CN101369015A - 基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置 - Google Patents

Abstract

基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，属于大气探测技术领域。本发明的目的是解决现有角度调谐技术对于单标准具的两束入射光的小夹角控制不好的问题。本发明分光棱镜包括镀增透膜的入射面、镀半透半反膜的第一出射面、镀增透膜的第二出射面和镀全反膜的全反射面，入射光束沿预设最小偏向角经入射分光棱镜并分成两束光线，一光束经第一出射面折射出来的第一出射光束，另一光束经全反射面、第二出射面折射出第二出射光束，入射面与第二出射面平行设置，分光棱镜的两个顶角α和β满足设定的方程组。本发明装置结构简单，操作简单，易于控制，成本低，改进了现有角度调谐技术，将角度调谐精度提高1－2个数量级。

Description

基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置

技术领域

本发明涉及一种基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，属于大气探测技术领域。

背景技术

目前，直接探测多普勒测风激光雷达中主要使用条纹成像技术与边缘技术。条纹技术主要是通过探测干涉条纹的移动来获得多普勒频移，系统较为复杂，成本昂贵；边缘技术是利用已知透过率曲线的边带滤波器，将激光频率的变化转化为光强的变化，通过探测激光光强的变化就可以得到频率信息，进而利用多普勒频移原理测得速度，边缘技术主要分为单边缘与双边缘，双边缘技术相对于单边缘技术具有探测精度高且能有效滤除噪声的优点。

直接探测多普勒激光雷达利用双边缘技术进行测风时，为了提高测量灵敏度，初始激光频率一般都固定在两标准具透过率谱线的交叉处，且两标准具透过谱线中心间距固定。如果通过使用两块单独的标准具实现双边缘技术，会由于外界振动或温度的变化使激光相对于两标准具透射谱线的位置独立发生变化，这样会给初始工作点的校准带来很大麻烦，造成测量速度慢，精度低等后果。

如果将两标准具制作在同一底板上，通过镀膜使得有一定的厚度差，也可以实现双边缘技术，这样温度或振动尽管可以造成两标准具透射谱中心相对于激光中心频率位置发生变化，但由于它制作在同一底板上，所以两标准具透射谱中心会相对于激光中心频率同时向一个方向移动，这样校准起来就比较方便，能够快速锁定初始工作点，提高测量速度和精度，但是这么做有以下缺点，首先厚度差大约是几十个纳米，加工非常困难，且成本较高，其次膜层镀好后，厚度差也就固定，也即两标准具透射谱中心固定，不能再调节。

为了解决这些问题，我们提出利用角度调谐的方法，利用一块标准具，通过控制入射在标准具表面的角度，以及两束光的夹角就可以来实现双边缘技术。这种方法的好处就是只需要一块标准具，且两透射谱线中心间距可调，但难点就是两束光的夹角很小，一般在1-2毫弧度，调谐其角度时，一般要求每次转动0.1毫弧度左右，难以调整，现有的角度调谐技术中没能很好的解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有角度调谐技术对于单标准具的两束入射光的小夹角难以调整的问题，提供了一种基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置。

本发明包括分光棱镜，分光棱镜包括镀增透膜的入射面、镀半透半反膜的第一出射面、镀增透膜的第二出射面和镀全反膜的全反射面，入射光束沿预设最小偏向角经入射面入射至第一出射面并分成两束光线，所述两束光线为经第一出射面折射出来的第一出射光束和经第一出射面反射的半反射光束，所述半反射光束入射至全反射面，并经全反射面反射至第二出射面，然后折射出第二出射光束，入射面与第二出射面平行设置，入射面与第一出射面之间的夹角和第二出射面与全反射面之间的夹角满足方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{\α}-\arcsin \left[n(2\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right)-\mathrm{\α})\right]-\arcsin \left[n\sin (\mathrm{\α}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right))\right]\\ \mathrm{\β}=\frac{1}{2}[\mathrm{\α}+\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right)]\end{array}\right.$

其中：n为分光棱镜的折射率，

Δθ为入射光束工作于最小偏向角时第一出射光束与第二出射光束的夹角，由公式 $\mathrm{\Δ\θ}=\arccos \left(\frac{2{\mathrm{\λ}}_L-\mathrm{spacing}}{2{\mathrm{\λ}}_L+\mathrm{spacing}}\right)$ 得出，式中λ_L为入射光束的波长，spacing为双边缘间距。

本发明的优点是：

1、改进了现有角度调谐技术，将角度调谐精度提高1—2个数量级；

2、使用一块标准具，简化了装置、降低了成本；

3、操作简单、易于控制。

附图说明

图1是本发明装置的立体结构示意图，图2是分光棱镜与F-B标准具的连接示意图，图3是角度调谐双边缘原理图，图4是出射光束夹角与入射角的关系示意图，图5是出射光束夹角与入射角及分光棱镜折射率之间的关系示意图，图6为本发明切去顶角后的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2、图3说明本实施方式，本实施方式包括分光棱镜1，分光棱镜1包括镀增透膜的入射面1-1、镀半透半反膜的第一出射面1-2、镀增透膜的第二出射面1-3和镀全反膜的全反射面1-4，入射光束L₁沿预设最小偏向角经入射面1-1入射至第一出射面1-2并分成两束光线，所述两束光线为经第一出射面1-2折射出来的第一出射光束L₂和经第一出射面1-2反射的半反射光束L₄，所述半反射光束L₄入射至全反射面1-4，并经全反射面1-4反射至第二出射面1-3，然后折射出第二出射光束L₃，入射面1-1与第二出射面1-3平行设置，入射面1-1与第一出射面1-2之间的夹角α和第二出射面1-3与全反射面1-4之间的夹角β满足方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{\α}-\arcsin \left[n(2\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right)-\mathrm{\α})\right]-\arcsin \left[n\sin (\mathrm{\α}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right))\right]\\ \mathrm{\β}=\frac{1}{2}[\mathrm{\α}+\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{n}\right)]\end{array}\right.$

其中：n为分光棱镜1的折射率，

Δθ为入射光束L₁工作于最小偏向角时第一出射光束L₂与第二出射光束L₃的夹角，由公式 $\mathrm{\Δ\θ}=\arccos \left(\frac{2{\mathrm{\λ}}_L-\mathrm{spacing}}{2{\mathrm{\λ}}_L+\mathrm{spacing}}\right)$ 得出，式中λ_L为入射光束L₁的波长，spacing为双边缘间距。

双边缘间距spacing和半高全宽FWHM是由测量误差

要求决定的。参考文献Matthew J.McGill，James D.Spinhirne，Comparison of twodirect-detection Doppler lidar techniques，Opt.Eng.37(10)2675-2686(October1998).可得式(1)和式(2)。

$N_{\mathrm{DEDG}}=k{T}_{\mathrm{BS}}{Q}_E\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin c\left(\frac{n}{F_A}\right)\×\exp (-{\mathrm{\π}}^2{n}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_L^2/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}^2)$

$\×[\mathrm{\α}+\mathrm{\ωexp}(-{\mathrm{\π}}^2{n}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_M^2/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}^2)]\×\cos \left[2\mathrm{\πn}(\±\frac{\mathrm{\δ}}{2F_{\mathrm{eff}}}-\frac{2U_H{\mathrm{\λ}}_L\sin \mathrm{\φ}}{\mathrm{c\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}})\right]---\left(1\right)$

式(1)中：N_DEDG为探测通道的接受光子数，k是仪器常数，T_BS是分光器的分光比，Q_E探测器的量子效率，c是光速，F_A孔径精细度，Δλ_L是激光脉宽，Δλ_FSR是标准具自由光谱区，Δλ_M是分子展宽，λ_L是激光的波长，U_H是水平风速，φ是激光雷达的天顶角，F_eff是标准具的有效精细度，α和ω分别是其溶胶探测因子和分子探测因子。

其中标准具半高全宽的整数倍 $\mathrm{\δ}=\frac{2({\mathrm{\λ}}_L-{\mathrm{\λ}}_c)}{\mathrm{FWHM}}=\frac{\mathrm{Spacing}}{\mathrm{FWHM}},$ 其中λ_c为标准具中心谱线的波长。

${\mathrm{\σ}}_{U_H}={\left(\frac{c^2}{4{{\mathrm{\λ}}_L}^2{\sin }^2\mathrm{\φ}\{{\mathrm{SNR}}_1^2{\left[\frac{1}{N_1}\frac{\∂N_1}{\∂{\mathrm{\λ}}_L}\right]}^2+{\mathrm{SNR}}_2^2{\left[\frac{1}{N_2}\frac{\∂N_2}{\∂{\mathrm{\λ}}_L}\right]}^2\}}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

式(2)中：是测风误差，c是光速，SNR₁和SNR₂分别是第一探测通道和第二探测通道的信噪比，N₁和N₂分别是第一探测通道和第二探测通道的接受光子数，λ_L是激光波长。

利用式(1)求出第一探测通道和第二探测通道的接受光子数并代入式(2)，即可以得到测风误差

与标准具间距spacing和半高全宽FWHM的关系式，简化为如式(3)所示。

${\mathrm{\σ}}_{U_H}=f(\mathrm{spacing},\mathrm{FWHM})---\left(3\right)$

由此可根据测风误差

要求，确定双边缘间距spacing和半高全宽FWHM，根据求得的双边缘间距spacing求出入射光束L₁工作于最小偏向角时第一出射光束L₂与第二出射光束L₃的夹角Δθ，继而根据所述方程组求出入射面1-1与第一出射面1-2之间的夹角α和第二出射面1-3与全反射面1-4之间的夹角β。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于分光棱镜1采用光学玻璃，如K9玻璃、石英光学玻璃等，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于预设最小偏向角在最小偏向角±0.1rad范围内，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式四：下面结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于入射面1-1、第一出射面1-2、第二出射面1-3和全反射面1-4镀的膜与入射光束L₁的波长λ_L相匹配，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

参照图2给出一个具体的实施例说明本发明的工作原理。本发明的主要目的是完成对第一出射光束L₂与第二出射光束L₃之间的夹角的调谐，因为第一出射光束L₂与第二出射光束L₃之间的夹角很小，一般在1-2毫弧度，调谐其夹角时，一般要求每次转动0.1毫弧度左右，很不容易控制，因此，本发明采用特殊设计的分光棱镜1，通过调节其入射光束L₁沿最小偏向角附近入射来控制两条出射光束的夹角(即改变入射角i，让其在最小偏向角附近±0.1rad范围变化)，调节入射光束L₁的入射角可能通过旋转分光棱镜1来实现，两条出射光束通过一个F-B标准具2就能实现双边缘曲线控制。能使两边带的双边缘间距Spacing以及与入射光束L₁的相对位置都起到调制作用，配合F-B标准具2的旋转可以在提高双边缘间距Spacing的调节精度的同时，实现F-B标准具2透过率曲线中心与激光频谱中心的任意相对位置的改变。

如图1所示，分光棱镜1的厚度d(也就是分光棱镜1上下顶面之间距离)要大于入射光束L₁的直径。

设定入射光束的激光波长λ_L为1064nm，则在入射面1-1和第二出射面1-3上镀波长为1064nm激光的增透膜，在第一出射面1-2上镀波长为1064nm激光的半反半透膜，在全反射面1-4上镀波长为1064nm激光的全反膜。

分光棱镜1的材质选用K9玻璃，其折射率n＝1.50，则第一出射光束L₂与第二出射光束L₃的夹角<L₃，L₂>与入射角之间的关系如图4所示。分光棱镜1工作于最小偏向角附近，即图4中的B点附近两条出射光束的直径与发散角就不会发生改变，当分光棱镜1工作于B点附近±0.1rad时，入射光束L₁角度改变时，两条出射光线的夹角<L₃，L₂>作微小变化，此实施例中α＝0.31rad，变化系数小于0.02，即角度调谐精度约为50倍。

两条出射光束的夹角<L₃，L₂>与分光棱镜的折射率n及入射角i之间的关系如图5所示，并用式(4)表示：

$<L_3,L_2>=\mathrm{\&alpha;}-\arcsin \left\{n\sin [\mathrm{\&alpha;}-\arcsin \left(\frac{\sin i}{n}\right)]\right\}-\arcsin \left\{n\sin [2\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{\&alpha;}+\arcsin \left(\frac{\sin i}{n}\right)]\right\}$

在实际应用中，分光棱镜1的上下顶面不抛光，不用镀膜，只要透光性不强即可，这样能减少光损失。因为分光棱镜1的两个顶角α和β往往比较小，造成分光棱镜1的形状狭长，故加工时将这两个顶角沿分光棱镜1的厚度方向切去，如图6所示。

Claims (5)

1.基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，其特征在于它包括分光棱镜(1)，分光棱镜(1)包括镀增透膜的入射面(1-1)、镀半透半反膜的第一出射面(1-2)、镀增透膜的第二出射面(1-3)和镀全反膜的全反射面(1-4)，入射光束(L₁)沿预设最小偏向角经入射面(1-1)入射至第一出射面(1-2)并分成两束光线，所述两束光线为经第一出射面(1-2)折射出来的第一出射光束(L₂)和经第一出射面(1-2)反射的半反射光束(L₄)，所述半反射光束(L₄)入射至全反射面(1-4)，并经全反射面(1-4)反射至第二出射面(1-3)，然后折射出第二出射光束(L₃)，入射面(1-1)与第二出射面(1-3)平行设置，入射面(1-1)与第一出射面(1-2)之间的夹角(α)和第二出射面(1-3)与全反射面(1-4)之间的夹角(β)满足方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}-\arcsin \left[n(2\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{n}\right)-\mathrm{\&alpha;})\right]-\arcsin \left[n\sin (\mathrm{\&alpha;}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{n}\right))\right]\\ \mathrm{\&beta;}=\frac{1}{2}[\mathrm{\&alpha;}+\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{n}\right)]\end{array}\right.$

其中：n为分光棱镜(1)的折射率，

Δθ为入射光束(L₁)工作于最小偏向角时第一出射光束(L₂)与第二出射光束(L₃)的夹角，由公式 $\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\arccos \left(\frac{{2\mathrm{\&lambda;}}_L-\mathrm{spacing}}{{2\mathrm{\&lambda;}}_L+\mathrm{spacing}}\right)$ 得出，式中λ_L为入射光束(L₁)的波长，spacing为双边缘间距。

2.根据权利要求1所述的基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，其特征在于分光棱镜(1)采用光学玻璃。

3.根据权利要求1所述的基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，其特征在于预设最小偏向角在最小偏向角±0.1rad范围内。

4.根据权利要求1所述的基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，其特征在于入射面(1-1)、第一出射面(1-2)、第二出射面(1-3)和全反射面(1-4)镀的膜与入射光束(L₁)的波长λ_L相匹配。

5.根据权利要求1所述的基于双边缘检测的测风激光雷达的分光装置，其特征在于分光棱镜(1)上下顶面之间的距离d大于入射光束(L₁)的直径。

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