CN103499814B - 一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，该系统包括：发射系统、前置光学系统、鉴频系统、控制系统，发射系统主要是一个Nd：YAG激光器，前置光学系统主要包括一个窄带滤光片、一个积分球、多模光纤、一个光纤分束器和一个准直透镜，鉴频系统主要包括一个Fabry-Perot标准具、会聚透镜、多模光纤和两个探测器。控制系统由控制计算机、高速数据采集卡以及标准具控制器组成。在锁定的过程中，在鉴频器的前置光学里引入积分球，一方面可以将激光脉冲在时域上展宽，另一方面保证了耦合到多模光纤里的光斑均匀性。二者确保了激光脉冲在鉴频器上透过率测量的精确性，进而提高了多普勒激光雷达的频率锁定精度。

Description

一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统

技术领域

本发明涉及光学、激光遥感的技术领域，具体涉及一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统。

背景技术

多普勒激光雷达是目前广泛用于中高层大气风场观测的测量系统。它以其探测精度高、时间空间分辨率小、能够实现三维风场实时观测等诸多优点，成为中高层大气风场观测必不可少的测量手段。

多普勒激光雷达在工作原理上，是通过差分测量发射激光脉冲和接收回波信号之间的频率来反演风速的。因此，发射激光脉冲频率的确定将直接影响到激光雷达系统的测量精度。发射激光脉冲频率的确定是通过锁定的过程来实现的。锁定采用的鉴频器大多数是Fabry-Perot标准具。Fabry-Perot标准具主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板组成，两板的内表面镀反射膜。

以现有的技术，从激光器发出的激光脉冲都是经过空间光学或者光纤耦合的方式导入到标准具的。由于远场衍射，通过空间光学的方式无法保证其导入到标准具表面光斑的均匀性；而对于光纤耦合的方式，如果没有合适的前置光学，也很难保证入射到标准具表面的光斑是均匀分布的。因此，无论哪种方式都会导致不可避免的透过率测量误差。另外，由于激光脉冲的持续时间很短，通常只有几个纳秒。想在这么短的时间内对激光脉冲进行精确测量，需要非常短的探测器的响应时间和非常高的采集卡采样率，随之设备的成本也会很高。

发明目的

本发明公开了一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，在锁定的过程中，在鉴频器的前置光学里引入积分球，一方面可以将激光脉冲在时域上展宽，另一方面保证了耦合到多模光纤里的光斑均匀性。二者确保了激光脉冲在鉴频器上透过率测量的精确性，从而提高了多普勒激光雷达的频率锁定精度。

本发明采用的技术方案为：一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，该系统包括：发射系统、前置光学系统、鉴频系统和控制系统；发射系统主要是一个Nd：YAG激光器；前置光学系统主要包括一个窄带滤光片、一个积分球、第一多模光纤、一个光纤分束器和一个准直透镜；鉴频系统主要包括一个Fabry-Perot标准具、会聚透镜、第二多模光纤和两个探测器；控制系统由控制计算机、高速数据采集卡以及标准具控制器组成；由Nd：YAG激光器产生的光束经窄带滤光片滤掉背景光后进入积分球，在积分球内多次漫反射后形成均匀光，进入第一多模光纤，第一多模光纤内的光被光纤分束器分成两束，其中一束经准直透镜变成平行光入射到标准具表面，透过标准具的光经另一会聚透镜会聚至第一探测器进行光强检测；另一束则直接经第二多模光纤导入第二探测器进行光强检测，在此过程中，标准具控制器控制标准具调整其腔长，而高速采集卡则不断采集两个探测器探测到的信号，并将其送至控制计算机进行透过率计算，透过率计算采用面积积分的方式，即将用高速数据采集卡采集到的脉冲波形进行面积积分，取通过Fabry-Perot标准具的脉冲波形面积积分和直接进入探测器进行光强检测的脉冲波形面积积分之比，作为信号通过标准具的透过率，根据标准具透过率和频率的关系式 $H\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\π\θ}}_0^2}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}d\mathrm{\φ}\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_0}{\∫}}{T}_{pe}{\[1+\frac{4{F_e}^2}{{\mathrm{\π}}^2}{\sin }^2(\mathrm{\π}\mathrm{\ν}cos\mathrm{\θ}/{\mathrm{\ν}}_{FSR})\]}^{-1}\·sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(3\right)$ 反演得到频率，式中，为有效精细度，R_e为有效反射率，T_pe为峰值透过率，θ₀为入射光的发散角，ν_FSR为标准具透过率函数的自由谱间隔，然后根据标准具腔长和频率的关系调整标准具控制器重新定位标准具的位置，其中v是要锁定的发射频率，Δv是激光频率相对于锁定频率的偏移量，l是标准具的腔长，Δl是锁定过程中标准具腔长的变化量，进行下一次的锁定过程，至此，整个高精度多普勒激光雷达频率锁定系统建立。

进一步的，所述的窄带滤光片为半带宽为0.15nm的窄带滤光片，所述的积分球为直径为25cm的积分球，光纤分束器为分束比为20/80的光纤分束器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明操作简单、易于实现且工程造价成本低。

2)本发明提出的高精度频率锁定系统可以极大地降低光斑不均匀对发射激光频率测量精度的影响，提高了测量精度。

3)本发明积分球的使用，使得激光脉冲在时域上得以展宽，高速数据采集卡则确保了信号采集的真实性，极大地提高了透过率测量的精确性。

附图说明

图1为积分球对激光脉冲的展宽；

图2为总体框图示意图；

图3为总体装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施实例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明设计了一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统。本系统共分为四大部分：发射系统、前置光学系统、鉴频系统、控制系统。发射系统主要是一个Nd：YAG激光器。前置光学系统主要包括一个半带宽为0.15nm的窄带滤光片、一个直径为25cm的积分球、多模光纤、一个分束比为20/80的光纤分束器和一个准直透镜。鉴频系统主要包括一个Fabry-Perot标准具、会聚透镜、多模光纤和两个探测器。控制系统由控制计算机、高速数据采集卡以及标准具控制器组成。

鉴频的原理是通过测量激光脉冲在Fabry-Perot标准具上的透过率变化，来反演激光频率的变化。理想的Fabry-Perot标准具的透过率是艾里函数：

$H\left(v\right)={\[1-\frac{A}{1-R}\]}^2\·{\[1+\frac{4R}{{(1-R)}^2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\]}^{-1}---\left(1\right)$

式中，δ为光程差δ＝4πnlcosθ/λ，l为标准具腔长，θ为入射光束与标准具反射表面法线的夹角，R为对应波长的反射率，A为标准具平板的光损耗，λ是入射光频率，n是平板间空气折射率。

在工作过程中，调节两板间的压电陶瓷可以调整平面玻璃板两反射面平行，通过扫描两玻璃板之间的腔长可以测定标准具透过率曲线。锁定的过程就是通过不断改变Fabry-Perot标准具的腔长，使得发射激光脉冲在Fabry-Perot标准具上的透过率保持恒定。然后通过标准具腔长和激光频率的关系：

$\frac{\mathrm{\Δ}v}{v}=\frac{\mathrm{\Δ}l}{l}---\left(2\right)$

可以得到发射激光脉冲的频率。其中v是要锁定的发射频率，Δv是激光频率相对于锁定频率的偏移量，l是标准具的腔长，Δl是锁定过程中标准具腔长的变化量。

因此，要实现发射激光脉冲频率的精确测量，首先必须要保证其在标准具上的透过率能够得到精确测量。而光透过标准具的透过率又受其入射到标准具表面的发散角和光斑均匀性的影响。在光束正入射和其发散角比较小的情况下，光透过标准具的透过率函数可以近似用如下公式表示：

$H\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\π\θ}}_0^2}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}d\mathrm{\φ}\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_0}{\∫}}{T}_{pe}{\[1+\frac{4{F_e}^2}{{\mathrm{\π}}^2}{\sin }^2(\mathrm{\π}\mathrm{\ν}cos\mathrm{\θ}/{\mathrm{\ν}}_{FSR})\]}^{-1}\·sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

式中，为有效精细度，R_e为有效反射率，T_pe为峰值透过率，θ₀为入射光的发散角，ν_FSR为标准具透过率函数的自由谱间隔。

由于远场衍射，通过空间光学的方式无法保证其导入到标准具表面光斑的均匀性；而对于光纤耦合的方式,如果没有合适的前置光学,也很难保证入射到标准具表面的光斑是均匀分布的。因此，无论哪种方式都会导致不可避免的透过率测量误差。另外，由于激光脉冲的持续时间很短，通常只有几个纳秒。想在这么短的时间内对激光脉冲进行精确测量，需要非常短的探测器的响应时间和非常高的采集卡采样率，随之设备的成本也会很高。

本发明就是基于如上考虑，提出了在标准具的前置光学中引入积分球的方法。积分球是一个内表面均匀涂有高反射率材料的球体。光源通过一理想积分球经均匀漫反射后，球壁上每一面元的照度可以用下式求得：

$E=\frac{\mathrm{\ρ}}{1-\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Φ}}{4{\mathrm{\πR}}^2}---\left(4\right)$

其中Φ为总能量即辐射通量，ρ为积分球内壁材料的反射比，R为积分球半径。从上式可以看出，积分球内壁上的每一个面元的辐照度与位置无关，是一个与反射率、半径及入射光源辐射通量有关的常数，激光通过积分球后可变为均匀程度相当高的光源。此外，对于脉宽为ns量级的激光脉冲，由于在积分球内的多次漫反射过程，出射光信号的出射时间不同，会对脉冲波形产生展宽。图1给出了实际实验中采用不同直径的积分球对激光脉冲的效果。

因此，光经积分球，由多模光纤导入准直透镜变成平行光后入射到标准具表面进行透过率测量的方法有两个显著的优点：一是可以保证耦合到多模光纤里的光斑均匀性；二是积分球可以在不改变激光脉冲频域特性的前提下对其时域进行展宽。从而使得在一定的采集卡采样率下可以采到更多的数据点，保证了原始信号的真实性，进而保证了标准具透过率测量的准确性。

在进行锁定实验时，激光器发出的激光脉冲首先通过窄带滤光片滤掉背景光，然后进入积分球，经积分球多次均匀漫反射后，变成均匀光由多模光纤导出并分成两束。其中一束由一个准直透镜变成平行光，垂直入射到标准具表面，透过标准具后经另一个会聚透镜耦合到多模光纤，由多模光纤将其导入探测器进行强度检测。另一束则直接经多模光纤导入探测器进行强度测量。通过比较两个探测器测得的信号强度可以精确测量激光脉冲在标准具上的透过率；然后根据标准具透过率曲线与激光频率的关系可以确定发射激光频率。

图2为总体框图示意图，本系统连接图如图3所示，由Nd：YAG激光器1产生的光束经滤光片2滤掉背景光后进入积分球3，在积分球3内多次漫反射后形成均匀光，进入多模光纤4，多模光纤4内的光被光纤分束器5分成两束。其中一束经准直透镜6变成平行光入射到标准具7表面，透过标准具7的光经另一会聚透镜8会聚至探测器9进行光强检测；另一束则直接经多模光纤4导入探测器进行光强检测。在此过程中，标准具控制器11控制标准具7调整其腔长，而高速采集卡10则不断采集探测器9探测到的信号，并将其送至控制计算机进行透过率计算。透过率计算采用面积积分的方式，即将如图3所示用高速数据采集卡采集到的脉冲波形进行面积积分。取通过Fabry-Perot标准具7的脉冲波形面积积分和直接进入探测器9进行光强检测的脉冲波形面积积分之比，作为信号通过标准具的透过率。根据标准具透过率和频率的关系式(3)反演得到频率，然后根据标准具腔长和频率的关系(2)，调整标准具控制器重新定位标准具的位置，进行下一次的锁定过程。至此，整个高精度多普勒激光雷达频率锁定系统建立。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，其特征在于，该系统包括：发射系统、前置光学系统、鉴频系统和控制系统；发射系统主要是一个Nd：YAG激光器(1)；前置光学系统主要包括一个窄带滤光片(2)、一个积分球(3)、第一多模光纤(4)、一个光纤分束器(5)和一个准直透镜(6)；鉴频系统主要包括一个Fabry-Perot标准具(7)、会聚透镜(8)、第二多模光纤(4)和两个探测器(9)；控制系统由控制计算机、高速数据采集卡(10)以及标准具控制器(11)组成；由Nd：YAG激光器(1)产生的光束经窄带滤光片(2)滤掉背景光后进入积分球(3)，在积分球(3)内多次漫反射后形成均匀光，进入第一多模光纤(4)，第一多模光纤(4)内的光被光纤分束器(5)分成两束，其中一束经准直透镜(6)变成平行光入射到标准具(7)表面，透过标准具(7)的光经另一会聚透镜(8)会聚至第一探测器(9)进行光强检测；另一束则直接经第二多模光纤(4)导入第二探测器(9)进行光强检测，在此过程中，标准具控制器(11)控制标准具(7)调整其腔长，而高速采集卡(10)则不断采集两个探测器(9)探测到的信号，并将其送至控制计算机进行透过率计算，透过率计算采用面积积分的方式，即将用高速数据采集卡采集到的脉冲波形进行面积积分，取通过Fabry-Perot标准具(7)的脉冲波形面积积分和直接进入探测器(9)进行光强检测的脉冲波形面积积分之比，作为信号通过标准具的透过率，根据标准具透过率和频率的关系式 $H\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\π\θ}}_0^2}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}d\mathrm{\φ}\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_0}{\∫}}{T}_{pe}{\[1+\frac{4{F_e}^2}{{\mathrm{\π}}^2}{\sin }^2(\mathrm{\π}\mathrm{\ν}cos\mathrm{\θ}/{\mathrm{\ν}}_{FSR})\]}^{-1}\·sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}$ 反演得到频率，式中，为有效精细度，R_e为有效反射率，T_pe为峰值透过率，θ₀为入射光的发散角，ν_FSR为标准具透过率函数的自由谱间隔，然后根据标准具腔长和频率的关系调整标准具控制器重新定位标准具的位置，其中v是要锁定的发射频率，Δv是激光频率相对于锁定频率的偏移量，l是标准具的腔长，Δl是锁定过程中标准具腔长的变化量，进行下一次的锁定过程，至此，整个高精度多普勒激光雷达频率锁定系统建立；

所述的窄带滤光片(2)为半带宽为0.15nm的窄带滤光片，所述的积分球(3)为直径为25cm的积分球，光纤分束器(5)为分束比为20/80的光纤分束器；

该锁定系统中光经积分球，由多模光纤导入准直透镜变成平行光后入射到标准具表面进行透过率测量的方法有两个显著的优点：一是可以保证耦合到多模光纤里的光斑均匀性；二是积分球可以在不改变激光脉冲频域特性的前提下对其时域进行展宽，从而使得在一定的采集卡采样率下可以采到更多的数据点，保证了原始信号的真实性，进而保证了标准具透过率测量的准确性；

在进行锁定实验时，激光器发出的激光脉冲首先通过窄带滤光片滤掉背景光，然后进入积分球，经积分球多次均匀漫反射后，变成均匀光由多模光纤导出并分成两束，其中一束由一个准直透镜变成平行光，垂直入射到标准具表面，透过标准具后经另一个会聚透镜耦合到多模光纤，由多模光纤将其导入探测器进行强度检测，另一束则直接经多模光纤导入探测器进行强度测量，通过比较两个探测器测得的信号强度可以精确测量激光脉冲在标准具上的透过率；然后根据标准具透过率曲线与激光频率的关系可以确定发射激光频率。