單模光纖信號，并經單模光纖送入，或將望遠鏡接收到的激光雷達大氣回波信號直接耦合到
單模光纖，然后送入
分光系統(tǒng)，用于將回波信號中的轉動拉曼譜線與米一瑞利散射譜線進行分離，并將分離后的各散射信號從相應的端口輸出，送入
光電探測部件，用于將分離后的各散射光信號變?yōu)殡娦盘柦邮障聛恚?br> 送入
計算機系統(tǒng)，預裝入氣象和大氣環(huán)境參數反演算法程序，用于對接收的散射譜線信號進行分析處理，得到大氣溫度氣象參數，以及大氣氣溶膠消光系數及散射系數、氣溶膠光學厚度、大氣能見度大氣環(huán)境參數值。
本發(fā)明的分光系統(tǒng)借鑒光纖通信的WDM技術的解復用器所具有的優(yōu) 良的波長選擇性，光譜分辨率高以及帶外抑制能力強的特點進行分光。

圖1是本發(fā)明激光雷達系統(tǒng)組成原理圖，其中，a是利用多模光纖、多模/單模轉換器、單模光纖傳輸回波信號至分光系統(tǒng)，b是利用單模光纖傳輸回波信號至分光系統(tǒng)；
圖2是本發(fā)明分光系統(tǒng)結構組成示意圖，其中，a是光纖Bragg光柵分光系統(tǒng)，b是光纖光柵耦合器分光系統(tǒng)，c是多層介質薄膜濾波器分光系統(tǒng)， d是基于Mach-Zehnder干涉儀的光纖光柵耦合器分光系統(tǒng)，e是光纖 Fabry-Perot腔分光系統(tǒng)；
圖3是本發(fā)明分光系統(tǒng)中光纖Bmgg光柵的Bragg反射譜與大氣分子 N2、 02的轉動拉曼光譜的關系示意圖4是本發(fā)明分光系統(tǒng)中光纖Bragg光柵的FBG1的透射率特性以及 FBG2禾tlFBG3的反射率特性示意圖，其中，a是FBG1的透射率特性示意圖，b是FBG2和FBG3的反射率特性示意圖-,
圖5是經分光器濾光后大氣回波信號的強度分布圖6是本發(fā)明系統(tǒng)理論上可實現的白天與夜晚的測量信噪比及溫度測量誤差的高度分布圖。
圖中，l.激光發(fā)射系統(tǒng)，2.望遠鏡接收系統(tǒng)，3.分光系統(tǒng)與光電探測部件，
4.計算機系統(tǒng)，5.第一光纖環(huán)行器，6.第一光纖布拉格光柵(FBG1)， 7.第二光纖環(huán)行器，8.第二光纖布拉格光柵(FBG2)， 9.第三光纖環(huán)行器，10.第三光纖布拉格光柵(FBG3)， ll.第一光電探測部件(PMT1)， 12.第二光電探測部件(PMT1)， 13.第三光電探測部件(PMT1)， 14.第一光纖光柵耦合器 (FBG1)， 15.第二光纖光柵耦合器(FBG2)， 16.第三光纖光柵耦合器 (FBG3)， 17.多層介質薄膜濾波器(MDTFF)， 18.第一透鏡(Lens)， 19. 第二透鏡，20.第三透鏡，21.第四透鏡，22.第一光纖干涉儀(M—ZIl)， 23. 第二光纖干涉儀(M—ZI2)， 24.第三光纖干涉儀(M—ZI3)， 25.第一光纖耦合器(FC1)， 26.第二光纖耦合器(FC2)， 27.第三光纖耦合器(FC3)， 28.第四光纖耦合器(FC4)， 29.第五光纖耦合器(FC5), 30.第六光纖耦合器(FC6)， 31.第一光纖諧振腔(F-Pcavityl)， 32.第二光纖諧振腔(F-P cavity2)， 33.第三光纖諧振腔(F-P cavity3)。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明是一種能同時用于氣象觀測和大氣環(huán)境觀測的拉曼激光雷達系統(tǒng)，激光雷達的系統(tǒng)構成如圖l所示，其中，a是利用多模光纖、多模/單模轉換器、單模光纖傳輸回波信號至分光系統(tǒng)，b是利用單模光纖傳輸回波信號至分光系統(tǒng)。包括激光發(fā)射系統(tǒng)1、接收系統(tǒng)2、分光與光電探測系統(tǒng)3 以及計算機系統(tǒng)4，激光發(fā)射系統(tǒng)1包括Nd: YAG脈沖激光器、準直擴束器以及多個反射鏡。本發(fā)明的激光發(fā)射系統(tǒng)1采用Nd:YAG脈沖激光器，其輸出其二次諧波 (入Q=532.25nm)作為光源，以及并發(fā)射出去的光學部件和結構。光電探測系統(tǒng)由第一光電探測部件11 (PMT1)、第二光電探測部件12 (PMT2)和第三光電探測部件13 (PMT3)組成，用于將回波光信號變?yōu)?電信號接收下來。其中，第一光電探測部件11檢測米一瑞利散射信號，可用于大氣氣溶膠光學特性的測量；第二光電探測部件12、第三光電探測部件 13檢測2個轉動拉曼散射信號，用于溫度測量。分光系統(tǒng)的作用是將回波信號中的轉動拉曼譜線與米一瑞利散射譜線等進行分離，在溫度探測通道中最大程度上抑制米散射、瑞利散射信號以及太陽背景光的干擾。本發(fā)明中分光系統(tǒng)的主要部件分別由WDM技術的解復用器實現，具體的實現方案如下方案1主要采用光纖布拉格Bragg光柵(FBG)實現分光。圖2a所示為一實施例，系統(tǒng)包括第一光纖環(huán)行器5、第一光纖布拉格光柵6，其波長Ab為入b產532.25nm、第二光纖環(huán)行器7、第二光纖布拉格光柵 8，其波長Ab為入bf530.6nm、第三光纖環(huán)行器9、第三光纖布拉格光柵10，其波長入b為入b^528.8nm。入w、入b2和入b3分別對應米一瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號，通過設計使每個FBG 對上述選定的波長分別具有很高的反射率和極低的透射率。將望遠鏡接收的含有多個波長的大氣回波信號耦合進多模光纖 (MMF)，通過多模/單模光纖轉換器轉換后，經單模光纖(SMF)送入第一光纖環(huán)行器5的輸入端口 portl (或將望遠鏡接收到的大氣回波信號直接耦
合到單模光纖(SMF)，然后送入第一光纖環(huán)行器5的輸入端口 portl)，經第一光纖環(huán)行器5輸出到接有第一光纖布拉格光柵6的輸入端口 port2,第一光纖布拉格光柵6將滿足Bragg條件的波長等于入bl的米一瑞利散射信號反射回第一光纖環(huán)行器5中，并由第一光纖環(huán)行器5的輸出端口port3輸出后，由第一光電探測部件11接收。此為通道1。在通道1處，通過設計第一光纖布拉格光柵6的參數，使得透射過第一光纖布拉格光柵6的米—瑞利信號非常微弱，達到了很高的帶外抑制率。
由于第一光纖布拉格光柵6對其他波長的光無反射作用，因此其他波長的光透射過第一光纖布拉格光柵6的輸出端口 port4后，再進入第二光纖環(huán) 行器7的輸入端口 portl，第二光纖布拉格光柵8將波長等于A b2的低量子數轉動散射信號完全反射回第二光纖環(huán)行器7，并在其輸出端口 port3輸出后，由第二光電探測部件12接收。此為通道2。
同理，其他波長不為入b2的光信號透射過第二光纖布拉格光柵8后，又
經第三光纖環(huán)行器9被第三光纖布拉格光柵10反射，分離出波長為入b3的高量子數拉曼散射信號，并由第三光電探測部件13接收。此為通道3。
在通道2、通道3處，通過設計第二光纖布拉格光柵8和第三光纖布拉格光柵10的參數，使得它們對殘留的米、瑞利散射信號分別又進行了進一步的抑制。
至此，在對米、瑞利散射信號的進行有效分離和抑制的同時，實現了對用于測溫的兩條高低量子數轉動拉曼散射譜線高精度提取。方案2
主要采用級聯的光纖光柵耦合器(FGC)實現分光。圖2b所示為一實施例，系統(tǒng)包括級聯的第一光纖光柵耦合器14、第二
光纖光柵耦合器15和第三光纖光柵耦合器16，以及接收反射信號的第一光電探測部件ll、第二光電探測部件12和第三光電探測部件13，設計每一個光纖光柵耦合器的Bragg波長A b，設定第一光纖光柵耦合器14的A b為入 bl=532.25nm，設定第二光纖光柵耦合器15的A b為A b2=530.6nm，設定第三光纖光柵耦合器16的A b為A b3=528.8nm，即分別對應米一瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號，通過設計使每個FBG 對上述選定的波長分別具有很高的反射率和極低的透射率。將望遠鏡接收的含有多個波長的大氣回波信號耦合進多模光纖(MMF)，通過多模/單模光纖轉換器轉換后，經單模光纖(SMF)送入第一光纖光柵耦合器14，或將望遠鏡接收到的大氣回波信號直接耦合到單模光纖(SMF)，然后送入第一光纖光柵耦合器14，第一光纖光柵耦合器14將波長等于Ab,的米一瑞利散射信號完全反射回來，從輸出端口 port2輸出后，由第一光電探測部件11接收。此為通道1。在通道1處，通過設計第一光纖光柵耦合器14的參數，使得透射過第一光纖光柵耦合器14的米一瑞利信號非常微弱，達到了很高的帶外抑制率。由于第一光纖光柵耦合器14對其他波長的光無反射作用，因此其他波長的光透射過第一光纖光柵耦合器14后，進入第二光纖光柵耦合器15，第二光纖光柵耦合器15將波長等于入b2的低量子數轉動拉曼散射信號反射并在其輸出端口port3輸出后，由第二光電探測部件12接收。此為通道2。同理，其他波長不為入b2的光信號繼續(xù)透射過第二光纖光柵耦合器15 后，又被第三光纖光柵耦合器16反射，分離出波長分別為入b3的高量子數拉曼散射信號。并由第三光電探測部件13接收。此為通道3。在通道2、通道3處，通過設計第二光纖光柵耦合器15和第三光纖光柵
耦合器16的參數，使得它們對殘留的米、瑞利散射信號分別又進行了進一步的抑制。
至此，在對米、瑞利散射信號的進行有效分離和抑制的同時，實現了對用于測溫的兩條高低量子數轉動拉曼散射譜線高精度提取。
方案3
主要采用多層介質薄膜濾波器(DTMF)實現分光。
圖2c所示為一實施例，系統(tǒng)包括多層介質薄膜濾波器17和第一透鏡18、第二透鏡19、第三透鏡20和第四透鏡21。將多層介質薄膜濾波器17中的透射波長分別設計為入產532.25nm、入2=530.6nm和入3=528.8nm，分別對應米一瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號，通過設計使得DTMF對上述選定的波長分別具有很高的透射率和極低的反射率。
將望遠鏡接收的含有多個波長的大氣回波信號耦合進多模光纖 (MMF)，通過多模/單模光纖轉換器轉換后，經單模光纖(SMF)傳輸并由第一透鏡18后會聚后送入多層介質薄膜濾波器17，或將望遠鏡接收到的大氣回波信號直接耦合到單模光纖(SMF)傳輸后，由第一透鏡18后會聚后送入多層介質薄膜濾波器17，多層介質薄膜濾波器17對相應的波長分別進行選擇透射后，在各個輸出端口port輸出，輸出的光信號分別透射過第二透鏡19、第三透鏡20和第四透鏡21后，分別由對應的第一光電探測部件ll、第二光電探測部件12和第三光電探測部件13接收。實現了對所需要的米— 瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號進行分光和檢測。方案4
主要采用基于Mach-Zehnder干涉儀(M-ZI)的光纖光柵耦合器 (M-ZI-FGC)實現分光。
圖2d所示為一實施例，由級聯的第一光纖耦合器25、第一光纖干涉儀 22、第二光纖耦合器26、第三光纖耦合器27、第二光纖干涉儀23、第四光纖耦合器28、第五光纖耦合器29、第三光纖干涉儀24和第六光纖耦合器30 組成。其中各個光纖Mach-Zehnder干涉儀中的FBG的Bragg波長入b分別設計為入b尸532.25nm、 A b2=530.6nm和A b3=528.8nm，即分別對應米一瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號，通過設定使每個光纖干涉儀對上述選定的波長分別具有很高的反射率和極低的透射率。
將望遠鏡接收的含有多個波長的大氣回波信號耦合進多模光纖 (MMF)，通過多模/單模光纖轉換器轉換，經單模光纖(SMF)后，由第一光纖耦合器25 (FC1)分成兩束光，或將望遠鏡接收到的大氣回波信號直接耦合到單模光纖(SMF)傳輸后，由第一光纖耦合器25分成兩束光，送入第一光纖干涉儀22，分別在第一光纖干涉儀22的兩臂傳輸，滿足光柵反射條件的波長等于入bl的米一瑞利散射信號光從兩臂反射，再次經過第一光纖耦合器25時，兩束光信號相互干涉而從輸出端口port2輸出，由第一光電探測部件11接收。此為通道1。不滿足光柵條件的信號光透過光纖光柵，傳輸到第二光纖耦合器26時，發(fā)生干涉而從輸出端口輸出。這樣就將滿足光柵波長條件的信號光與其余波長的信號光分離。
同理，通過第一光纖干涉儀22的其余光信號繼續(xù)傳播，分別經過第二光纖干涉儀23、第三光纖干涉儀24后，干涉儀對相應的低量子數和高量子數拉曼散射信號進行解復用，在各個干涉儀M-ZI的輸出端口 port3、 port4
輸出后，由對應的第二光電探測部件12 (此為通道2)、第三光電探測部件
13 (此為通道3)接收。
至此，在對米、瑞利散射信號的進行有效分離和抑制的同時，實現了對用于測溫的兩條高低量子數轉動拉曼散射譜線高精度提取。
方案5
主要采用光纖Fabry-Perot腔(F-PCavity)實現分光。圖2e所示為一實施例，由級聯的第一光纖諧振腔31、第二光纖諧振腔 32和第三光纖諧振腔33組成。其中各個光纖諧振腔Fabry-Perot Cavity中的波長人分別設計為入產532.25nm、入尸530.6nm和人尸528.8nm，即分別對應米—瑞利散射信號、低量子數轉動拉曼散射信號和高量子數拉曼散射信號，通過設計使每個F-P Cavity對上述選定的波長分別具有很高的反射率和極低的透射率。
將望遠鏡接收的含有多個波長的大氣回波信號耦合進多模光纖 (MMF)，通過多模/單模光纖轉換器轉換后，經單模光纖(SMF)送入第一光纖環(huán)行器5的輸入端口 portl，或將望遠鏡接收到的大氣回波信號直接耦合到單模光纖(SMF)，然后送入第一光纖環(huán)行器5的輸入端口 (portl)，經第一光纖環(huán)行器5后在接有第一光纖諧振腔31的輸出端口 port2輸出，第一光纖諧振腔31將波長等于入i的米一瑞利散射信號完全下路到輸出端口 port4輸出，由第一光電探測部件ll接收；此為通道l。
其他波長的光被反射后繼續(xù)向前傳播，從第一光纖環(huán)行器5的輸出端口 port3輸出后，再進入第二光纖環(huán)行器7的輸入端口portl，第二光纖諧振腔 32將波長等于入2的低量子數轉動散射信號下路到輸出端口 port4輸出后，由第二光電探測部件12接收。此為通道2。同理，可以分離出波長為入3的高量子數拉曼散射信號，并由第三光電探測部件13接收。此為通道3。
至此，在對米、瑞利散射信號的進行有效分離和抑制的同時，實現了對用于測溫的兩條高低量子數轉動拉曼散射譜線高精度提取。
計算機系統(tǒng)包括多通道同步高速A/p采集卡，計算機，以及為求得大氣溫度以及大氣氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度等參數所列的數據反演方法及其對應的應用軟件。
可根據光電探測部件PMT2和PMT3檢測得到的拉曼散射信號，按拉曼散射激光雷達方程求出探測得到的兩個信號的強度以及兩個信號的強度比，利用無線電探空數據對上式進行標定擬合，求得大氣的溫度數值。通過利用氣溫探測的靈敏度及檢測得到的拉曼散射信號的信噪比，繼而求出系統(tǒng)的氣溫探測誤差。
還可根據光電探測部件PMT1檢測得到的米一瑞利散射信號，按米散射激光雷達方程，經反演求得大氣氣溶膠光學特性參數。
Nd: YAG脈沖激光器發(fā)出波長為532.25nm的脈沖激光束，經準直擴束系統(tǒng)準直擴束后，經多個反射鏡垂直射向大氣，激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光由望遠鏡接收系統(tǒng)接收，接收到的激光雷達大氣回波信號耦合到多模光纖，在經多模/單模光纖轉換器后，由單模光纖直接送入分光系統(tǒng)，或將望遠鏡接收到的激光雷達大氣回波信號直接耦合到單模光纖，然后送入分光系統(tǒng)，分光系統(tǒng)將大氣后向散射光分光成為各種光信號，從相應端口port輸出，由光電探測部件PMT接收，再送入計算機系統(tǒng)進行分析處理。
圖3是本發(fā)明分光系統(tǒng)中光纖Bmgg光柵的Bragg反射率與大氣分子
N2、 02的轉動拉曼光譜的關系示意圖。
當發(fā)射的激光束在大氣中傳播時，與大氣中的N2和02相互作用，產生拉曼散射。由于N2和02的純轉動拉曼光譜(PRRS)的強度分布對環(huán)境溫度
具有依賴性，同時考慮到大氣熒光對純轉動拉曼光譜Stokes支存在干擾的特點，選擇探測Anti-Stokes支。根據純轉動拉曼信號的后向散射截面公式，可
以計算出N2分子在不同波長處的拉曼散射截面變化。
考慮到低層大氣溫度的變化范圍為200K—300K，所以取溫度T=200K 和T=300K的譜線強度。從圖可以看出，N2的PRRS強度分布隨溫度T變化，靠近發(fā)射激光波長的拉曼譜線強度隨溫度升高而降低，而遠離發(fā)射譜線的拉曼線強度隨溫度升高而升高。即對應于較低量子數J的譜線強度隨溫度的升高而降低，而對應于較高量子數J的譜線強度隨溫度的升高而升高。因此，選定兩條強度隨溫度變化呈相反變化的量子數J產6， J2=14，相應的波長分別為530.6nm和528.8nm，即分別是WDM的解復用器用來分離兩條拉曼譜線的中心波長。在設計分光系統(tǒng)時，為了保證探測的兩個拉曼信號都具有一定的強度，所選用的各類分光器件要保證一定的帶寬，
由于大氣純轉動喇曼譜線的低量子數和高量子數譜線的強度會隨溫度的升高而分別減少和增強，選用上述2個中心波長的拉曼信號，并對2個測量信號進行差分處理，本發(fā)明中的溫度測量敏感度成為2個通道溫度敏感度的和，從而改善了系統(tǒng)的整體測溫敏感度特性。 '
圖4是本發(fā)明分光系統(tǒng)中光纖Bmgg光柵的FBG1的透射率特性以及 FBG2和FBG3的反射率特性示意圖，此處，以方案1來解釋分光系統(tǒng)的原理。
選擇FBG1的Bragg波長為入bl=532.25nm，主要用于濾除米和瑞利散射
信號?？紤]到瑞利散射信號的光譜范圍為3GHz，因此選擇FBG1在入w的反射譜的半高全寬度(FWHM)為A入FWHM1=0.018nm，其對A bl的反射率為 Rl(Abl)=0.999，而透過率僅為Tl(入w"2.036Xl(T4，如圖4中的a所示，而對其他波長的拉曼譜信號則幾乎可以全部透過，當然還有殘留的部分米、瑞利信號也透射過去，但是此時對米、瑞利信號的抑制率達已經到了4個數量級。、
選擇FBG2、 FBG3的Bragg波長分別為入b2=530.6nm和A b3=528.8nm，主要用于提取量子數分別為J產6和J2=14的拉曼譜線，它們反射譜的半高全寬度分別為A XFWHM2=0.288nm， A入FWHM3=0.508nm，反射率分別為R2(入 b2)=0.908， R3(Xb3) =0.945，這樣在入b2和A b3處就分別可以對拉曼譜線進行
有效提取，如圖4中的b所示。另外，Ab2、入b3在入w處的反射率分別為
R2(Xbl)=4.059Xl(T4， R3(入bl)=6.887X l(T4，所以它們對從入bl處透射過的殘余米、瑞利信號分別能進一步地抑制，其抑制率達到了 3個數量級。至此，本發(fā)明系統(tǒng)的WDM解復用器對米、瑞利信號的抑制率達到了 7個數量級以上，保證了對高低量子數拉曼譜線地高精度提取。
圖5是經分光器濾光后大氣回波信號的強度分布圖，此處，以方案l和 2來計算分光后的大氣回波信號強度分布。
計算時取采樣周期為300ns，相應的探測高度分辨力為45m。假設在白天波長A^附近的太陽背景光的輻射能量密度為3X108 Wm^r"nm'1，根據
激光雷達的系統(tǒng)參數，可以估算出在波長^2和^3光譜線附近，系統(tǒng)探測到
的太陽背景光強度為3.251xl(T"W。按照大氣Mie散射信號模型以及雷達的系統(tǒng)參數，并考慮到分光系統(tǒng)對Mie-Rayleigh散射信號有7個數量級的濾除率，通過激光雷達方程可計算出進入雷達系統(tǒng)的各散射信號及太陽背景光的
強度隨探測高度分布，其結果如圖5所示。
由圖5可見，分光系統(tǒng)對Mie-Rayleigh散射信號的濾除率達到7個數量級，有效地保證了測溫所需的系統(tǒng)信噪比，并且探測的拉曼信號在2.7km高度以下要比太陽背景光強，因而可以實現白天低空大氣溫度探測。
根據通道1和通道2中各自接收的拉曼散射信號光子數以及通道中剩余 Mie-Rayleigh信號光子數和太陽背景光的光子數以及探測器的暗噪聲，計算出系統(tǒng)總信噪比SA^,。,。,(力示于圖6。取測量時間IO分鐘。
另外，圖6也給出了白天和夜晚觀測時的可能實現的探測溫度誤差隨高度變化曲線。在白天太陽背景光影響的情況下，當要求探測溫度誤差小于1 K 時，可以探測3.3km以下的大氣溫度分布，而在夜晚的探測高度則達到5km。測量參數的數據反演
由各個光電探測部件(PMT1—PMT3)檢測出的信號經A/D采集卡的信號轉換后，送入計算機進行記錄與分析處理。對于由PMT1獲得的測量信號，計算機通過反演米散射激光雷達方程，可以求出氣溶膠消光系數、后向散射系數等光學參數。對于由PMT2和PMT3獲得的測量信號，計算機通過解轉動拉曼散射激光雷達方程，可以求出大氣溫度的高度分布。
具體來說，可以通過以下各式反演得到大氣溫度垂直分布以及大氣氣溶膠消光系數的垂直分布和大氣氣溶膠光學厚度。
我們可以根據下面激光雷達方程，計算出進入雷達系統(tǒng)的各散射信號的功率尸(》:
<formula>formula see original document page 22</formula>
其中，vT為光學系統(tǒng)效率，』叨為激光脈沖能量，r為激光脈沖間隔時間，
Ar為望遠鏡受光面積，fU)為發(fā)送與接收器的光路重疊系數，z為探測高度， A(z)為高度z處的后向散射系數(是大氣數密度Mz)和散射截面強度o^勺函數)，cK^)為高度z處的大氣消光系數。方程中，除了大氣消光系數a(z)禾口
后向散射系數"(z)以外的參數都是系統(tǒng)提供的己知量。
a)大氣溫度的反演
由通道2和通道3檢出的2個拉曼散射信號強度，分別由以下2個激光雷達方程表示
<formula>formula see original document page 23</formula>(2)
<formula>formula see original document page 23</formula> (3)
其中，r為大氣溫度，力和力分別是兩個通道探測的拉曼散射信號的轉
動量子數，/(力,7)和o^(，/2，7)分別是溫度為T時轉動量子數J,的轉動拉曼散射信號的散射截面強度和轉動量子數^的轉動拉曼散射信號的散射截
面強度，并且J,和J2為已知。
則由(2)式與(3)式比，得到通道1與通道2的散射信號強度比H(T，z)為
<formula>formula see original document page 23</formula>(4)
經對理論上的^—/(力，7)和w—2(，力,:0求解，并進行曲線擬合，可以得到下列關系
<formula>formula see original document page 23</formula> ( 5 )
式中，z為探測高度，A 5、 c為常數。利用無線電探空數據對雷達系統(tǒng)
進行標定就可擬合出常數A仏C。因此，高度z處的大氣溫度7Y^為
,-, 2 2個 (6) B土^/B2 4A(C2+lnR(T,z》
b)氣溶膠光學特性
由通道1檢出的米一瑞利散射信號強度尸/(z)，由以下激光雷達方程表
示
《(z)=《￡0. ^ 卑.風z). exp[-2 (7 )
2z 0J
式中，^z"y^(z)+在(z) , (z)=o^(2:)+aa(z)，
而A^)和在(z)分別為大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數，"m(Z)和
caz)分別為大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數。設激光雷達回波信號的距離平方修正函數為.-
義(2)=尸(2).22 (8)
如果事先已知某一高度《處大氣總的消光系數o(Zc)或后向散射系數A^)，則Z。處以下各高度上的氣溶膠粒子消光系數^(z)或后向散射系數/ 。(z)分別
為
刷-- (9)
a(zc) A
脇、、増--, (10)
風々)^
式中，^②和A^)分別為大氣分子的消光系數和后向散射系數，^為激光雷達比，s="。/a，它的取值與不同氣溶膠的光學特性有關，為一常數。
上兩式中，高度^處的大氣分子的消光系數c^(z)或后向散射系數A(z)
可以通過美國標準大氣模型獲得，如果測量高度較高，可以選取一段近乎不含氣溶膠粒子的清潔大氣層，在這段高度范圍內，對激光雷達距離校正對數
回波信號進行最小二乘擬合，該回歸曲線斜率的一半即為大氣分子消光系數，求出大氣分子的消光系數高度分布模型，這種取值方法更加切合當時的大氣狀況。在測量高度較高時，可以選取近乎不含氣溶膠粒子的清潔大氣層所在高度作為《，則邊界值o(Ze)或A&)中就只含有大氣分子的成分；同樣，若測量高度不夠高，可以選取一段較為均勻的大氣層，對該高度范圍內激光雷達距離校正對數回波信號進行最小二乘擬合，回歸曲線斜率的一半即為高
度z。處的大氣消光系數或后向散射系數的邊界值ct(^)或A^)。
權利要求
1.基于WDM技術的解復器分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(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算機系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，包括發(fā)射脈沖激光的Nd:YAG脈沖激光器、對脈沖激光進行準直擴束的擴束器，還包括多個反射鏡，多個反射鏡的設置使準直擴束后的激光垂直射向大氣，接收系統(tǒng)，用于接收激光與大氣中的分子和粒子相互作用后產生的后向散射光，并將接收到的激光雷達大氣回波信號耦合到多模光纖，多模光纖將該大氣回波信號送入多模/單模光纖轉換器，用于將多模大氣回波信號轉換成單模光纖信號，并經單模光纖送入，或將望遠鏡接收到的激光雷達大氣回波信號直接耦合到單模光纖，然后送入分光系統(tǒng)，用于將回波信號中的轉動拉曼譜線與米—瑞利散射譜線進行分離，并將分離后的各散射信號從相應的端口輸出，送入光電探測部件，用于將分離后的各散射光信號變?yōu)殡娦盘柦邮障聛?，并送入計算機系統(tǒng)，預裝入氣象和大氣環(huán)境參數反演算法程序，用于對接收的散射譜線信號進行分析處理，得到大氣溫度氣象參數，以及大氣氣溶膠消光系數及散射系數、氣溶膠光學厚度、大氣能見度大氣環(huán)境參數值。
2. 按照權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光系統(tǒng)包括，第一光纖環(huán)行器(5)，用于接收單模光纖送入的多個波長的回波信號，并將該回波信號輸出到第一光纖布拉格光柵，和接收第一光纖布拉格光柵反射回的米一瑞利散射信號，并將該米一瑞利散射信號輸出到第一光電探測部件(11);第一光纖布拉格光柵(6)，設定其波長A b為A bl=532.25nm，用于將波長等于入w的米一瑞利散射信號幾乎完全反射回第一光纖環(huán)行器(5)，而讓其他波長的光信號透射通過；第二光纖環(huán)行器(7)，用于接收第一光纖布拉格光柵透射通過的信號，并將該信號輸出到第二光纖布拉格光柵，和接收第二光纖布拉格光柵反射回的低量子數轉動散射信號，并將該轉動散射信號輸出到第二光電探測部件 (12);第二光纖布拉格光柵(8)，設計其波長Ab為入b^530.6nm，用于將波長等于A b2的低量子數轉動散射信號幾乎完全反射回第二光纖環(huán)行器，讓其他波長的光信號透射通過；第三光纖環(huán)行器(9)，用于接收第二光纖布拉格光柵透射通過的信號，并將該信號輸出到第三光纖布拉格光柵，和接收第三光纖布拉格光柵反射回的高量子數拉曼散射信號，并將該散射信號輸出到第三光電探測部件(13);第三光纖布拉格光柵(10)，設計其波長人b為入b3=528.8nm，用于將波長等于入b3的高量子數拉曼散射信號幾乎完全反射回第三光纖環(huán)行器，讓其他波長的光信號透射通過。
3.按照權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光系統(tǒng)包括，第一光纖光柵耦合器(14)，設定其波長Ab為入^532.25nm，用于接收單模光纖送入的多個波長的回波信號，將波長等于A bl的米一瑞利散射信號反射，并將反射的米一瑞利散射信號送入第一光電探測部件(11);第二光纖光柵耦合器(15)，設定其波長Ab為Ab^530.6nm，用于接收透射過第一光纖光柵耦合器(14)的光信號，將波長等于A b2的低量子數轉動拉曼散射信號反射，并將反射的低量子數轉動拉曼散射信號送入第二光電探測部件(12);第三光纖光柵耦合器(16)，設定其波長入b為A b3=528.8nm，用于接收透射過第二光纖光柵耦合器(15)的光信號，將波長等于A b3的高量子數拉曼散射信號反射，并將反射的高量子數拉曼散射信號送入第三光電探測部件 (13)。
4. 按照權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光系統(tǒng)包括，一多層介質薄膜濾波器(17)，設定其透射波長分別為A產532.25nm、入2=530.6腦和入產528.8mn，用于接收單模光纖送入的多個波長的回波信號，分別將波長等于入i的米一瑞利散射信號、波長等于入2的低量子數轉動拉曼散射信號和波長等于入3的高量子數拉曼散射信號透射，并將透射的信號分別送入第一光電探測部件(11)、第二光電探測部件(12)和第三光電探測部件(13);所述多層介質薄膜濾波器(17)的前面還設置有第一透鏡(18)，多層介質薄膜濾波器(17)的后面設置有第二透鏡(19)、第三透鏡(20)和第四透鏡(21)，使反射的各個光信號分別透射過三個透鏡后，再進入光電檢探測部件。
5. 按照權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光系統(tǒng)，包括級聯的第一光纖耦合器(25)、第一光纖干涉儀(22)、第二光纖耦合器(26)、第三光纖耦合器(27)、第二光纖干涉儀(23)、第四光纖耦合器(28)、第五光纖耦合器(29)、第三光纖干涉儀(24)和第六光纖耦合器 (30)，第一光纖耦合器(25)，用于將單模光纖送入回波信號分成兩束光，分別在第一光纖干涉儀(22)的兩臂傳輸，和接收從第一光纖干涉儀(22)反射回來的波長等于A尸532.25nm的米一瑞利散射信號并相互干涉而輸出，由第一光電探測部件(11)接收；第一光纖干涉儀(22)，設定其波長A為人產532.25nm，用于將波長等于、的米一瑞利散射信號幾乎完全反射回光纖耦合器(25)，而讓其他波長的光信號透射通過；第二光纖耦合器(26)，用于接收第一光纖干涉儀(22)透射通過不滿足光柵反射條件的信號，并發(fā)生干涉而從輸出到第三光纖耦合器(27);第三光纖耦合器(27)，用于將第二光纖耦合器(26)送入的回波信號分成兩束光，分別在第二光纖干涉儀(23)的兩臂傳輸，和接收從第二光纖干涉儀(23)反射回來的波長等于Af530.6nm的低量子數轉動拉曼散射信號并相互干涉而輸出，由第二光電探測部件(12)接收；第二光纖干涉儀(23)，設定其波長入為人f530.6nm，用于將波長等于入2的低量子數轉動拉曼散射信號幾乎完全反射回光纖耦合器(27)，而讓其他波長的光信號透射通過；第四光纖耦合器(28)，用于接收第二光纖干涉儀(23)透射通過不滿足光柵反射條件的信號，并發(fā)生干涉而從輸出到第五光纖耦合器(29);第五光纖耦合器(29)，用于將第四光纖耦合器(28)送入的回波信號分成兩束光，分別在第三光纖干涉儀(24)的兩臂傳輸，和接收從第三光纖干涉儀(24)反射回來的波長等于入產528.8nm的高量子數轉動拉曼散射信號并相互干涉而輸出，由第三光電探測部件(13)接收；第三光纖干涉儀(24)，設定其波長A為A 2=528.8nm，用于將波長等于入3的高量子數轉動拉曼散射信號幾乎完全反射回光纖耦合器(29)。
6.按照權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光系統(tǒng)包括，第一光纖環(huán)行器(5),用于接收單模光纖送入的多個波長的回波信號，并將該回波信號輸出到第一光纖諧振腔(31)，和接收第一光纖諧振腔(31) 反射回的散射信號，并將該散射信號輸出到第二光纖環(huán)行器(7);第一光纖諧振腔(31)，設定其波長A為A產532.25nm，用于將波長等于、的米一瑞利散射信號下路，輸出到第一光電探測部件(11)，讓其它波長的光信號發(fā)射回第一光纖環(huán)行器(5);第二光纖環(huán)行器(7)，用于接收第一光纖環(huán)行器(5)輸出的光信號，并將該回波信號輸出到第二光纖諧振腔(32)，和接收第二光纖諧振腔(32) 反射回的散射信號，并將該散射信號輸出到第三光纖環(huán)行器(9);第二光纖諧振腔(32)，設定其波長入為A^530.6nm，用于將波長等于入2的低量子數轉動拉曼散射信號下路，輸出到第二光電探測部件(12)，讓其它波長的光信號發(fā)射回第二光纖環(huán)行器(7);第三光纖環(huán)行器(9)，用于接收第二光纖環(huán)行器(7)輸出的光信號，并將該回波信號輸出到第三光纖諧振腔(33)，和接收第三光纖諧振腔(33) 反射回的散射信號，并將該散射信號輸出；第三光纖諧振腔(33)，設定其波長入為入3=528.8腿，用于將波長等于入3的高量子數拉曼散射信號下路，輸出到第三光電探測部件(13)，讓其它波長的光信號發(fā)射回第三光纖環(huán)行器(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于WDM技術解復用器分光的全光纖拉曼散射激光雷達系統(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算機系統(tǒng)，其特點在于分光系統(tǒng)的設計，本發(fā)明的分光系統(tǒng)運用WDM技術解復用器所具有優(yōu)良的波長選擇性，光譜分辨率高以及帶外抑制能力強的特點進行分光，給出了五種設計方案，分別采用光纖布拉格Bragg光柵、級聯的光纖光柵耦合器、多層介質薄膜濾波器、基于Mach-Zehnder干涉儀的光纖光柵耦合器和光纖Fabry-Perot腔來實現分光。
文檔編號H04J14/02GK101105532SQ20071001840
公開日2008年1月16日申請日期2007年8月3日優(yōu)先權日2007年8月3日
發(fā)明者君劉, 華燈鑫, 毅周, 毛建東, 胡遼林申請人:西安理工大學

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