CN101788674B - 高空大气瑞利散射风温探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空大气瑞利散射风温探测激光雷达，用于高空大气探测。该激光雷达由激光发射单元(1)、接收望远镜(2)、光纤(3)、鉴频单元(4)和数据采集与处理单元(5)组成。其中，发射激光的输出频率采用原子吸收稳频，鉴频单元采用同种原子的三个通道鉴频，分别获得回波光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，可同时得到大气的密度、温度和风场。本发明的优点在于：背景光抑制能力强，鉴频精度高，探测误差小，工作稳定可靠。

Description

高空大气瑞利散射风温探测激光雷达

技术领域：

本发明涉及激光雷达，尤其涉及高空大气探测激光雷达。

背景技术：

随着人类活动向空间的延伸，高空大气状况特别是风场对空间飞行器有较大影响。然而随着大气高度的增加，气溶胶逐渐减少，米(Mie)散射回波光逐渐减少，尺度较小的分子产生的瑞利散射回波光所占比重逐渐增多。这不仅使激光雷达回波减弱，而且由于分子原子动能的影响，回波光信号的频谱较发射激光的线宽有了很大的频谱展宽，增加了高空瑞利散射风场探测的难度。

文献“多普勒测风激光雷达研究进展”(大气与环境光学学报，2007，2(3)：161-168)对各种测风技术的探索作了较为全面的总结。利用瑞利散射机制的激光雷达测风方案主要有两种：一种是采用F-P标准具的双边缘鉴频技术，另一种是采用碘分子吸收的单边缘鉴频技术。

F-P标准具的双边缘鉴频技术(文献“瑞利散射测风激光雷达接收机的研究”红外与激光工程，2008，第37卷，增刊，120-124页)是将两个F-P标准具的透射峰分别设置于瑞利散射回波光谱的两个边缘，因回波光频谱会因为风速的变化而左右平移，使透过两个F-P标准具的光强发生变化，根据透过两个F-P标准具的光强差异确定风向和风速，这种技术具有较高的鉴频灵敏度，但F-P标准具价格昂贵，且对温度和机械振动较为敏感，环境变化带来的鉴频误差较大，影响了探测精度。

碘分子吸收边缘鉴频技术(文献“高光谱碘分子和双边缘多普勒测风激光雷达技术比较”中国海洋大学学报，2004，34(3)：489～49)是通过设置激光频率，使瑞利散射回波光谱的一个边缘置于碘分子吸收谱的边缘，当回波光谱因为风场的变化而左右平移的时候，透过碘分子吸收池的光强度会发生变化，根据变化的大小可以确定风向和风速，由于采用了谱线位置稳定的碘分子吸收光谱对回波光鉴频和对发射激光稳频，使得鉴频误差减小，提高了探测精度，但由于只能采用一个边缘检测，影响了鉴频灵敏度。

Wisconsin University利用高光谱分辨率激光雷达(文献“Demonstration of a high-spectral-resolution lidar based on aniodine absorption filter”Optics Letters，1994，19(3)：1)采用碘分子吸收滤波器鉴频，该激光雷达可以探测大气温度，但不能探测大气的风场。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种高空大气瑞利散射风温探测激光雷达。该激光雷达由激光发射单元、接收望远镜、光纤、鉴频单元和数据采集与处理单元组成。其中，发射激光的输出频率采用原子吸收稳频，鉴频单元采用与原子稳频单元同种原子的三个通道鉴频，分别获得回波光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，可同时得到大气的密度、温度和风场，探测误差小，工作稳定可靠。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、结构

高空大气瑞利散射风温探测激光雷达由激光发射单元、接收望远镜、光纤、鉴频单元和数据采集与处理单元组成。激光发射单元的激光输出方向与接收望远镜的轴线均与水平面垂直放置，光纤的接收端位于接收望远镜的焦点上且与接收望远镜同轴，输出端置于鉴频单元凸透镜的焦点上且与凸透镜同轴，鉴频单元三个光电倍增管的输出端分别连接到数据采集与处理单元的输入端。

其中，激光发射单元的结构为：激光器的放置使得激光的发射方向与水平面垂直，第一分光片置于激光器输出光路中且与光路呈45度角，在第一分光片的反射光路中依次放置第六原子泡和光电探测器，光电探测器的输出端连接到稳频控制器的输入端，稳频控制器的输出端连接到激光器的稳频控制端；

鉴频单元由凸透镜、滤光片、分光组件、左边带原子鉴频通道、右边带原子鉴频通道和中心带原子鉴频通道组成；凸透镜、滤光片与分光组件的第四偏振棱镜依次同轴排列，分光组件由第四偏振棱镜、第二分光片和反射镜组成，在第四偏振棱镜的透射光方向依次排列第二分光片和反射镜，第二分光片和反射镜与第四偏振棱镜的透射光方向呈45度角；在第四偏振棱镜的折射光方向正对折射光放置左边带原子鉴频通道，在第二分光片的反射光方向正对反射光放置右边带原子鉴频通道，在反射镜的反射光方向正对反射光放置中心带原子鉴频通道。

左边带原子鉴频通道的结构为：第一磁体、第一原子泡、第二磁体、第一偏振棱镜、第一1/4波片、第三磁体、第二原子泡、第四磁体和第一光电倍增管依次同轴排列；第一偏振棱镜的偏振方向与第四偏振棱镜折射光的偏振方向垂直；第一原子泡内装钠原子，置于圆筒型第一恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第一磁体、第二磁体呈圆环型，置于第一恒温筒的两端，在第一原子泡处产生200Gs的磁场，第一磁屏蔽筒包裹在第一磁体、第二磁体和第一恒温筒的外面；第二原子泡内装钠原子，置于圆筒型第二恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第三磁体、第四磁体呈圆环型，置于第二恒温筒的两端，在第二原子泡处产生200Gs的磁场，第二磁屏蔽筒包裹在第三磁体、第四磁体和第二恒温筒的外面，第一波片的晶轴方向与第一偏振棱镜的偏振方向呈正45度角；

右边带原子鉴频通道的结构与左边带原子鉴频通道的区别仅在于，第二偏振棱镜的偏振方向与第二分光片反射光的偏振方向垂直；第二1/4波片的晶轴方向与第二偏振棱镜的偏振方向呈负45度角；

中心带原子鉴频通道的结构为：第九磁体、第五原子泡、第十磁体、第三偏振棱镜和第三光电倍增管依次同轴排列；第三偏振棱镜的偏振方向与反射镜反射光的偏振方向垂直；第五原子泡内装钠原子，置于圆筒型第五恒温筒的中间，恒温温度为摄氏170度，第九磁体、第十磁体呈圆环型，置于第五恒温筒的两端，在第五原子泡处产生2200Gs的磁场，第五磁屏蔽筒包裹在第九磁体、第十磁体和第五恒温筒的外面。

2、原理

原子的能级跃迁频率是宇宙中较为稳定的参数，采用原子吸收稳频的方式，将激光雷达发射激光的频率稳定在原子吸收峰上，可以使发射激光的频率具有较高的稳定度。

发射激光到达高空(约10-80公里)时，遇到大气中的分子会发生瑞利散射，由于分子的运动，使瑞利散射光的光谱较发射激光的光谱有了展宽和平移，检测高空某一点瑞利散射回波光的光谱展宽和平移量，可推算出该点大气的温度和风场。

回波光鉴频单元也采用与激光发射单元相同的原子进行鉴频，同样利用原子能级跃迁频率具有高稳定性的特点，使得各鉴频曲线与发射激光光谱曲线之间具有稳定的频率位置关系，因此可更为精确地检测到瑞利回波光谱的展宽和平移量，使探测大气温度和风场的精度更高、稳定性更好。

原子处于磁场中会发生塞曼能级分裂，如果与原子能级波长共振的偏振光进入原子体系会发生法拉第旋光，利用这一原子物理机制，在原子体系两端放置正交的偏振棱镜，并给原子体系加上磁场，回波光的偏振方向在原子体系中旋转90度的奇数倍，可顺利通过正交的偏振棱镜，其它波长的光因不发生法拉第旋光而被正交的偏振棱镜抑制，达到超窄带原子滤光和鉴频目的。中心带原子鉴频通道的透射谱型呈两翼和中心透射的三峰形态，其中心透射峰覆盖回波光的整个光谱，所获信号强度为回波光谱的整体强度。

处于磁场中的原子体系，吸收红移的右旋光和蓝移的左旋光，而不吸收红移的左旋光和蓝移的右旋光，利用这一原子物理机制，让偏振的光信号经1/4波片发生左旋或右旋后，再进入加有磁场的原子体系，便将发生红移的右旋光和发生蓝移的左旋光吸收掉，而发生红移的左旋光和发生蓝移的右旋光可以顺利通过原子体系，这样可以实现对信号光谱左、右边带的选择。左、右边带原子鉴频通道的透射光谱都呈单翼形态，左边带原子鉴频通道透射峰位于回波光谱的左边缘，所获信号为回波光左边缘光谱的强度；右边带原子鉴频通道的透射峰位于回波光谱的右边缘，所获信号为回波光右边缘光谱的强度。

根据检测到的回波光谱左边缘、右边缘和全谱的强度可计算出高空大气的温度和风场。

本发明的优点在于：本发明的激光雷达采用了超窄带宽的原子滤光措施，透射光谱带宽窄，可有效抑制带外背景光的干扰，提高接收信号的信噪比；本发明的激光雷达采用三个鉴频通道，分别获得回波光谱的全谱、左边缘谱和右边缘谱的强度，由此可同时探测大气的密度、温度和风场；本发明的激光稳频基准和原子鉴频曲线建立在同种原子跃迁能级基础上，波长稳定无漂移，鉴频精度高，探测误差小，工作稳定可靠。

附图说明：

图1是高空大气瑞利散射风温探测激光雷达的结构示意图。

其中：1激光发射单元，2接收望远镜，3光纤，4鉴频单元，5数据采集与处理单元。

图2是激光发射单元的结构示意图。

其中：11激光器，12第一分光片，13第六原子泡，14光电探测器，15稳频控制器。

图3是鉴频单元的结构示意图。

其中：3光纤，4鉴频单元，41左边带原子鉴频通道，42右边带原子鉴频通道，43中心带原子鉴频通道，44凸透镜，45滤光片，46分光组件；

101第一磁屏蔽筒，102第一磁体，103第一恒温筒，104第一原子泡，105第二磁体，106第一偏振棱镜，107第一1/4波片，108第二磁屏蔽筒，109第三磁体，110第二恒温筒，111第二原子泡，112第四磁体，113第一光电倍增管，206第二偏振棱镜，207第二1/4波片，213第二光电倍增管，301第五磁屏蔽筒，302第九磁体，303第五恒温筒，304第五原子泡、305第十磁体，306第三偏振棱镜，313第三光电倍增管，461第四偏振棱镜，462第二分光片，463反射镜。

图4是激光器的原子吸收稳频原理图。

1101激光光谱曲线    1301原子吸收光谱曲线。

图5是原子鉴频的瑞利回波温度探测原理图。

其中：4111左边带原子鉴频曲线，2001瑞利回波光谱曲线，4211右边带原子鉴频曲线，4311中心带原子鉴频曲线。

图6是原子鉴频的瑞利回波风场探测原理图。

其中：4111左边带原子鉴频曲线，2001瑞利回波光谱曲线，4211右边带原子鉴频曲线，4311中心带原子鉴频曲线。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

1、结构

高空大气瑞利散射风温探测激光雷达由激光发射单元1、接收望远镜2、光纤3、鉴频单元4和数据采集与处理单元5组成。激光发射单元1的激光输出方向及接收望远镜2的轴线均与水平面垂直放置，光纤3的接收端位于接收望远镜2的焦点上且与接收望远镜2同轴，输出端置于鉴频单元4凸透镜44的焦点上且与凸透镜44同轴，鉴频单元4的三个光电倍增管113、213和313的输出端分别连接到数据采集与处理单元5的输入端。

其中，激光发射单元1的结构为：激光器11的放置使得激光的发射方向与水平面垂直，第一分光片12置于激光器11输出光路中且与光路呈45度角，在第一分光片12的反射光路中依次放置第六原子泡13和光电探测器14，光电探测器14的输出端连接到稳频控制器15的输入端，稳频控制器15的输出端连接到激光器11的稳频控制端；

鉴频单元4由凸透镜44、滤光片45、分光组件46、左边带原子鉴频通道41、右边带原子鉴频通道42和中心带原子鉴频通道43组成；凸透镜44、滤光片45与分光组件46的第四偏振棱镜461依次同轴排列，分光组件46由第四偏振棱镜461、第二分光片462和反射镜463组成，在第四偏振棱镜461的透射光方向依次排列第二分光片462和反射镜463，第二分光片462和反射镜463均与第四偏振棱镜461的透射光方向呈45度角；在第四偏振棱镜461的折射光方向正对折射光放置左边带原子鉴频通道41，在第二分光片462的反射光方向正对反射光放置右边带原子鉴频通道42，在反射镜463的反射光方向正对反射光放置中心带原子鉴频通道43。

左边带原子鉴频通道41的结构为：第一磁体102、第一原子泡104、第二磁体105、第一偏振棱镜106、第一1/4波片107、第三磁体109、第二原子泡111、第四磁体112和第一光电倍增管113依次同轴排列；第一偏振棱镜106的偏振方向与第四偏振棱镜461折射光的偏振方向垂直；第一原子泡104内装钠原子，置于圆筒型第一恒温筒103的中间，恒温温度为摄氏170度，第一磁体102、第二磁体105呈圆环型，置于第一恒温筒103的两端，在第一原子泡104处产生200Gs的磁场，第一磁屏蔽筒101包裹在第一磁体102、第二磁体105和第一恒温筒103的外面；第二原子泡111内装钠原子，置于圆筒型第二恒温筒110的中间，恒温温度为摄氏170度，第三磁体109、第四磁体112呈圆环型，置于第二恒温筒110的两端，在第二原子泡111处产生200Gs的磁场，第二磁屏蔽筒108包裹在第三磁体109、第四磁体112和第二恒温筒110的外面，第一波片107的晶轴方向与第一偏振棱镜106的偏振方向呈正45度角；

右边带原子鉴频通道42的结构与左边带原子鉴频通道41的区别仅在于，第二偏振棱镜206的偏振方向与第二分光片462反射光的偏振方向垂直；第二1/4波片207的晶轴方向与第二偏振棱镜206的偏振方向呈负45度角；

中心带原子鉴频通道43的结构为：第九磁体302、第五原子泡304、第十磁体305、第三偏振棱镜306和第三光电倍增管313依次同轴排列；第三偏振棱镜306的偏振方向与反射镜463反射光的偏振方向垂直；第五原子泡304内装钠原子，置于圆筒型第五恒温筒303的中间，恒温温度为摄氏170度，第九磁体302、第十磁体305呈圆环型，置于第五恒温筒303的两端，在第五原子泡304处产生2200Gs的磁场，第五磁屏蔽筒301包裹在第九磁体302、第十磁体305和第五恒温筒303的外面。

上述的各原子泡内可均装K原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏150度，左边带原子鉴频通道41和右边带原子鉴频通道42中的磁体在原子泡处产生150Gs的磁场，中心带原子鉴频通道43中的磁体在原子泡处产生1500Gs的磁场。

上述的各原子泡内可均装Li原子，各恒温筒的恒温温度均为摄氏300度，左边带原子鉴频通道41和右边带原子鉴频通道42中的磁体在原子泡处产生350Gs的磁场，中心带原子鉴频通道43中的磁体在原子泡处产生3500Gs的磁场。

2、原理

原子稳频激光发射：激光器11输出的激光经第一分光片12分为两束，透射光竖直向空中发射，反射光经第六原子泡13照射到光电探测器14上，第六原子泡13内装钠原子，光电探测器14上得到与图4所示钠原子吸收光谱曲线1301相关的电信号，输出到稳频控制器15，稳频控制器15以钠原子的吸收光谱曲线1301的峰值作为发射激光的稳频基准，输出误差驱动信号控制激光器11输出光的频率，使激光器11输出光谱曲线1101的中心峰值锁定在钠原子吸收曲线1301的峰值位置，从而实现激光频率的原子稳频锁定。其中，稳频控制器15根据光电探测器14得到的原子吸收光谱强度得到误差驱动信号的方法是本专业普通技术人员所已知的常识。

激光雷达回波接收：

瑞利回波光信号经接收望远镜2接收汇聚到光纤3中，经光纤3传送到鉴频单元4。

回波信号原子鉴频：

光纤3输出的回波光信号经凸透镜44转为平行光束，经滤光片45初步滤除干扰光后，再由分光组件46将回波光分配到各个通道：分光组件46的第四偏振棱镜461将回波光分为偏振方向相互垂直的两束光，其中折射光进入左边带原子鉴频通道41，透射光照射到第二分光片462，第二分光片462将回波光再分为两束，其中反射光进入右边带原子鉴频通道42，透射光经反光镜463进入中心带原子鉴频通道43。

左边带原子鉴频通道41的接收光谱曲线为图5所示的左边带原子鉴频曲线4111，所获信号的强度表示瑞利散射回波光谱左边缘的强度；右边带原子鉴频通道42的接收光谱曲线为图5所示的右边带原子鉴频曲线4211，所获信号强度表示瑞利散射回波光谱右边缘的强度；中心带原子鉴频通道43的接收光谱曲线为图5所示的中心带原子鉴频曲线4311，所获信号强度表示瑞利散射回波光谱的总强度，包含了大气的密度信息。

左边带原子鉴频曲线4111、右边带原子鉴频曲线4211和中心带原子鉴频曲线4311以及作为激光器11稳频基准的钠原子吸收曲线1301的形状，都是由各原子泡中钠原子的跃迁能级所决定的，因此上述各曲线的频率位置关系固定，对风温探测误差小，工作稳定可靠。

如图5所示，当高空某一点分子的温度由T1升高到T2时，其散射回的瑞利回波光谱的幅度减小、宽度增加、回波光总能量不变，这时，从该点散射回的瑞利回波光进入中心带原子鉴频通道43的光能量不变，第三光电倍增管313对该点探测的电信号强度I3不变；但从该点散射回的瑞利回波光进入左边带原子鉴频通道41和右边带原子鉴频通道42的光能量都会增大，第一光电倍增管113和第二光电倍增管213对该点探测的电信号强度I1和I2也都会增大。计算I1和I2之和与I3的比值得到该点的温度。

如图6所示，当高空某一点分子的群体速度由υ1升高到υ2时，其散射回的瑞利回波光谱的幅度不变、光谱向右平移、回波光总能量不变，这时，从该点散射的瑞利回波光进入中心带原子鉴频通道43的光能量不变，第三光电倍增管313对该点探测的电信号强度I3不变；但从该点散射的瑞利回波光进入左边带原子鉴频通道41的光能量减小，第一光电倍增管113对这一点探测的电信号强度I1减小；同时，从该点散射的瑞利回波光进入右边带原子鉴频通道42的光能量增大，第二光电倍增管213对该点探测的电信号强度I2会增大。计算I1和I2之差与I3的比值，绝对值的大小表示该点风速的大小，正负号表示该点风场的方向。

数据采集与处理：

数据采集与处理单元(5)对上述三个通道输出的三路信号I1、I2和I3进行数据采集，并处理计算获得大气的密度、温度和风场，其方法是本专业普通技术人员所已知的常识。

Claims (1)

1.高空大气瑞利散射风温探测激光雷达由激光发射单元(1)、接收望远镜(2)、光纤(3)、鉴频单元(4)和数据采集与处理单元(5)组成，其特征在于，激光发射单元(1)的激光输出方向及接收望远镜(2)的轴线均与水平面垂直放置，光纤(3)的接收端位于接收望远镜(2)的焦点上且与接收望远镜(2)同轴，输出端置于鉴频单元(4)凸透镜(44)的焦点上且与凸透镜(44)同轴，鉴频单元(4)的三个光电倍增管(113、213和313)的输出端分别连接到数据采集与处理单元(5)的输入端；

其中，激光发射单元(1)的结构为：激光器(11)的放置使得激光的发射方向与水平面垂直，第一分光片(12)置于激光器(11)输出光路中且与光路呈45度角，在第一分光片(12)的反射光路中依次放置第六原子泡(13)和光电探测器(14)，光电探测器(14)的输出端连接到稳频控制器(15)的输入端，稳频控制器(15)的输出端连接到激光器(11)的稳频控制端；

其中，鉴频单元(4)由凸透镜(44)、滤光片(45)、分光组件(46)、左边带原子鉴频通道(41)、右边带原子鉴频通道(42)和中心带原子鉴频通道(43)组成；凸透镜(44)、滤光片(45)与分光组件(46)的第四偏振棱镜(461)依次同轴排列，分光组件(46)由第四偏振棱镜(461)、第二分光片(462)和反射镜(463)组成，在第四偏振棱镜(461)的透射光方向依次排列第二分光片(462)和反射镜(463)，第二分光片(462)和反射镜(463)与第四偏振棱镜(461)的透射光方向呈45度角；在第四偏振棱镜(461)的折射光方向正对折射光放置左边带原子鉴频通道(41)，在第二分光片(462)的反射光方向正对反射光放置右边带原子鉴频通道(42)，在反射镜(463)的反射光方向正对反射光放置中心带原子鉴频通道(43)；

左边带原子鉴频通道(41)的结构为：第一磁体102)、第一原子泡(104)、第二磁体(105)、第一偏振棱镜(106)、第一1/4波片(107)、第三磁体(109)、第二原子泡(111)、第四磁体(112)和第一光电倍增管(113)依次同轴排列；第一偏振棱镜(106)的偏振方向与第四偏振棱镜(461)折射光的偏振方向垂直；第一原子泡(104)内装钾原子，置于圆筒型第一恒温筒(103)的中间，恒温温度为摄氏150度，第一磁体(102)、第二磁体(105)呈圆环型，置于第一恒温筒(103)的两端，在第一原子泡(104)处产生150Gs的磁场，第一磁屏蔽筒(101)包裹在第一磁体(102)、第二磁体(105)和第一恒温筒(103)的外面；第二原子泡(111)内装钾原子，置于圆筒型第二恒温筒(110)的中间，恒温温度为摄氏150度，第三磁体(109)、第四磁体(112)呈圆环型，置于第二恒温筒(110)的两端，在第二原子泡(111)处产生150Gs的磁场，第二磁屏蔽筒(108)包裹在第三磁体(109)、第四磁体(112)和第二恒温筒(110)的外面，第一1/4波片(107)的晶轴方向与第一偏振棱镜(106)的偏振方向呈正45度角；

右边带原子鉴频通道(42)的结构与左边带原子鉴频通道(41)的区别仅在于，第二偏振棱镜(206)的偏振方向与第二分光片(462)反射光的偏振方向垂直；第二1/4波片(207)的晶轴方向与第二偏振棱镜(206)的偏振方向呈负45度角；

中心带原子鉴频通道(43)的结构为：第九磁体(302)、第五原子泡(304)、第十磁体(305)、第三偏振棱镜(306)和第三光电倍增管(313)依次同轴排列；第三偏振棱镜(306)的偏振方向与反射镜(463)反射光的偏振方向垂直；第五原子泡(304)内装钾原子，置于圆筒型第五恒温筒(303)的中间，恒温温度为摄氏150度，第九磁体(302)、第十磁体(305)呈圆环型，置于第五恒温筒(303)的两端，在第五原子泡(304)处产生1500Gs的磁场，第五磁屏蔽筒(301)包裹在第九磁体(302)、第十磁体(305)和第五恒温筒(303)的外面。

Images