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专利名称：基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达中的光子晶体分光系统，尤其是基于光子晶体的转动拉曼测 温激光雷达的分光系统。
背景技术：
激光雷达(Lidar =Light detection and ranging)作为一种主动遥感探测工具， 已经广泛应用于气象参数探测、环境监测等领域。作为一种高新技术，激光雷达技术实用性 及应用前景越来越受到广泛的关注。目前，激光雷达探测大气温度的主要方式有(1)瑞利 散射测温激光雷达、(2)振动拉曼测温激光雷达、(3)差分吸收测温雷达、(4)瑞利散射光谱 法测温激光雷达、( 转动拉曼光谱原理的转动拉曼测温激光雷达等。其中，利用转动拉曼 光谱探测温度的原理主要是由于大气分子( 和O2)的产生的高、低量子数转动拉曼光谱的 谱线信号强度与大气温度之间存在着依赖性。自从C00neyl972年提出利用这种原理探测 大气温度的原理以来，国内外在利用转动拉曼激光雷达对底层大气的温度进行探测方面取 得了明显的进步，并开始逐步走向实用。但是，由于转动拉曼散射的截面积相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起的 瑞利散射截面积要小3-4个数量级，因此，高精度大气温度的探测一方面需要大的激光能 量和望远镜接收系统，另一方面需要对强烈的米-瑞利散射信号进行10_7个数量级以上的 抑制，从而提取出微弱的转动拉曼谱线，这就要求转动拉曼测温激光雷达的分光系统具有 极高的带外抑制能力和很高的光谱分辨能力。因此，设计具有高精度，高可靠性的分光系统 一直是拉曼测温激光雷达技术的核心问题。目前，拉曼激光雷达在分光系统设计上具有非 常高的技术难度。国内外的转动拉曼激光雷达除了采用较高的激光能量和较大的望远镜接 收系统，主要在分光系统方面进行了大量研究，常用分光系统采用双光栅单色仪、双光栅多 色仪、窄带干涉滤波片等分光方法来剔除强背景噪音，提取有效的拉曼信号。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，能 够实现对转动拉曼散射信号地高精度提取。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特别之处在于，包括 光纤，该光纤的一端设有第一凸透镜，在第一凸透镜后设有分束镜，从而将光线分为两路， 其中第一路上依次设有第一光子晶体、第二光子晶体、第二凸透镜、和第一光电探测器件， 而在第二路上依次设有第三光子晶体、第四光子晶体、第三凸透镜、和第二光电探测器件。其中第一光子晶体和第二光子晶体串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶体和 第二光子晶体的中心波长均为λ工=530. 6nm，对应以量子数6为中心的低量子数转动拉曼 散射信号；第三光子晶体和第四光子晶体串联构成第二组滤波器，设计第三光子晶体和第 四光子晶体的中心波长均为λ2 = 5^.8nm，对应以量子数14为中心的高量子数拉曼散射信号；设计两组光子晶体对上述选定的波长分别具有99. 998-99. 999%的透射率，同时设 计两组光子晶体对米-瑞利散射波长532. 25nm分别具有10_7数量级的透射率。本发明借鉴光子晶体滤波器所具有的优良的波长选择性、高的光谱分辨率以及较 强的带外抑制能力等特点，提出一种基于光子晶体分光系统，将其用于转动拉曼测温激光 雷达系统中，能够对大气温度进行高精度探测。该分光系统结构紧凑、简单易行、性能稳定， 成本较低，为转动拉曼激光雷达探测大气温度提供了一种重要的解决方案，具有重要的科 学研究和实际应用价值。


图1是本发明的光子晶体分光系统原理图；图2是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统原理图；图3是本发明的分光系统的透射谱与大气分子队、O2的转动拉曼散射光谱之间的 关系；图4是本发明的光子晶体分光系统的透射率特性曲线；图5是通过激光雷达方程和系统参数计算出的光子晶体分光系统分光后的各种 散射信号和太阳背景光的强度分布随探测高度的分布；图6是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统仿真得到 的大气温度分布廓线以及后向散射比廓线；图7是利用本发明的光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统仿真得到 的系统信噪比、温度误差的高度分布曲线。图1中，1.光纤(1)，2.第一凸透镜0)，3.分束镜(3)，4.第一光子晶体G)，5.第 二光子晶体(5)，6.第二凸透镜(6)，7.第一光电探测器件(7)，8.第三光子晶体(8)，9.第 四光子晶体(9)，10.第三凸透镜(10)，11.第二光电探测器件(11)。
具体实施例方式下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明(1)、如图1所示，本发明是一种由光子晶体构成的用于拉曼测温激光雷达的分光 系统，该分光系统的作用是将回波信号中的用于温度探测的高、低量子数转动拉曼谱线与 米-瑞利散射谱线等进行分离，在温度探测通道中最大程度上抑制米-瑞利散射信号以及 太阳背景光的干扰。分光系统构成如附图1所示，包括光纤1、第一凸透镜2、分束镜3，分束 镜3将光束分为两路，一条光路上依次设置有第一光子晶体4、第二光子晶体5、第二凸透镜 6、第一光电探测器件7 ；分束镜3的另一条光路上依次设置有第三光子晶体8、第四光子晶 体9，第三凸透镜10、第二光电探测器件11。图1中，第一光子晶体4、第二光子晶体5串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶 体4、第二光子晶体5的中心波长均为λ i = 530. 6nm,对应以量子数6为中心的低量子数 转动拉曼散射信号；第三光子晶体8、第四光子晶体9串联构成第二组滤波器，设计第三光 子晶体8、第四光子晶体9的中心波长均为λ2 = 5^.8nm，对应以量子数14为中心的高量 子数拉曼散射信号。通过设计使两组光子晶体上述选定的波长分别具有99. 998%或以上的 透射率；同时，通过设计使两组光子晶体对米-瑞利散射波长532. 25nm分别具有10_7数量级的透射率。采用本发明光子晶体分光系统对转动拉曼激光雷达回波信号中的转动拉曼散射 信号进行高精度提取的方法，具体按照以下步骤实施步骤1 转动拉曼测温激光雷达发射的激光束与大气中的分子和粒子相互作用， 产生的后向散射回波信号由转动拉曼测温激光雷达接收后，被耦合进光纤1内，由光纤1传 输后，经过第一凸透镜2准直，射向分束镜3，分束镜3将回波光信号分为两路其中一路光 信号射向第一光子晶体4、第二光子晶体5，透射后的光信号经过第二凸透镜6聚焦后，由第 一光电探测器件7进行接收，这样便实现对米-瑞利散射波长532. 25nm进行10_7数量级的 抑制，同时分离出中心波长为530. 6nm的低量子数转动散射拉曼光谱信号，此为通道一；步骤2 另一路光信号射向第三光子晶体8、第四光子晶体9，透射后的光信号经过 第三凸透镜10聚焦后，由第二光电探测器件11进行接收，这样便实现对米-瑞利散射波长 532. 25nm进行10_7数量级的抑制，同时分离出中心波长为528. Snm的高量子数转动拉曼散 射光谱信号，此为通道二。至此，分光系统在对米-瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的低、高量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。以下从原理方面对使用本发明光子晶体滤波器分光的转动拉曼激光雷达系统进 行说明(2)、如图2所示，图2是利用光子晶体分光系统的转动拉曼测温激光雷达系统原 理图。图中，脉冲激光器发出某一固定波长的脉冲激光，经准直扩束系统、第一反射镜、第二 反射镜、第三反射镜转向后垂直射向大气，激光与大气中的分子和粒子相互作用而产生的 后向散射回波信号由望远镜系统接收后，经过第四凸透镜会聚后被耦合进光纤1内，经过 光纤1传输后，进入附图1所示的光子晶体分光系统中进行分光处理，提取出低、高量子数 转动拉曼散射谱线，最后，将这两个通道的转动拉曼散射光谱信号分别送入数据采集与处 理系统进行分析处理。数据采集与处理系统将接收到的两个拉曼通道的回波信号进行预处理后，并求取 这两个通道的拉曼回波信号强度的比值，然后利用同步探测的无线电探空数据对系统进行 拟合标定，求出系统参数，此后便可以根据系统参数反演求得大气的温度廓线。根据激光雷达方程，望远镜接收到的转动拉曼散射光谱信号的光子数为
权利要求
1.一种基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征在于包括光纤 (1)，该光纤(1)的一端设有第一凸透镜O)，在第一凸透镜( 后设有分束镜(3)，从而 将光线分为两路，其中第一路上依次设有第一光子晶体G)、第二光子晶体(5)、第二凸透 镜(6)、和第一光电探测器件(7)，而在第二路上依次设有第三光子晶体(8)、第四光子晶体 (9)、第三凸透镜(10)、和第二光电探测器件(11)。
2.如权利要求1所述的基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征在 于其中第一光子晶体(4)和第二光子晶体( 串联构成第一组滤波器，设计第一光子晶体 (4)和第二光子晶体(5)的中心波长均为X1 = 530. 6nm，对应以量子数6为中心的低量子 数转动拉曼散射信号；第三光子晶体(8)和第四光子晶体(9)串联构成第二组滤波器，设计第三光子晶体(8) 和第四光子晶体(9)的中心波长均为λ2 = 5^.8nm，对应以量子数14为中心的高量子数 拉曼散射信号；设计两组光子晶体对上述选定的波长分别具有99. 998-99. 999%的透射率，同时设计 两组光子晶体对米-瑞利散射波长532. 25nm分别具有10_7数量级的透射率。
全文摘要
本发明涉及激光雷达中的光子晶体分光系统，尤其是基于光子晶体的转动拉曼测温激光雷达的分光系统，其特征是，包括光纤(1)，该光纤(1)的一端设有第一凸透镜(2)，在第一凸透镜(2)后设有分束镜(3)，从而将光线分为两路，其中第一路上依次设有第一光子晶体(4)、第二光子晶体(5)、第二凸透镜(6)、和第一光电探测器件(7)，而在第二路上依次设有第三光子晶体(8)、第四光子晶体(9)、第三凸透镜(10)、和第二光电探测器件(11)。本发明提出一种基于光子晶体分光系统，将其用于转动拉曼测温激光雷达系统中，能够对大气温度进行高精度探测。
文档编号G01S17/95GK102096068SQ20101056205
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者华灯鑫, 李娟 , 毛建东, 王玉峰 申请人:北方民族大学