CN111913191B - 用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***及分光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***及分光方法，通过光纤、光纤法兰传导激光雷达中望远镜接收到的大气回波信号，经准直器后以准直光射出，前截止滤波器滤除950nm以下的光束，之后通过光栅、长焦距透镜和带孔反射镜将光束中米散射信号和转动拉曼散射信号分离，获得1064nm波段的米/瑞利散射信号和转动拉曼散射信号，实现在近红外1064nm波段气溶胶的独立精细探测，探测结果可以用于近红外波段气溶胶光学参数的高精度获取。
Description
技术领域
本发明属于激光探测装置技术领域，涉及用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，还涉及上述转动拉曼分光***的分光方法。
背景技术
气溶胶是研究地球环境、气候以及大气辐射传输特性的重要物质，其组成复杂，对大气中的许多物理变化过程都有比较重要的影响。由于环境污染的加剧，气溶胶的精细监测与分析变得日益重要。激光雷达是探测气溶胶大范围分布情况的有效手段，具有高时空分辨率，适于实时观测的优点。不同探测波长的激光雷达可以实现大气中不同大小气溶胶颗粒物的探测，目前常用的波长有355nm、532nm和1064nm。1064nm激光波长较长，属于近红外波段，相对于短波长光，近红外波段(1064nm)激光具有较强的云层和沙尘暴穿透性，近红外波段光源几乎在所有已发射的星载测气溶胶和云的激光雷达或者高度计上使用，但是在近红外波段的光学参量探测方面，由于缺乏独立获得的光学参量信息，近红外波段的数据反演存在很大的不确定性。
在紫外的355nm和可见光的532nm人们已经研发了高光谱探测激光雷达和拉曼散射激光雷达，并且获得了很多这两个波段的独立光学参量及雷达比信息。但是对于1064nm波段，由于分子信号的微弱性及瑞利散射信号的窄光谱特性，导致在该波段缺少气溶胶的独立探测手段和方法缺失，需要能实现该波段气溶胶独立探测的手段。
发明内容
本发明的目的是提供用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，利用该***可以实现1064nm波段米散射信号和转动拉曼散射信号的分光，利用该分光***可以实现米散射信号和转动拉曼散射信号的独立探测，解决了现有技术中存在的无法独立精细探测近红外波段光学参量的问题。
本发明所采用的技术方案是，用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，包括依次连接的回波光束接收***、准直***、分光***及探测***，分光***包括光栅，光栅的衍射光路上设置有透镜，透镜的焦面上设置有反射镜，反射镜上开设有通孔；探测***包括第一探测***、第二探测***，第一探测***位于反射镜的透射光路上，第二探测***位于反射镜的反射光路上。
本发明的特点还在于：
反射镜相对于入射光束的角度为45°，通孔位于透镜的焦点上。
回波光束接收***包括光纤，光纤连接有光纤法兰。
准直***包括准直器、滤波器，光纤的出射光端面位于准直器焦面上。
第一探测***包括第一汇聚镜、第一光电探测器，第一汇聚镜位于反射镜的透射光路上。
第二探测***包括第二汇聚镜、第二光电探测器，第二汇聚镜位于反射镜的反射光路上。
本发明的另一目的是提供用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光方法，解决了现有技术中存在的无法独立精细探测近红外波段光学参量的问题。
本发明所采用另一的技术方案是，用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光方法，采用上述用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，具体包括以下步骤：
步骤1、调整光纤法兰，使光纤的出射光端面位于准直器焦面上；
步骤2、光纤接收激光雷达的大气后向散射信号，经准直器后以准直光出射；
步骤3、准直光经过滤波器后，波长小于950nm的准直光被滤除；
步骤4、调整光栅相对准直光的角度，使大于等于950nm的准直光束以10°入射到光栅上进行衍射；
步骤5、经过衍射后的光束进入透镜进行空间分离，得到光谱范围为1051nm-1061nm&&1051nm～1079nm的转动拉曼信号和1064nm的米瑞利散射信号；
步骤6、波长为1064nm的米瑞利散射信号经通孔透射至第一探测***上，波长为1051nm-1061nm&&1068nm-1079nm的转动拉曼信号经反射镜反射至第二探测***上，完成转动拉曼信号和米瑞利散射信号的分离。
本发明的有益效果是：
本发明的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***及分光方法，通过光纤、光纤法兰接收大气回波信号，经准直器后以准直光射出，滤波器滤除950nm一下的光束，通过光栅、透镜、反射镜将光束分离，获得1064nm波段的米瑞利散射信号和1051nm-1061nm&&1051nm～1079nm的转动拉曼散射信号，实现在近红外1064nm波段气溶胶的独立精细探测，探测结果可以用于近红外波段气溶胶光学参数的高精度获取。
附图说明
图1是本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***的结构示意图；
图2是本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***中反射镜的结构示意图；
图3是本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***中反射镜的剖视图；
图4是本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***的使用过程图；
图5是本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***的光谱分光曲线。
图中，1.光栅，2.透镜，3.反射镜，4.通孔，5.光纤，6.光纤法兰，7.准直器，8.滤波器，9.第一汇聚镜，10.第一光电探测器，11.第二汇聚镜，12.第二光电探测器，13.光纤A。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，如图1所示，包括依次连接的回波光束接收***、准直***、分光***及探测***，分光***包括光栅1，光栅1的衍射光路上设置有透镜2，透镜2的焦面上设置有反射镜3，如图2及图3所示，反射镜3上开设有通孔4；探测***包括第一探测***、第二探测***，第一探测***位于反射镜3的透射光路上，第二探测***位于反射镜3的反射光路上。
反射镜3相对于入射光束的角度为45°，通孔4位于透镜2的焦点上，通孔4的直径为5.2mm；透镜2为焦距为500mm的长焦距透镜；光栅1的刻线为900gr/mm，选取蔡司光栅，型号为：2632326012024。
回波光束接收***包括光纤5，光纤5连接有光纤法兰6。光纤5的直径为0.8mm，为大口径石英传能光纤。
准直***包括准直器7、滤波器8，光纤5的出射光端面位于准直器7焦面上。准直器7的焦距为100mm，滤波器8为前截止滤波器，能透过950nm-1200nm波段的光束。
第一探测***包括第一汇聚镜9、第一光电探测器10，第一汇聚镜9位于反射镜3的透射光路上。第一汇聚镜9的焦距为50mm，第一光电探测器10选用滨松公司S11519-30型Si-APD。
第二探测***包括第二汇聚镜11、第二光电探测器12，第二汇聚镜11位于反射镜3的反射光路上。第二汇聚镜11的焦距为16mm，口径为30mm，第二光电探测器12选用滨松公司S11519-30型Si-APD。
本发明的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***的使用过程，如图4所示，接收望远镜接收激光器发射激光，通过光纤5传输激光雷达接收回来的回波光束至本发明的转动拉曼探测分光装置，经转动拉曼探测分光装置处理后的信号通过光纤A13发送至信号处理模块。光纤A13为石英传能光纤，例如上海瀚宇公司生产的光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12的多模光纤。
激光器采用美国Continuum公司的Nd:YAG型surelite III脉冲激光器，激光器发射波长为1064nm、重复频率为20Hz；接收望远镜可采用反射式、折返式等通用望远镜，例如日本Takahashi公司生产的250mm卡塞格林望远镜；激光雷达中的信号处理模块可以采用力科公司的HDO4000系列示波器。
本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光方法，采用上述用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、调整光纤法兰6，使光纤5的出射光端面位于准直器7焦面上，准直器7的焦距为100mm；
步骤2、光纤5接收激光雷达的大气后向散射信号，经准直器7后以准直光出射；
步骤3、准直光经过滤波器8后，波长小于950nm的准直光被滤除；
步骤4、调整光栅1相对准直光的角度，使大于等于950nm的准直光束以10°入射到光栅1上进行衍射；光栅1的刻线为900gr/mm，选取蔡司光栅，型号为：2632326012024；
步骤5、焦距为500mm长焦距透镜2将经光栅1衍射后的光束进行空间分离，得到光谱范围为1051nm～1079nm&&1051nm～1079nm的转动拉曼信号和1064nm的米瑞利散射信号，空间扩展范围为20.27mm；
步骤7、波长为1064nm的米瑞利散射信号经通孔4透射，再通过第一汇聚镜9汇聚至第一光电探测器10；波长为1051nm-1061nm和1068nm-1079nm的转动拉曼信号经反射镜3反射，再通过第二汇聚镜11汇聚至第二光电探测器12，完成转动拉曼信号及米瑞利散射信号的分离。第一汇聚镜9的焦距为50mm，第一光电探测器10选用滨松公司S11519-30型Si-APD；第二汇聚镜11的焦距为16mm，口径为30mm，第二光电探测器12选用滨松公司S11519-30型Si-APD。
本发明用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***的实施例中所设计的高光谱滤波器的光谱透过曲线，如图5示，该装置可实现米/瑞利散射信号和转动拉曼散射信号的高效分离与采集，并用于近红外波段气溶胶光学参数的精细探测。
通过以上方式，本发明的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***及分光方法，通过光纤、光纤法兰接受大气回波信号，经准直器后以准直光射出，滤波器滤除950nm一下的光束，通过光栅、透镜、反射镜将光束分离，获得1064nm波段的米/瑞利散射信号和转动拉曼散射信号，实现在1064nm波段气溶胶的独立精细探测，探测结果可以用于近红外波段气溶胶光学参数的高精度获取。
Claims (4)
1.用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，其特征在于，包括激光器、接收望远镜、分光装置和信号处理模块，所述分光装置包括依次连接的回波光束接收***、准直***、分光***及探测***，所述分光***包括光栅(1)，所述光栅(1)的衍射光路上设置有透镜(2)，所述透镜(2)的焦面上设置有反射镜(3)，所述反射镜(3)上开设有通孔(4)；所述探测***包括第一探测***、第二探测***，所述第一探测***位于反射镜(3)的透射光路上，所述第二探测***位于反射镜(3)的反射光路上；
所述反射镜(3)相对于入射光束的角度为45°，所述通孔(4)位于透镜(2)的焦点上；
所述回波光束接收***包括光纤(5)，所述光纤(5)连接有光纤法兰(6)；所述准直***包括准直器(7)、滤波器(8)，所述光纤(5)的出射光端面位于准直器(7)焦面上；
所述激光器与接收望远镜之间通过信号连接，所述接收望远镜与光纤(5)连接，所述分光装置与信号处理模块通过光纤A(13)连接；
所述激光器发射波长为1064nm、重复频率为20Hz；
所述接收望远镜接收激光器发射波长为1064nm的激光，然后通过光纤(5)传输回波光束至分光装置，通过分光装置的光纤(5)、光纤法兰(6)接受大气回波信号，经准直器(7)后以准直光射出，滤波器(8)滤除950nm以下的光束，通过光栅(1)进行衍射后进入透镜(2)进行空间分离，得到光谱范围为1051nm～1079nm&&1051nm～1079nm的转动拉曼信号和1064nm的米瑞利散射信号；波长为1064nm的米瑞利散射信号经通孔(4)透射至第一探测***上，波长为1051nm-1061nm、1068nm-1079nm的转动拉曼信号经反射镜(3)反射至第二探测***上，完成转动拉曼信号及米瑞利散射信号的分离，实现在1064nm波段气溶胶的独立精细探测。
2.如权利要求1所述的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，其特征在于，所述第一探测***包括第一汇聚镜(9)、第一光电探测器(10)，所述第一汇聚镜(9)位于反射镜(3)的透射光路上。
3.如权利要求1所述的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，其特征在于，所述第二探测***包括第二汇聚镜(11)、第二光电探测器(12)，所述第二汇聚镜(11)位于反射镜(3)的反射光路上。
4.根据权利要求1所述的一种用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光方法，采用权利要求1所述的用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、调整所述光纤法兰(6)，使光纤(5)的出射光端面位于准直器(7)焦面上；
步骤2、所述光纤(5)接收激光雷达的大气后向散射信号，经准直器(7)后以准直光出射；
步骤3、所述准直光经过滤波器(8)后，波长小于950nm的准直光被滤除；
步骤4、调整所述光栅(1)相对准直光的角度，使大于等于950nm的准直光束以10°入射到光栅(1)上进行衍射；
步骤5、所述经过衍射后的光束进入透镜(2)进行空间分离，得到光谱范围为1051nm～1079nm&&1051nm～1079nm的转动拉曼信号和1064nm的米瑞利散射信号；
步骤6、波长为1064nm的所述米瑞利散射信号经通孔(4)透射至第一探测***上，波长为1051nm-1061nm、1068nm-1079nm的所述转动拉曼信号经反射镜(3)反射至第二探测***上，完成转动拉曼信号及米瑞利散射信号的分离。
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- 2020-06-17 CN CN202010553916.5A patent/CN111913191B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101586233A (zh) * | 2008-05-23 | 2009-11-25 | 广州市光机电技术研究院 | 一种复合光路宽光谱膜厚监控*** |
| CN105738916A (zh) * | 2016-03-01 | 2016-07-06 | 南昌航空大学 | 高光谱偏振大气探测激光雷达***及控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111913191A (zh) | 2020-11-10 |
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