【技術實現步驟摘要】
本專利技術的至少一種實施例涉及激光雷達，更具體地涉及一種量子拉曼激光雷達系統及風速和溫度的反演方法。
技術介紹
1、大氣風場和溫度場是大氣探測的重要指標，研究其在大氣成分輸運、大氣邊界層結構和大氣動力學過程中的作用等具有重要的科學意義，精確的大氣風場溫度觀測在提高數值天氣預報準確性、改進氣候模型、監測生化氣體和保障航空航天安全等方面具有重大的實際價值。
2、在拉曼激光雷達測溫領域，純轉動拉曼相對測溫系統反演溫度時需要其他測溫儀器做參數校正，但并行校正設備受大氣變化影響，因此校正準確性難保證。而目前已有的絕對測溫技術，國內外學者大多采用兩級串聯光譜分光的結構來構建純轉動拉曼絕對測溫系統，利用成像光譜儀分光和相機（charge-coupled?device，ccd）采集的方法光譜分辨率低，殘余的彈性散射信號使ccd易飽和，造成信噪比低，探測距離短且溫度反演效果并不理想；而將法布里-珀羅（fabry-perot，f-p）干涉儀與衍射光柵級聯或將衍射光柵與光纖布拉格（bragg）光柵級聯的兩級級聯分光方式濾波復雜，光學效率低，需要兆赫茲級穩頻，導致體積大，難載荷化。
3、測風激光雷達分為直接和相干兩種探測方式。直接測風需要激光穩頻器和鑒頻器，接收光路復雜，對溫度梯度、應力梯度敏感。而傳統相干測風需要以氣溶膠的米散射信號作為探測信號，因而應用場景受限，只適用于近地面風場探測，且受天氣情況影響大。此外傳統相干需要采用高采樣率的采集卡，并且要求進行實時信號處理，后續數據存儲和處理面臨挑戰。
4、而大氣風場溫
技術實現思路
1、為解決現有技術中的所述以及其他方面的至少一種技術問題，本專利技術提供一種量子拉曼激光雷達系統及風速和溫度的反演方法，能夠實現低層大氣的風速和溫度的同時探測，能夠提高風速和溫度的準確性，提高量子拉曼激光雷達系統的應用效率。
2、根據本專利技術的一個方面，提供了一種量子拉曼激光雷達系統，包括：
3、激光器，適用于提供初始激光束；
4、第一分束器，適用于將上述初始激光束分為第一激光束和第二激光束；
5、望遠鏡，適用于將上述第一激光束出射至目標大氣中，并接收上述目標大氣與上述第一激光束作用產生的回波信號；
6、拉曼光頻梳源，適用于在上述第二激光束的作用下產生拉曼光頻梳信號；
7、衰減器，適用于將上述拉曼光頻梳信號的光功率衰減至單光子量級；
8、第二分束器，適用于將光功率衰減后的上述拉曼光頻梳信號與上述回波信號發生量子干涉；
9、兩個單光子探測器，適用于分別探測獲得由上述第二分束器的兩個出口輸出的單光子計數；以及
10、計算機，適用于根據上述單光子計數獲得上述拉曼光頻梳信號與上述回波信號發生量子干涉后產生的拍頻信號的干涉頻譜圖，以獲得上述目標大氣的溫度以及風速。
11、根據本專利技術的實施例，上述拉曼光頻梳源包括：
12、氮氣池，適用于將上述第二激光束與上述氮氣池中的氮氣發生拉曼散射效應，產生拉曼散射光；
13、光柵，適用于將上述拉曼散射光按波長進行分光；
14、電光調制器，適用于對分光后的上述拉曼散射光的頻率進行調制；以及
15、聲光調制器，適用于控制經上述電光調制器調制后的拉曼散射光的開關時間，以控制上述拉曼光頻梳信號的輸出。
16、根據本專利技術的實施例，上述量子拉曼激光雷達系統還包括：
17、第三分束器，適用于將上述拉曼光頻梳信號按比例分為第一拉曼光頻梳信號和第二拉曼光頻梳信號，上述衰減器適用于將上述第二拉曼光頻梳信號的光功率衰減至單光子量級；以及
18、功率監測組件，適用于監測上述第一拉曼光頻梳信號的總光功率，以保證上述拉曼光頻梳信號的穩定性。
19、根據本專利技術的實施例，上述量子拉曼激光雷達系統還包括：
20、濾波器，適用于允許上述回波信號中的氮氣拉曼散射信號通過以及濾除掉寬譜的太陽背景噪聲。
21、根據本專利技術的一個方面，提供了一種利用上述量子拉曼激光雷達系統的風速和溫度的反演方法，包括：
22、根據上述拍頻信號的干涉頻譜圖，獲取多普勒頻移以及拍頻信號的信噪比；
23、根據上述多普勒頻移和風速的關系，反演獲得上述目標大氣的風速；
24、根據上述拍頻信號的信噪比，反演獲得上述目標大氣與上述第一激光束作用產生的回波信號的信噪比；以及
25、計算上述回波信號的信噪比與不同溫度下理論拉曼譜線的強度的相關系數，從而獲得上述目標大氣的溫度；
26、其中，根據上述反演方法獲得不同距離門下的上述風速和上述溫度，從而獲得有距離分辨率的上述目標大氣的溫度以及上述目標大氣的風速。
27、根據本專利技術的實施例，上述多普勒頻移與上述風速的關系滿足公式（1）：
28、（1）；
29、其中，為上述多普勒頻移，為與上述多普勒頻移對應的拉曼譜線的中心波長。
30、根據本專利技術的實施例，上述回波信號的信噪比滿足公式（2）：
31、（2）；
32、其中，為上述拍頻信號的信噪比，為上述拉曼光頻梳信號的信噪比，表示第條譜線。
33、根據本專利技術的實施例，上述回波信號的信噪比與上述理論拉曼譜線的強度?的皮爾遜相關系數滿足公式（3）：
34、（3）；
35、其中，代表第條理論拉曼譜線，為上述理論拉曼譜線的譜線總數目，表示溫度為時的相關系數，上述目標大氣的溫度為相關系數最大時所對應的溫度，為在距離門對應的距離為z的情況下上述理論拉曼譜線的強度。
36、根據本專利技術的實施例，在距離門對應的距離為z的情況下第j條上述理論拉曼譜線的強度滿足公式（4）：
37、（4）；
38、其中，是常數，是上述初始激光束的平均功率，是上述初始激光束的寬度，是上述望遠鏡的接收面積，是上述目標大氣中氮氣的分子數密度，是距離處的大氣消光系數，是上述理論拉曼譜線中的第j條譜線對應的轉動量子數j的后向散射截面。
39、根據本專利技術的實施例，上述理論拉曼譜線中的第j條譜線對應的轉動量子數j的后向散射截面滿足公式（5）：
40、（5）；
41、其中，為相對體積濃度的分子數密度；為核自旋常數；是統計權重因子；為普朗克常數；為光速；為振動基態的轉動常量；為上述初始激光束的頻率；為轉動拉曼波數的頻移量；為分子極化張量的各向異性常數；為玻爾茲曼常數。...
【技術保護點】
1.一種量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，所述拉曼光頻梳源包括：
3.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，還包括：
4.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，還包括：
5.一種利用權利要求1-4中的任一項所述的量子拉曼激光雷達系統的風速和溫度的反演方法，其特征在于，包括：
6.根據權利要求5所述的風速和溫度的反演方法，其特征在于，所述多普勒頻移與所述風速的關系滿足公式（1）：
7.根據權利要求5所述的風速和溫度的反演方法，其特征在于，所述回波信號的信噪比滿足公式（2）：
8.根據權利要求5所述的風速和溫度的反演方法，其特征在于，所述回波信號的信噪比與所述理論拉曼譜線的強度的皮爾遜相關系數滿足公式（3）：
9.根據權利要求8所述的風速和溫度的反演方法，其特征在于，在距離門對應的距離為z的情況下第條所述理論拉曼譜線的強度滿足公式（4）：
10.根據權利要求9所述的風速和溫度的反演
...【技術特征摘要】
1.一種量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，所述拉曼光頻梳源包括：
3.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，還包括：
4.根據權利要求1所述的量子拉曼激光雷達系統，其特征在于，還包括：
5.一種利用權利要求1-4中的任一項所述的量子拉曼激光雷達系統的風速和溫度的反演方法，其特征在于，包括：
6.根據權利要求5所述的風速和溫度的反演方法，其特征在于，所述多普勒頻移與所述風速的關系滿足公式（1）：
【專利技術屬性】
技術研發人員：王沖，李雨蝶，楊淏程，楊可欣，于秉坤，薛向輝，陳廷娣，竇賢康，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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