CN103675796B - 一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统和方法。该系统建立在工作波长为355nm的双边缘直接探测测风激光雷达系统的基础之上，在扫描一台Fabry-Perot标准具的透过率时，用另一台腔长固定的Fabry-Perot标准具实时监测入射到标准具中的激光频率的漂移，利用监测得到的激光频率漂移对扫描得到的透过率曲线的频率横坐标进行修正，从而获得更加准确的透过率曲线，消除由入射激光频率的漂移带来的校准误差，进一步可获得更加准确的频率响应函数，减小了风速误差。本发明有效解决了车载激光雷达的大温差、强震动环境引起的激光频率不稳定所带来的系统误差。

Description

一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统和方法

技术领域

本发明属于直接探测测风激光雷达技术领域，具体涉及一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统和方法。

背景技术

基于瑞利散射的多普勒测风激光雷达技术是唯一的对中高层大气的激光遥感手段。而该测风手段的基础是要获得准确的Fabry-Perot鉴频器的透过率曲线，从而完成对Fabry-Perot标准具的标定。现有的扫描透过率的方法有以下几种：

中国科学技术大学的直接探测多普勒激光雷达在校准过程中采用改变标准具腔长的方式来扫描透过率曲线，从而达到校准目的。由（式中δ为光程差，n为折射率，l为标准具腔长，θ＝0°是入射光与标准具反射表面法线的夹角，λ是入射光波长，ν是入射光频率，c是光速，m是条纹级数）知，如果ν变小的同时l变大，可以保持第m级条纹不变，所以通过改变腔长l，保持入射光频率ν不变，透过率会随l的变化而变化；通过对上式求微分，保持m不变，所以右端为零，可以得到：最终可得所以扫描标准具腔长时，腔长改变与透过率曲线频率移动的关系为 $\mathrm{\Δv}=-\frac{v}{l}\·\mathrm{\Δl}.$

Haute Provence天文台（法国）的Rayleigh-Mie多普勒雷达通过改变标准具腔体内的压强进而改变腔内折射率的方式来扫描透过率。由知，在l不变的情况下，如果ν变小的同时n变大，可以保持第m级条纹不变，所以通过改变腔内折射率n，保持入射光频率ν不变，透过率会随折射率的变化而变化；通过对上式求微分，保持m不变，所以右端为零，可以得到：最终可得所以扫描腔内折射率n时，折射率改变与频率移动的关系为

作为由欧洲宇航局（ESA）发起的星载多普勒激光雷达项目的一部分，德国宇航局研制的A2D机载激光雷达通过改变激光器出射激光的频率来扫描透过率。但扫描激光器出射频率时，激光频率不够稳定，会引起校准和测风误差。该系统为了解决此问题，采用了QBUT（Q-switch build-up time）最小化方法来稳定激光频率，并增加一个激光器作为频率参考，通过相干拍频技术来测量频率移动的精确性。

现有的三种对标准具的标定方法有以下缺点：扫描标准具腔长的方法，在扫描过程中，由于入射到标准具中的激光频率存在漂移，这个频率漂移会直接引起扫描出来的透过率曲线产生误差；扫描折射率的方法，由于扫描过程中需要对标准具腔内加压或者减压，这是一个缓慢的过程，所以扫描速度很慢；扫描激光器出射激光频率的方法，由于还要另加一个激光器作为参考光与出射激光进行拍频进而检测和稳定激光频率，所以需要复杂的光路结构、光学器件和稳频方法来稳定激光频率，才能将入射到标准具内的激光频率的抖动带来的误差控制在可接受的范围内。

发明内容

现有的直接探测多普勒激光雷达扫描鉴频器透过率曲线的方法中，扫描标准具腔长的方法，在扫描过程中，由于入射到标准具中的激光频率存在漂移，这个频率漂移会直接引起扫描出来的透过率曲线产生误差；扫描折射率的方法由于需要通过改变腔内气压来实现，所以扫描速度很慢；扫描激光器出射激光频率的方法，由于利用了两个激光器的出射光进行拍频进而检测和稳定激光频率，所以实现起来比较复杂和高成本。本发明提出的透过率扫描过程中的频率修正方法，主要需要解决的技术问题是：现有的通过扫描标准具腔长来获得透过率的方法，由于扫描过程中入射到标准具中的激光频率存在漂移，这个频率漂移会直接引起扫描出来的透过率曲线产生误差，所以需要在扫描过程中实时监测激光频率的漂移，利用这个漂移量对扫描出来的透过率曲线的横坐标进行修正。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统。该系统的工作波长位于355nm。系统包括激光器，第一Fabry-Perot标准具，第一标准具控制器，第二Fabry-Perot标准具，第二标准具控制器，示波器，第一光纤分束器，第二光纤分束器，第三光纤分束器，第四光纤分束器，第五光纤分束器，第六光纤分束器，第一探测器，第二探测器，第三探测器，第四探测器，第五探测器，第六探测器，第七探测器。第一Fabry-Perot标准具有三个通道，分别为第一信号I1通道、第二信号I2通道和锁定L通道；第二Fabry-Perot标准具只有一个监测M通道。从激光器出射的单模激光进入第一光纤分束器后，以分束比1/3分别入射到第六光纤分束器和第二光纤分束器；激光入射到第六光纤分束器后，以分束比3/1，一路经过第二Fabry-Perot标准具的监测M通道后入射到第六探测器，另一路作为监测能量ME通道直接入射到第七探测器；激光入射到第二光纤分束器后，以分束比1/3分别入射到第五光纤分束器和第三光纤分束器；激光入射到第五光纤分束器后，以分束比3/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具的锁定L通道后入射到第四探测器，另一路作为锁定能量LE通道直接入射到第五探测器；激光入射到第三光纤分束器后，以分束比1/3，一路作为信号能量IE通道直接入射到第一探测器，另一路入射到第四光纤分束器；激光入射到第四光纤分束器后，以分束比1/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具的第一信号I1通道后入射到第二探测器，另一路经过第一Fabry-Perot标准具的第二信号I2通道后入射到第三探测器；第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器、第五探测器、第六探测器和第七探测器分别通过七根信号线将信号输入到示波器中。

在透过率扫描开始前，首先手动调节第二标准具控制器，使得入射激光位于第二Fabry-Perot标准具以腔长为横坐标的透过率下降沿的半高位置，扫描开始后，第二Fabry-Perot标准具的腔长固定不变。设定扫描第一Fabry-Perot标准具腔长时的步长为Δl，扫描步数为N；设定每一步累积的脉冲数为N₀；相邻激光脉冲的时间间隔为Δt；每一步所需时间为N₀·Δt；扫描N步共需要时间N·N₀·Δt。扫描过程中，每扫描一步经过时间N₀·Δt后，第一标准具控制器调整第一Fabry-Perot标准具的腔长增加Δl；每扫描一步，示波器将这一步的时间内的七个探测器输入的N₀个脉冲数据记录下来并计算出每个探测器的脉冲平均强度，从而计算出第一Fabry-Perot标准具的两个信号通道和锁定通道、以及第二Fabry-Perot标准具的监测通道的透过率。共扫描N步，扫描完成后，两个标准具的四个通道分别获得N个透过率值。

另外本发明提出一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定方法。在扫描第一Fabry-Perot标准具腔长时，用腔长固定的第二Fabry-Perot标准具监测出射激光的频率漂移。扫描步数为N，腔长的扫描步长为Δl，扫描结束后，第一Fabry-Perot标准具的三个通道分别得到N个透过率值：T₁到T_N，对应的N个透过率的横坐标为：l₁到l_N，腔长横坐标为等间距，即l_n＝l₁+(n-1)·Δl（n＝1...N）。腔长改变ΔL与透过率曲线频率移动ΔV的关系为由这个关系，可以将腔长横坐标转换为频率横坐标： $v_n=v_1-\frac{v}{l}\·(l_n-l_1)=v_1-\frac{v}{l}\·[(n-1)\·\mathrm{\Δl}],(n=1...N),$ 其中l为标准具腔长，ν是入射光频率，ν₁是扫描腔长时第一步的透过率所对应的频率。扫描开始前，首先手动调节第二Fabry-Perot标准具的腔长，使得出射激光频率位于第二Fabry-Perot标准具监测通道透过率的半高位置，在扫描第一Fabry-Perot标准具的过程中，用于监测出射激光频率漂移的第二Fabry-Perot标准具的腔长保持不变。第一Fabry-Perot标准具的腔长每扫描一步，第二Fabry-Perot标准具得到一个透过率值，扫描完成后，共得到N个透过率值，基于第二Fabry-Perot标准具的监测通道的透过率曲线，可以利用这N个透过率分别获得N个出射激光频率在监测通道透过率曲线上的位置：ν_L1到ν_LN。以第一个出射激光频率ν_L1为基准，可以N个激光频率的漂移量：Δν₁到Δν_N，其中Δν_n＝ν_Ln-ν_L1（n＝1...N）。这N个激光频率漂移量分别对应扫描第一Fabry-Perot标准具时的N步。将扫描后得到的第一Fabry-Perot标准具的透过率曲线的频率横坐标ν_n（n＝1...N）加上第二台Fabry-Perot标准具监测的激光频率漂移量Δν_n，得到修正后的频率横坐标ν_n′，即ν_n′＝ν_n+Δν_n（n＝1...N）。利用修正后的N个频率横坐标ν_n′（n＝1...N）和三个通道的三组透过率值T_n（n＝1...N），可以拟合出三条透过率曲线，分别对应第一Fabry-Perot标准具的信号一通道、信号二通道和锁定通道。

本发明的优点和积极效果为：

本发明公开一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统和方法。利用本发明可以准确地修正扫描得到的透过率曲线，经过修正后的透过率曲线拟合得到的频率响应函数更加准确，从而减小了风速误差。

本发明的实现建立在双边缘直接探测测风激光雷达系统的基础上，无需额外的硬件和软件支持，只需调整接线和光路，即可进行频率漂移的监测和频率修正。

本发明工作波长位于355nm，在该紫外波段无法实现用气体吸收腔作为频率标准来监测入射到标准具中的激光频率，而本发明采用了固定腔长的第二台标准具来监测入射激光的频率漂移，从而在扫描腔长时进行光学频率补偿。

由于能够在扫描过程中实时监测激光频率的漂移，并根据频率漂移进行修正，所以本发明能够应对会导致激光器频率漂移的大温差或者强震动环境，适用于车载激光雷达系统。

附图说明

图1为系统原理图；

图2为频率修正方法的示意图；

图3为修正的和未修正的透过率曲线对比图，图中虚线T₁′、T₂′、T₃′为修正后的透过率曲线，实线T₁、T₂、T₃为未修正的透过率曲线；

图4为第二台Fabry-Perot标准具监测的激光频率漂移；

图5为修正后的透过率曲线拟合得到的FSR与未修正的FSR的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1显示了本发明的一个实施例的系统原理图。系统工作波长位于355nm。系统包括激光器10，第一Fabry-Perot标准具11，第一标准具控制器12，第二Fabry-Perot标准具13，第二标准具控制器14，示波器15，第一光纤分束器20，第二光纤分束器21，第三光纤分束器22，第四光纤分束器23，第五光纤分束器24，第六光纤分束器25，第一探测器30，第二探测器31，第三探测器32，第四探测器33，第五探测器34，第六探测器35，第七探测器36。第一Fabry-Perot标准具11有三个通道，分别为第一信号I1通道、第二信号I2通道和锁定L通道；第二Fabry-Perot标准具13只有一个监测M通道。从激光器10出射的单模激光进入第一光纤分束器20后，以分束比1/3分别入射到第六光纤分束器25和第二光纤分束器21；激光入射到第六光纤分束器25后，以分束比3/1，一路经过第二Fabry-Perot标准具13的监测M通道后入射到第六探测器35，另一路作为监测能量ME通道直接入射到第七探测器36；激光入射到第二光纤分束器21后，以分束比1/3分别入射到第五光纤分束器24和第三光纤分束器22；激光入射到第五光纤分束器24后，以分束比3/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具11的锁定L通道后入射到第四探测器33，另一路作为锁定能量LE通道直接入射到第五探测器34；激光入射到第三光纤分束器22后，以分束比1/3，一路作为信号能量IE通道直接入射到第一探测器30，另一路入射到第四光纤分束器23；激光入射到第四光纤分束器23后，以分束比1/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具11的第一信号I1通道后入射到第二探测器31，另一路经过第一Fabry-Perot标准具11的第二信号I2通道后入射到第三探测器32；第一探测器30、第二探测器31、第三探测器32、第四探测器33、第五探测器34、第六探测器35和第七探测器36分别通过七根信号线将信号输入到示波器15中。

在透过率扫描开始前，首先手动调节第二标准具控制器14，使得入射激光位于第二Fabry-Perot标准具13以腔长为横坐标的透过率下降沿的半高位置，扫描开始后，第二Fabry-Perot标准具（13）的腔长固定不变。设定扫描第一Fabry-Perot标准具11腔长时的步长为Δl，扫描步数为N；设定每一步累积的脉冲数为N₀；相邻激光脉冲的时间间隔为Δt；每一步所需时间为N₀·Δt；扫描N步共需要时间N·N₀·Δt。扫描过程中，每扫描一步经过时间N₀·Δt后，第一标准具控制器12调整第一Fabry-Perot标准具11的腔长增加Δl；每扫描一步，示波器将这一步的时间内的七个探测器输入的N₀个脉冲数据记录下来并计算出每个探测器的脉冲平均强度，从而计算出第一Fabry-Perot标准具11的两个信号通道和锁定通道、以及第二Fabry-Perot标准具13的监测通道的透过率。共扫描N步，扫描完成后，两个标准具的四个通道分别获得N个透过率值。

在扫描第一Fabry-Perot标准具腔长时，用腔长固定的第二Fabry-Perot标准具监测出射激光的频率漂移。扫描步数为N，腔长的扫描步长为Δl，扫描结束后，第一Fabry-Perot标准具的三个通道分别得到N个透过率值：T₁到T_N，对应的N个透过率的横坐标为：l₁到l_N，腔长横坐标为等间距，即l_n＝l₁+(n-1)·Δl（n＝1...N）。腔长改变ΔL与透过率曲线频率移动ΔV的关系为由这个关系，可以将腔长横坐标转换为频率横坐标： $v_n=v_1-\frac{v}{l}\·(l_n-l_1)=v_1-\frac{v}{l}\·[(n-1)\·\mathrm{\Δl}],(n=1...N),$ 其中l为标准具腔长，ν是入射光频率，ν₁是扫描腔长时第一步的透过率所对应的频率。扫描开始前，首先手动调节第二Fabry-Perot标准具的腔长，使得出射激光频率位于第二Fabry-Perot标准具监测通道透过率的半高位置，在扫描第一Fabry-Perot标准具的过程中，用于监测出射激光频率漂移的第二Fabry-Perot标准具的腔长保持不变。第一Fabry-Perot标准具的腔长每扫描一步，第二Fabry-Perot标准具得到一个透过率值，扫描完成后，共得到N个透过率值，基于第二Fabry-Perot标准具的监测通道的透过率曲线，可以利用这N个透过率分别获得N个出射激光频率在监测通道透过率曲线上的位置：ν_L1到ν_LN。以第一个出射激光频率ν_L1为基准，可以N个激光频率的漂移量：Δν₁到Δν_N，其中Δν_n＝ν_Ln-ν_L1（n＝1...N）。这N个激光频率漂移量分别对应扫描第一Fabry-Perot标准具时的N步。将扫描后得到的第一Fabry-Perot标准具的透过率曲线的频率横坐标ν_n（n＝1...N）加上第二Fabry-Perot标准具监测的激光频率漂移量Δν_n，得到修正后的频率横坐标ν_n′，即ν_n′＝ν_n+Δν_n（n＝1...N），如图2所示。利用修正后的N个频率横坐标ν_n′（n＝1...N）和三个通道的三组透过率值T_n（n＝1...N），可以拟合出三条透过率曲线，分别对应第一Fabry-Perot标准具的信号一通道、信号二通道和锁定通道。

在本发明的该实施例中，入射激光频率为355nm，激光脉冲频率为50Hz，Fabry-Perot标准具的FSR为12GHz，标准具腔长l为12.5cm，扫描步数N为200步，每一步累积的脉冲数N₀为1000，相邻激光脉冲的时间间隔Δt为0.02s，每一步所需时间N₀·Δt为20s，扫描N步共需要时间N·N₀·Δt为4000s。扫描完成后，进行修正频率横坐标的过程之前，首先需要获得第二Fabry-Perot标准具的透过率曲线，这个透过率曲线要事先用连续光扫描得到，利用此透过率曲线，可以根据扫描过程中监测的第二Fabry-Perot标准具的监测通道的透过率变化反演出对应的频率漂移，再利用此频率漂移修正第一Fabry-Perot标准具的透过率曲线的频率横坐标。如图3，为经过修正的透过率曲线与未经修正的透过率曲线的对比图，图中实线T₁、T₂、T₃为未经修正的透过率曲线，虚线T₁′、T₂′、T₃′为经过修正后的透过率曲线。通过图3可以看出经过修正后的透过率曲线形状更加标准。如图4，为第二Fabry-Perot标准具监测的激光频率漂移，每一个频率横坐标对应的频率漂移值是基于事先用连续光扫描好的第二Fabry-Perot标准具的透过率曲线，利用第二Fabry-Perot标准具监测的透过率值反演得到的；在修正过程中，利用图4中每一个频率点对应的频率漂移值来对该频率横坐标进行修正。如图5，为经过修正后的透过率曲线拟合得到的FSR值与未经修正的透过率曲线拟合得到的FSR值，对比后发现经过修正后的FSR值更加接近实际的标准具的FSR：12GHz。

Claims (2)

1.一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定系统，其特征在于，该系统的工作波长位于355nm，该系统包括激光器(10)，第一Fabry-Perot标准具(11)，第一标准具控制器(12)，第二Fabry-Perot标准具(13)，第二标准具控制器(14)，示波器(15)，第一光纤分束器(20)，第二光纤分束器(21)，第三光纤分束器(22)，第四光纤分束器(23)，第五光纤分束器(24)，第六光纤分束器(25)，第一探测器(30)，第二探测器(31)，第三探测器(32)，第四探测器(33)，第五探测器(34)，第六探测器(35)和第七探测器(36)；第一Fabry-Perot标准具(11)有三个通道，分别为第一信号I1通道、第二信号I2通道和锁定L通道；第二Fabry-Perot标准具(13)只有一个监测M通道，从激光器(10)出射的单模激光进入第一光纤分束器(20)后，以分束比1/3分别入射到第六光纤分束器(25)和第二光纤分束器(21)；激光入射到第六光纤分束器(25)后，以分束比3/1，一路经过第二Fabry-Perot标准具(13)的监测M通道后入射到第六探测器(35)，另一路作为监测能量ME通道直接入射到第七探测器(36)；激光入射到第二光纤分束器(21)后，以分束比1/3分别入射到第五光纤分束器(24)和第三光纤分束器(22)；激光入射到第五光纤分束器(24)后，以分束比3/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具(11)的锁定L通道后入射到第四探测器(33)，另一路作为锁定能量LE通道直接入射到第五探测器(34)；激光入射到第三光纤分束器(22)后，以分束比1/3，一路作为信号能量IE通道直接入射到第一探测器(30)，另一路入射到第四光纤分束器(23)；激光入射到第四光纤分束器(23)后，以分束比1/1，一路经过第一Fabry-Perot标准具(11)的第一信号I1通道后入射到第二探测器(31)，另一路经过第一Fabry-Perot标准具(11)的第二信号I2通道后入射到第三探测器(32)；第一探测器(30)、第二探测器(31)、第三探测器(32)、第四探测器(33)、第五探测器(34)、第六探测器(35)和第七探测器(36)分别通过七根信号线将信号输入到示波器(15)中；

在透过率扫描开始前，首先手动调节第二标准具控制器(14)，使得入射激光位于第二Fabry-Perot标准具(13)以腔长为横坐标的透过率下降沿的半高位置，扫描开始后，第二Fabry-Perot标准具(13)的腔长固定不变；设定扫描第一Fabry-Perot标准具(11)的腔长时的步长为Δl，扫描步数为N；设定每一步累积的脉冲数为N₀；相邻激光脉冲的时间间隔为Δt；每一步所需时间为N₀·Δt；扫描N步共需要时间N·N₀·Δt；扫描过程中，每扫描一步经过时间N₀·Δt后，第一标准具控制器(12)调整第一Fabry-Perot标准具(11)的腔长增加Δl；每扫描一步，示波器将这一步的时间内的七个探测器输入的N₀个脉冲数据记录下来并计算出每个探测器的脉冲平均强度，从而计算出第一Fabry-Perot标准具(11)的两个信号通道和锁定通道、以及第二Fabry-Perot标准具(13)的监测通道的透过率，共扫描N步，扫描完成后，两个标准具的四个通道分别获得N个透过率值。

2.一种扫描腔长时进行光学频率补偿的Fabry-Perot标准具标定方法，其特征在于，在扫描第一Fabry-Perot标准具腔长时，用腔长固定的第二Fabry-Perot标准具监测出射激光的频率漂移，扫描步数为N，腔长的扫描步长为Δl，扫描结束后，第一Fabry-Perot标准具的三个通道分别得到N个透过率值：T₁到T_N，对应的N个透过率的横坐标为：l₁到l_N，腔长横坐标为等间距，即l_n＝l₁+(n-1)·Δl，n＝1...N，腔长改变ΔL与透过率曲线频率移动ΔV的关系为由这个关系，可以将腔长横坐标转换为频率横坐标：其中l为标准具腔长，ν是入射光频率，ν₁是扫描腔长时第一步的透过率所对应的频率，扫描开始前，首先手动调节第二Fabry-Perot标准具的腔长，使得出射激光频率位于第二Fabry-Perot标准具监测通道透过率的半高位置，在扫描第一Fabry-Perot标准具的过程中，用于监测出射激光频率漂移的第二Fabry-Perot标准具的腔长保持不变，第一Fabry-Perot标准具的腔长每扫描一步，第二Fabry-Perot标准具得到一个透过率值，扫描完成后，共得到N个透过率值，基于第二Fabry-Perot标准具的监测通道的透过率曲线，可以利用这N个透过率分别获得N个出射激光频率在监测通道透过率曲线上的位置：ν_L1到ν_LN，以第一个出射激光频率ν_L1为基准，得到N个激光频率的漂移量：Δν₁到Δν_N，其中Δν_n＝ν_Ln-ν_L1，这N个激光频率漂移量分别对应扫描第一Fabry-Perot标准具时的N步，将扫描后得到的第一Fabry-Perot标准具的透过率曲线的频率横坐标ν_n，加上第二Fabry-Perot标准具监测的激光频率漂移量Δν_n，得到修正后的频率横坐标ν_n′，即ν_n′＝ν_n+Δν_n，利用修正后的N个频率横坐标ν_n′，和三个通道的三组透过率值T_n，可以拟合出三条透过率曲线，分别对应第一Fabry-Perot标准具的信号一通道、信号二通道和锁定通道。