一种分子散射相干激光雷达系统
阅读：338发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种分子散射相干激光雷达系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供了一种分子散射相干 激光雷达 系统，该分子散射相干激光雷达系统，采用相干探测的方式，检测到大气后向散射 信号 中的分子散射谱线，通过对分子散射谱线进行处理，即可实现对 风 速和 温度 的同时测量。，下面是一种分子散射相干激光雷达系统专利的具体信息内容。
1.一种分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述分子散射相干激光雷达系统包括：
光纤种子激光器、保偏光纤分束器、声光调制器、主激光器、扩束镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、耦合透镜、光纤调整架、光纤耦合器、平衡光电探测器、放大模块、模数转换数据采集装置和扩束望远镜；
其中，所述光纤种子激光器用于输出单纵模连续光；
所述保偏光纤分束器用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照预设比例分成种子光和本振光；
所述声光调制器用于对所述种子光进行频移；
所述主激光器用于输出脉冲光；
所述扩束镜用于将所述脉冲光进行扩束且压缩发散角；
所述偏振分光棱镜和四分之一波片组成光学收发开关，只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发生反射作用；
所述四份之一波片用于调整发射激光和大气后向散射光的偏振态；
所述耦合透镜用于将所述大气后散射光耦合至所述光钎耦合器；
所述光纤耦合器接收所述大气后散射光和所述本振光，并将二者耦合至所述平衡光电探测器；
所述平衡光电探测器用于将所述大气后散射光和所述本振光混合后的拍频信号转化为电信号；
所述放大模块用于放大所述电信号；
所述模数转换数据采集装置用于将放大后的电信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述光纤种子激光器用于输出1064nm波长的单纵模连续光。
3.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述光纤分束器用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照1比99的比例将所述单纵模连续光分成本振光和种子光；
其中，99％的光作为种子光，1％的光作为本振光。
4.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述声光调制器为全光纤式移频元件，频移量为1GHz。
5.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述主激光器为种子注入式二极管泵浦的Nd:YAG激光器。
6.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述放大模块包括：低噪声前置放大器和低噪声放大器；
其中，所述电信号依次经过所述低噪声前置放大器和所述低噪声放大器，以放大所述电信号。
7.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述扩束望远镜为离轴反射式扩束望远镜；
其中，所述扩束望远镜的反射面上镀有高反介质膜。
8.根据权利要求1所述的分子散射相干激光雷达系统，其特征在于，所述扩束望远镜包括：主镜和次镜。
一种分子散射相干激光雷达系统
技术领域
[0001] 本发明涉激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种分子散射相干激光雷达系统。
背景技术
[0003] 其中，直接探测利用大气分子或气溶胶的弹性散射，通过分子吸收或采用高精度窄带鉴频器将多普勒频率变化转化为强度变化，再通过检测强度变化计算得到多普勒频移；相干探测采用气溶胶粒子的后向散射光与一个连续的本振光进行拍频，通过检测拍频信号可以直接得到多普勒频移。
[0004] 但是，由于大气中的气溶胶成分主要分布在边界层等较低的高度范围内，相干多普勒激光雷达的探测高度受到一定限制。而分子散射和窄带的米散射信号相比，由热运动引起的瑞利散射的谱宽较宽，如果应用在相干探测中，会给信号的拍频和检测带来一定的难度。
[0005] 对于大气温度的探测，目前常用的激光雷达技术主要有转动Raman技术、积分技术和共振荧光技术等，其中，转动Raman技术利用了温度和转动Raman线强度之间的依赖关系来反演温度；积分技术是通过计算分子数密度，再计算出大气温度；共振荧光技术是利用温度对金属原子共振荧光的多普勒展宽来反演温度的。另外，差分吸收技术和布里渊-多普勒技术，也都是通过分子散射信号的强度或多普勒展宽效应来测量温度的，而不是直接检测分子散射信号的谱宽。
[0006] 目前，能够实现风速和温度同时测量的激光雷达系统较少，并且，并没有通过直接测量分子散射谱线来同时测风速和测温度的激光雷达系统的相关报道。
发明内容
[0007] 有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种分子散射相干激光雷达系统，技术方案如下：
[0008] 一种分子散射相干激光雷达系统，所述分子散射相干激光雷达系统包括：
[0010] 其中，所述光纤种子激光器用于输出单纵模连续光；
[0011] 所述光纤分束器用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照预设比例分成种子光和本振光；
[0012] 所述声光调制器用于对所述种子光进行频移；
[0013] 所述主激光器用于输出脉冲光；
[0014] 所述扩束镜用于将所述脉冲光进行扩束且压缩发散角；
[0015] 所述耦合透镜用于将所述大气后散射光耦合至所述光钎耦合器；
[0017] 所述四份之一波片用于调整发射激光和大气后向散射光的偏振态；
[0018] 所述光纤耦合器接收所述大气后散射光和所述本振光，并将二者耦合至所述平衡光电探测器；
[0019] 所述平衡光电探测器用于将所述大气后散射光和所述本振光混合后的拍频信号转化为电信号；
[0020] 所述放大模块用于放大所述电信号；
[0021] 所述模数转换数据采集装置用于将放大后的电信号转换为数字信号。
[0023] 优选的，在上述分子散射相干激光雷达系统中，所述光纤分束器用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照1比99的比例将所述单纵模连续光分成本振光和种子光；
[0024] 其中，99％的光作为种子光，1％的光作为本振光。
[0025] 优选的，在上述分子散射相干激光雷达系统中，所述声光调制器为全光纤式移频元件，频移量为1GHz。
[0028] 其中，所述电信号依次经过所述低噪声前置放大器和所述低噪声放大器，以放大所述电信号。
[0029] 优选的，在上述分子散射相干激光雷达系统中，所述扩束望远镜为离轴反射式扩束望远镜；
[0031] 优选的，在上述分子散射相干激光雷达系统中，所述扩束望远镜包括：主镜和次镜。
[0032] 相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0035] 图1为本发明实施例提供的一种分子散射相干激光雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0038] 参考图1，图1为本发明实施例提供的一种分子散射相干激光雷达系统的结构示意图。
[0039] 所述分子散射相干激光雷达系统包括：
[0040] 光纤种子激光器1、保偏光纤分束器2、声光调制器3、主激光器4、扩束镜5、偏振分光棱镜6、四分之一波片7、耦合透镜8、光纤调整架9、光纤耦合器10、平衡光电探测器11、放大模块12、模数转换数据采集装置15和扩束望远镜18；
[0041] 其中，所述光纤种子激光器1用于输出单纵模连续光；
[0042] 所述保偏光纤分束器2用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照预设比例分成种子光和本振光；
[0043] 所述声光调制器3用于对所述种子光进行频移；
[0044] 所述主激光器4用于输出脉冲光；
[0045] 所述扩束镜5用于将所述脉冲光进行扩束且压缩发散角；
[0046] 所述偏振分光棱镜6和四分之一波片7组成光学收发开关，只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发生反射作用；
[0047] 所述四份之一波片7用于调整发射激光和大气后向散射光的偏振态；
[0048] 所述耦合透镜8用于将所述大气后散射光耦合至所述光钎耦合器；
[0049] 所述光纤耦合器10接收所述大气后散射光和所述本振光，并将二者耦合至所述平衡光电探测器；
[0050] 所述平衡光电探测器11用于将所述大气后散射光和所述本振光混合后的拍频信号转化为电信号；
[0051] 所述放大模块12用于放大所述电信号；
[0052] 所述模数转换数据采集装置15用于将放大后的电信号转换为数字信号。
[0053] 在该实施例中，采用相干探测的方式，检测到大气后散射光的分子散射谱线，通过对分子散射谱线进行处理，即可实现对风速和温度的同时测量。
[0054] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述光纤种子激光器1用于输出1064nm波长的单纵模连续光。
[0056] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述主激光器4为种子注入式二极管泵浦的Nd:YAG激光器。
[0057] 在该实施例中，所述主激光器用于输出1064nm波长的脉冲光。相干激光雷达系统通常工作在近红外波段(1μm、1.5μm-1.6μm或2μm)，由于长波段更容易实现光学的相干拍频，相干雷达通常采用1μm以上的长波。
[0059] 相比于1.5μm或2μm波段，1064nm波长的光纤激光器能提供更高的输出功率和单脉冲能量，另外，由于分子散射强度和波长的四次方成反比，1064nm波长的分子后向散射强度更强。
[0060] 在本申请中，分子散射相干激光雷达系统的检测对象为分子散射谱，激光波长为1064nm，分子散射谱的主要成分为瑞利散射，其大气后向散射谱的半高全宽(FWHM)满足以下公式：
[0061]
[0062] 其中，Δv为大气后向散射谱半高全宽；k为玻尔兹曼常数；T为大气温度；λ为激光波长；m为单个空气分子的平均质量。
[0063] 通过计算可知，大气后向散射谱的半高全宽为1.2GHz，远大于气溶胶散射的带宽。
[0064] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述保偏光纤分束器2为1×2保偏光纤分束器，其用于在保证所述单纵模连续光偏振态不变的情况下，按照1比99的比例将所述单纵模连续光分成本振光和种子光；其中，99％的光作为种子光，1％的光作为本振光。
[0065] 其中，种子光用于进入所述声光调制器进行频移，频移光注入所述主激光器产生激光脉冲。
[0066] 本振光用于与大气后向散射光混合，产生拍频信号。
[0067] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述声光调制器3为全光纤式移频元件，用于对种子光进行频移，以便在测风应用中确定风速方向。
[0068] 其中，由于待检测的分子散射谱的带宽要求很宽，因此，设计所述声光调制器的频移量为1GHz。
[0069] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述扩束镜5用于将主激光器输出的脉冲光进行扩束处理，同时压缩器发散角，在扩束准直后输出至所述偏振分光棱镜。
[0070] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述偏振分光棱镜6和所述四分之一波片7组成光学收发开关。只允许p偏振光透过，s偏振光在分光表面进行反射。
[0071] 四分之一波片7用于调整出射激光和大气后向散射光的偏振态。
[0072] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述光纤耦合器10为2×2保偏光纤耦合器。
[0073] 其中，所述光纤耦合器接收所述大气后散射光和所述本振光，并将二者耦合至所述平衡光电探测器，在平衡光电探测器表面拍频后进行信号探测，保证传输光的偏振态不变。
[0074] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述平衡光电探测器11用于将所述大气后散射光和所述本振光混合后的拍频信号转化为电信号。
[0075] 其中，采用平衡探测的方式能够消除本振光的额外强度噪声，加强中频信号，提高信噪比。并且，能将光纤输出光能全部接收，充分利用本振光功率。
[0077] 1064nm波长对应的瑞利散射谱的半高全宽约为1.2GHz，在综合考虑声光调制器的频移量和风速测量范围对应的多普勒频移，最终设计平衡探测器的带宽为5GHz。
[0078] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述放大模块12包括：低噪声前置放大器13和低噪声放大器14；
[0079] 其中，所述电信号依次经过所述低噪声前置放大器和所述低噪声放大器，以放大所述电信号。
[0080] 在该实施例中，利用相干探测系统得到的分子散射谱信号的带宽很宽，而且信号非常微弱，极有可能会淹没在噪声中，为了能够观测到完整信号以进一步有效提取频谱信号，在本申请中的低噪声前置放大器和低噪声放大器具有低噪声、工作频率范围宽和功率增益稿的特点。
[0081] 其中，所述低噪声前置放大器的功率增益为40dB，工作频率范围为10kHz-2GHz。
[0082] 所述低噪声放大器的功率增益为27dB，工作频率范围为50MHz-5GHz。
[0083] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述模数转换数据采集装置15用于将放大后的模电信号转化为数字信号。
[0084] 其中，模数转换数据采集装置的模拟带宽大于采样信号的最高频率，再根据奈奎斯特采样定理确定采用频率。
[0085] 模数转换数据采集装置的采样频率为10GHz。
[0086] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述扩束望远镜18为离轴反射式扩束望远镜；其中，所述扩束望远镜的反射面上镀有高反介质膜。
[0087] 所述扩束望远镜18包括：主镜17和次镜16，有效口径为150mm，用于将输出光扩束准直后发射进大气中，并接收大气后向散射信号。
[0088] 基于本发明上述全部实施例，下面对分子散射相干激光雷达系统的工作原理和流程，以举例的形式进行说明。
[0089] 如图1所示，光纤种子激光器发射波长为1064nm的连续线偏光，由1×2保偏光纤分束器按照1比99的比例分成两束光。
[0090] 其中，小部分连续光作为本振光，从1×2保偏光纤分束器的b端口导出，从2×2保偏光纤耦合器的d端口进入2×2保偏光纤耦合器，和大气后向散射光信号拍频后由2×2保偏光纤耦合器按1比1的比例分束进入平衡光电探测器进行信号探测
[0091] 大部分连续光作为种子光，从1×2保偏光纤分束器的a端口进入声光调制器进行频移，频移量为1GHz，频移后的种子光入射至主激光器，以输出波长为1064的脉冲光。
[0092] 主激光器输出的脉冲光经过扩束镜进行扩束，同时压缩发散角，扩束准直后的脉冲光导入偏振分光棱镜。
[0093] 偏振分光棱镜的安装方向需使主激光器发射的线偏振光发生投射，透射光被导入四分之一波片，经过四分之一波片后变为圆偏振光，之后进入扩束望远镜。
[0094] 扩束望远镜采用离轴反射式扩束望远镜，由次镜和主镜组成，其均为抛物面反射镜，在其反射面均镀有高反介质膜，反射率≥99.5％。
[0095] 传输光入射至次镜发送反射后再入射至主镜，主镜对光束进行准直和扩束处理，扩束后的平行光进入大气，与大气相互作用产生大气后向散射光。
[0096] 大气后向散射光经过相同的光路由扩束望远镜采集，之后经过四分之一波片由圆偏振光变成线偏振光，偏振方向与主激光器出射激光的偏振方向成90°，从而在经过偏振分光棱镜时发生反射。
[0097] 平行的反射光入射至耦合透镜中被汇聚，经过2×2保偏光纤耦合器的c端口耦合进入2×2保偏光纤耦合器。
[0098] 其中，光纤调整架用于调整光纤头的位置，以将大气后向散射光全部耦合至2×2保偏光纤耦合器。
[0099] 大气后向散射光与本振光在2×2保偏光纤耦合器中混合，混合信号按照1比1的比例分成两束进入平衡光电探测器，在平衡光电探测器表面拍频后进行信号检测。
[0100] 平衡光电探测器输出的电信号进入放大模块进入信号放大，先经过低噪声前置放大器放大，功率增益为40dB，输出信号再经过低噪声放大器放大，功率增益为27dB。
[0101] 被充分放大的信号由模数转换数据采集装置采集，将连续的模拟电信号转化为离散的数字信号，采样频率为10GHz。
[0103] 通过上述描述可知，本申请提供的一种分子散射相干激光雷达系统利用相干探测的方式检测分子散射谱在测风和测温激光雷达领域是一项全新的检测技术，国内外目前并没有相关报道。
[0105] 由于检测对象为宽谱的分子散射，不同于传统相干探测的窄带气溶胶散射的测量，分子散射分布范围更广，检测高度范围不再局限于边界层等底层大气。
[0106] 并且，考虑到分子散射谱的带宽很大，因此，平衡光电探测器、放大模块和模数转换数据采集装置的宽度均大于2GHz，可以使实现宽谱信号的测量。
[0107] 以及，考虑到相干探测系统检测得到的分子散射信号非常微弱，设计由低噪声前置放大器和低噪声放大器组成的二级放大模块，在抑制噪声的同时，功率增益也很高，实现了微弱信号的检测和提取。
[0108] 以上对本发明所提供的一种分子散射相干激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0109] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0110] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0111] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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