大气水汽探测拉曼激光雷达滤光片-Alluxa中国代理

在测量大气温度廓线应用中旋转拉曼激光雷达的光路设计

近年来，由于气候的复杂多变，更加精准的气候监测技术成为应对气候变化，防范气象灾害的重要手段之一。利用旋转拉曼激光雷达测量大气温度廓线的技术获得了更多的关注和研究。旋转拉曼激光雷达是以激光作为光源，通过遥感激光与大气相互作用产生的回波信号来反演大气参数的光电设备。在涉及从地表到对流层下层的测量时，它可全天候观测，并可获得高分辨率和低系统误差及低噪声误差的垂直温度廓线。

用于测量大气边界温度廓线的旋转拉曼激光雷达光路示意简图

大多数旋转拉曼系统的工作波长为 532 或 355nm，即 Nd:YAG 激光器的二次和三次谐波波长。

激光光束经由扩束器和反射镜，通过光束旋转系统控制光波的方向和角度，传输到大气中。接收望远镜接收大气返回的光波，并聚焦光信号，通过光孔和光阑FS（Field Stop），再由凸透镜将光束转变为平行光，由分光镜BS(Beam Splitter)分光。

波长较长的光波被反射到水汽信号接收端，通过干涉滤光片F4的截止抑制，获得所需波长信号，由光电倍增管PMT4采集。

波长较短的光波被传输到其他测量通道，通过设置不同的干涉滤光片参数，实现弹性信号和旋转拉曼信号的采集和测量（本实例均采用Alluxa超窄带干涉滤光片）。

旋转拉曼激光雷达系统共包括四个部分，分别为发射系统、接收系统、分光系统和数据处理系统。测量目标信号：弹性后向散射信号，两个不同温度依赖的旋转拉曼信号和水汽振动拉曼信号。

发射系统：Nd:YAG 激光器。大多数旋转拉曼激光雷达系统的工作波长为532nm或355nm，即 Nd:YAG 激光器的二次和三次谐波波长。 发射端设置扩束镜，用以改善发射光的发散角及光束截面。光束旋转系统装置将光束传输到需要的方向和角度，以适应多海拔高度的测量。

接收系统：接收望远镜。 接收系统的作用是收集发射激光与大气相互作用的回波信号光。由于激光雷达接收的是较远距离处产生的信号光，因此可认为到达接收望远镜的信号光为平行光。接收望远镜实则为聚焦镜，通常采用反射式。在接收望远镜的焦点附近设计小孔光阑，用来改变接收望远镜的视场角以及几何因子数。

分光系统：设置在接收望远镜后端的分光系统，由分光/分束镜、衰减片、干涉滤光片、透镜等光学元件组成。转动拉曼谱线与激发光频率只相差几个到几十个波数，而激发光的散射截面比转动拉曼大3~4个数量级甚至更大，因此技术难点在于如何有效抑制激发波长的弹性散射光。IF1、IF2、IF3、IF4均应用Alluxa超窄带干涉滤光片，半带宽小于0.5nm，截止深度OD值大于5（可设计截止深度大于OD8）。分光镜BS(Beam Splitter)为二向分光镜，波长较长的光波被反射到水汽信号接收端，通过干涉滤光片F4的截止抑制，获得所需波长信号。波长较短的光波通过日光衰减滤光片IF0，被传输到其他测量通道，通过设置不同的干涉滤光片参数，实现弹性信号和旋转拉曼信号的采集和测量。

数据处理系统：数据处理系统主要由光电探测器、放大器及数据采集卡组成。本实例使用光电倍增管（PMT）作为激光雷达的光电探测器件。光电探测器将入射到其感光面上的某一波长光信号转变成电信号，再将弱电信号放大并转化成数字信号输入计算机进行后续数据计算处理。