CN103996971A - Co2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法，包括第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束；波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光；CO₂吸收谱获取单元，用来获得CO₂吸收谱；计算单元，用来根据CO₂吸收谱和输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。本发明可用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器，以确保脉冲差频激光器输出on波长的频率稳定。

Description

CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法

技术领域

本发明涉及激光稳频领域，尤其涉及一种CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光系统稳频装置及方法。

背景技术

激光差频技术隶属于光学混频，是两束或两束以上不同频率的单色光同时入射到非线性介质后，通过介质的非线性电极化系数的耦合作用，产生差频激光束，该光束的频率是入射光频率ω₁和ω₂之差。

CO₂是温室气体主要成分，其浓度变化是气候变化的主要原因。因此精确的大气CO₂浓度测量对于碳源和碳汇的分析具有重要意义。差分吸收激光雷达在探测CO₂方面具有巨大优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备，能够提供连续的时间和空间观测，获得较高的时空分辨率。差分吸收激光雷达通常采用两束差别很小的波长作为发射激光束，其中一束激光的波长选在CO₂吸收峰的中心，使其受到最大吸收，称为on波长，记作λ_on；另一束激光的波长在CO₂吸收谷处，使其受到的吸收尽可能小，称为off波长，记作λ_off。通过测量随高度增加的大气CO₂吸收的变化来反演CO₂浓度分布。应用时，激光器的输出波长需要精确确定在on波长上，而对于off波长的精度要求相对较低。由于CO₂探测激光器的输出波长线宽要求在GHz甚至MHz，对于工作状态的脉冲差频激光器而言，这种on波长的稳频要求更为严格。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置及方法，以确保脉冲差频激光器输出的on波长的频率稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，包括：

第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置；

波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；

第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通过自由光路分别进入CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池；

CO₂吸收谱获取单元，包括CO₂气体吸收池、N₂气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO₂吸收谱；

计算单元，用来根据CO₂吸收谱获取单元获得的CO₂吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。

作为优选，上述自由光路为光纤光路，光纤光路的输入端和输出端均设有光纤准直器。第二分光单元为设置在光纤光路中的光纤分光器。

二、用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，包括步骤：

步骤1，采用波长粗定标单元对脉冲差频激光器的输出红外激光进行粗定标，获得输出红外激光波长的真实值，拟合输出红外激光波长的真实值和标称值进行线性拟合获得真实值和标称值的线性拟合曲线；

步骤2，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行大步长扫描，使得输出红外激光波长满足大步波长扫描范围，并通过调整大步波长扫描范围，获得具有单一吸收峰的CO₂吸收谱；所述的大步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，起始波长和终止波长位于CO₂吸收峰位置理论值两侧；

步骤3，脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行小步长扫描，使得输出红外激光波长满足小步波长扫描范围，并获得小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱，从而确定CO₂吸收峰位置实测值，即on波长；所述的小步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，小步波长扫描范围的起始波长和终止波长分别同当前大步波长扫描范围的起始波长和终止波长；大步波长扫描范围的波长间隔和小步波长扫描范围的波长间隔均为经验值，且大步波长扫描范围的波长间隔大于小步波长扫描范围的波长间隔；

步骤4，当CO₂探测激光雷达信号采集的积分时间不大于5min情况下的on波长稳频包括：

执行步骤2～3多次确定on波长，以各on波长对应的光学厚度值构建样本x；固定on波长，以脉冲差频激光器连续输出的各输出波长对应的光学厚度值构建样本y，采用统计学的假设检验理论进行精度评定，若样本y精度低于样本x精度，则执行步骤1～2重新确定on波长；直至样本y精度不低于样本x精度。

上述步骤1进一步包括子步骤：

1.1脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围进行大步长扫描，对输出红外激光采用基于CO₂气体吸收池的饱和吸收法获得大步波长扫描范围下的CO₂吸收谱；

1.2判断大步波长扫描范围下的CO₂吸收谱中吸收峰数量，若吸收峰数量大于1，则调整大步波长扫描范围的起始波长和终止波长，但仍要求起始波长和终止波长位于CO₂吸收峰位置两侧，重新执行步骤1，直至获得具有单一吸收峰的CO₂吸收谱。

作为优选，小步波长扫描范围的波长间隔为脉冲差频激光器的最小步长。

步骤2中所述的小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱是对脉冲差频激光器的输出红外激光采用基于CO₂气体吸收池的饱和吸收法获得。

在CO₂探测激光雷达信号采集的积分时间大于5min情况下的on波长稳频进一步包括子步骤：

(1)根据设定的时间间隔依次获取脉冲差频激光器输出红外激光对应的光学厚度值，若连续n个输出红外激光的光学厚度值均超出预设范围，则以设定步长向长波方向连续m次调节染料激光器输出波长，m和n根据经验设定；所述的预设范围的上限和下限分别为样本x中光学厚度值的最大值和最小值；

(2)将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱进行匹配，匹配结果即当前输出红外激光波长位置；

(3)根据当前输出红外激光波长位置和on波长的差值将脉冲差频激光器输出跳转至on波长。

所述的子步骤6.2具体为：

将当前输出波长的光学厚度值等同于图像灰度值，将小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱作为目标图像，将m个输出波长对应的光学厚度值作为待匹配图像窗口灰度值，采用一维图像匹配法将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱进行匹配。

为提高精度，本发明的优选方案为，采用空回消除机械误差，具体包括：

步骤2执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后再从小步波长扫描范围的起始波长开始进行小步长扫描；

步骤3执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后以补偿值b-a为步长反向跳转，其中，a为小步波长扫描范围的起始波长，b为CO₂吸收峰位置实测值。

本发明具有如下特点和有益效果：

(1)采用光纤光路下的饱和吸收差分法进行稳频操作，可最大限度减小自由光路探测带来的误差源，大幅提高信噪比和稳频精度，能够更快的确定on波长。

(2)通过步长机械空回误差，根据时间长短，分别处理on波长的稳频，更能满足CO₂探测差分吸收激光雷达的使用要求。

附图说明

图1为CO₂探测激光雷达中红外窄线宽脉冲差频激光器的具体结构示意图；

图2为本发明稳频系统的具体结构示意图；

图3为红外窄线宽脉冲差频激光器on波长确定流程图；

图4为红外窄线宽脉冲差频激光器on波长稳频流程图。

图中，1-种子激光器，2-Nd::YAG激光器，3-倍频晶体，4-染料激光器，5-非线性差频晶体，6-脉冲差频激光器，7-分束器，8-凸透镜，9-光线准直器，10-光纤分光器，11-16m长程CO₂气体吸收池，12-铟镓砷探测器，13-16m长程N₂气体吸收池，14-示波器，15-计算机，16-红外脉冲波长计。

具体实施方式

本发明方法通过基于CO₂气体吸收池的饱和吸收法确定CO₂的吸收峰，实现脉冲差频激光器输出波长的范围性扫描，通过双路差分的方法，利用比尔朗伯定律获取各输出波长下对于CO₂吸收的光学厚度值(OD)，获取精确的实验条件下的CO₂吸收谱。在on波长确定上，利用测量的吸收谱，通过对差频激光源的之一染料激光器的波长调节，利用算法补偿激光波长调节时引入的机械空回误差，使输出的激光波长确定在on波长上。在稳频的要求时间较短时，采用on波长的稳定性评价方法，利用统计学中假设检验的方法进行精度评定；在长时间稳频上采取阈值判断加匹配的算法，确保长时间的on波长的频率稳定。

图1为CO₂探测激光雷达中红外窄线宽脉冲差频激光器的结构示意图，由图可知，红外窄线宽脉冲差频激光器包括种子激光器(1)、Nd::YAG激光器(2)、倍频晶体(3)、染料激光器(4)和非线性差频晶体(5)组成。

种子激光器(1)作为种子源输出连续窄线宽激光，通过光纤注入Nd::YAG激光器(2)谐振腔内，Nd::YAG激光器(2)同时输出20Hz的1064nm基频光和532nm倍频光，倍频光(即，绿光)作为泵浦源对染料进行泵浦；染料激光器(4)产生宽广谱荧光，通过机械马达带动光栅进行荧光选取，输出634nm红光，作为差频源之一；1064nm基频光(即，近红外激光)经过光路调节实现光程补偿，并同634nm红光在非线性差频晶体处实现差频效应，输出1572nm红外激光。

图2为本发明稳频系统结构示意图，由图可知本发明稳频系统包括脉冲差频激光器(6)、分束器(7)、凸透镜(8)、光纤准直器(9)、光纤分光器(10)、16m长程CO₂气体吸收池(11)、铟镓砷探测器(12)、16m长程N₂气体吸收池(13)、示波器(14)、处理器(15)和红外脉冲波长计(16)，16m长程CO₂气体吸收池(11)和16m长程N₂气体吸收池(13)中气体压强均为一个标准大气压。本具体实施中，分束器(7)为单面镀增透膜的玻璃片；光纤准直器(9)由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。

脉冲差频激光器(6)输出的红外激光，经分束器分为能量分别为4％和96％的两束，其中，能量为4％的激光束称为第一激光束，能量为96％的激光束称为第二激光束。第一激光束用于红外脉冲波长计(16)定标，确定脉冲差频激光器(6)输出红外激光波长真实值。第二激光束经凸透镜(8)聚焦后，利用光纤准直器(9)收光后传输至光纤内，在光纤内传输，并采用光纤分光器(10)将光纤内的第二激光束分为能量分别为90％和10％的两束，两束激光在出光口通过光纤准直器(9)进入气体吸收池，能量90％的激光束进入16m长程CO₂气体吸收池(11)，能量10％的激光束进入16m长程N₂气体吸收池(13)。红外激光在特定波长处会被CO₂吸收导致能量减小，但不会被N₂吸收，所以本发明采用N₂气体吸收池作为对照组，用来描述红外激光被CO₂吸收的情况，来判断on波长。

16m长程CO₂气体吸收池(11)和16m长程N₂气体吸收池(13)出光口处分别设有铟镓砷探测器(12a、12b)探测出射红外激光束，并将探测结果输入示波器(14)，计算机(15)从存取双通道数据，并根据铟镓砷探测器(12a、12b)的探测结果获得对应的光学厚度值。计算机(15)用来存储示波器(14)的采集值和红外脉冲波长计(16)的定标值，并根据光学厚度值调节脉冲差频激光器(6)中染料激光器(4)的输出波长，实现脉冲差频激光器(6)输出差频激光波长在一定范围内连续扫描，每个波长持续时间为2s，单一波长的光学厚度值采用积分后平均的方法获取。示波器(14)采集的是波形，因此计算机(15)存储示波器(14)输出时，需对该波形进行积分获取数值，取积分后数值平均值作为该波长激光通过吸收池后的OD值。

本发明自由光路存在问题：调节脉冲差频激光器(6)输出红外激光波长时，由于脉冲差频激光器(6)采用差频技术出光，必然存在差频晶体及补偿系统的角度调节，从而输出不同波长激光。由于差频晶体及补偿器的角度会产生轻微变化，将导致不同波长激光入射到同一吸收池的位置不同，同一波长激光入射到不同吸收池的位置也不同，从而导致进入吸收池中激光总量不一致，体现在示波器(14)显示的波形上，就是双路波形不一致。因此，调节波长后必须相应地调节光路，否则这种不一致会延续，导致调节的复杂性。

本发明采用光纤光路解决上述自由光路存在的问题，由于差频源为波长极为相近的激光，红外窄线宽脉冲差频激光器(6)出射激光角度只是稍有偏差，分束器(7)分光后，第一激光束射入红外脉冲波长计(16)进行波长粗定标，第二激光束经凸透镜(8)聚焦，其焦点位于同一位置上，以消除激光角度的偏差。利用光纤准直器(9)对第二激光束进行收光，将输入的平行或近似平行激光耦合至单模光纤内，第二激光束在光纤内自由传输，并采用光纤分光器(10)实现精确分光。单模光纤两个出光处均采用光纤准直器(9)将光纤内自由传输光转变成准直光分别入射16m长程CO₂气体吸收池(11)和16m长程N₂气体吸收池(13)，在16m长程CO₂气体吸收池(11)，16m长程N₂气体吸收池(13)，在16m长程CO₂气体吸收池(11)出光口分别采用铟镓砷探测器(12a、12b)进行能量探测，由示波器(14)采集并由脉冲差频激光器(6)提供触发信号，同时，计算机(15)存储示波器(14)的采集值和红外脉冲波长计(16)的定标值，以及对脉冲差频激光器(6)实现反馈控制。

针对探测器和激光波长变动的双重作用的本底噪声，需要进行大波段的波长扫描的探测实验，具体做法是将双吸收池同时设置为真空状态，单个波长的积分脉冲数设为400，波长的扫描间隔设为0.06nm，记录探测结果，并将其作为本地噪声在吸收实验数据处理中进行扣除，得到纯净的吸收信号。

由于脉冲差频激光器的复杂性，on波长的稳频包括两部分：on波长确定和on波长稳频。稳频时需控制吸收池温度稳定于25℃，吸收池内气体压强温度于一个标准大气压强。

见图3，脉冲差频激光器输出on波长的确定方法具体包括步骤：

1.1采用红外脉冲波长计对第一激光束对进行粗定标，获得脉冲差频激光器输出红外激光波长真实值与标称值的差值，并获得真实值与标称值的线性拟合曲线，根据拟合结果确定脉冲差频激光器进行波长扫描的线性程度。

线性程度高，表明脉冲差频激光器在波长调节过程中的波长相对值会准确，误差比较小。这里，输出激光波长真实值即红外脉冲波长计的定标值；拟合曲线的横、纵坐标分别为输出激光波长真实值和输出激光波长标称值。

1.2脉冲差频激光器的大步长扫描。

设定大步波长扫描范围的起始波长、终止波长和波长间隔，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围进行大步长扫描，输出红外激光，对红外激光采用图2中所示的稳频装置获得大步波长扫描范围下的CO₂吸收谱，同时获取CO₂吸收峰位置，若吸收峰数量大于1，则重新设定大步波长扫描范围的起始波长和终止波长，并重复本步骤，直至获取具有单一吸收峰的CO₂吸收谱。

因为CO₂吸收峰波长处水汽的吸收较小，所以根据CO₂吸收峰位置设定大步波长扫描范围，设定的大步波长扫描范围要求包含CO₂吸收峰位置。根据文献查阅，选定CO₂吸收峰位置理论值是1572.018nm，本具体实施中，可将起始波长选择为CO₂吸收峰的短波方向半宽值，则起始波长为1571.900nm；终止波长选择CO₂吸收峰的长波方向半宽值，则终止波长为1572.100nm。波长间隔为1pm634nm和6pm1572nm，即，在输出波长为634nm时，调节波长间隔是1pm；由于输出的差频激光波长为1572nm，那么波长调节后，波长为1572nm时，波长间隔是6pm。

1.3缩小波长间隔，重新设定小步波长扫描范围，小步波长扫描范围的起始波长和终止波长同当前大步波长扫描范围的起始波长和终止波长，所述的当前大步波长扫描范围即步骤1.2中最终获得的单一CO₂吸收峰对应的大步波长扫描范围。脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围进行小步长扫描。

脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，产生第一个空回，方向为反向空回，起始波长到终止波长为正向；脉冲差频激光器再从小步波长扫描范围的起始波长开始进行小步长扫描，产生第二个空回，方向为正向空回。

脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围进行小步长扫描，得到CO₂吸收峰附近的精细CO₂吸收谱，通过小步长扫描获得的精细CO₂吸收谱要求尽量靠近CO₂吸收峰，且分布在吸收峰波长两侧，能够进行福格特(vogit)拟合。

本具体实施中，小步波长扫描范围起始波长和终止波长为1572.011nm和1572.023nm，波长间隔为0.01pm634nm和0.06pm1572nm，即，在输出波长为634nm时，调节波长间隔是0.01pm；由于输出的差频激光波长为1572nm，那么波长调节后，波长为1572nm时，波长间隔是0.06pm。

由于脉冲差频激光器输出红外激光的真实值和标称值间存在差值，在具体实施中，脉冲差频激光器需根据输出红外激光的真实值和标称值的线性拟合曲线调整输出红外激光波长的标称值，使得大步长扫描和小步长扫描的输出红外激光波长真实值符合设定的大步波长扫描范围和小步波长扫描范围。本发明是假设输出红外激光的真实值和标称值间呈线性关系，因此真实值和标称值的线性拟合曲线的线性程度越高，on波长确定和稳频效果会更准确。

1.4对步骤1.3获得的CO₂吸收谱线经vogit拟合去除噪点，获得CO₂吸收峰位置实测值b，并获得CO₂吸收峰位置实测值b与小步波长扫描范围起始波长a的补偿值b-a。

1.5将脉冲差频激光器输出波长跳转至步骤1.3设定的小步波长扫描范围起始波长，产生第三个空回，方向为反向空回，这时由于脉冲差频激光器中光栅转动产生空回，同样会使得跳转后到达波长位于起始波长右端。这时，反方向跳转，步长为补偿值b-a，产生第四个空回，方向为反向空回，使得四次空回所造成的误差相互抵消，使扫描后的on波长位置精确锁定在CO₂吸收峰(1572.018nm)。

对于脉冲差频激光器，其输出波长的不稳定主要来源两方面：(a)种子激光器(1)内部电流和温度的不稳定带来输出波长的偏移，和(b)染料激光器(4)光栅由机械马达带动引起的机械不稳定导致的输出波长不稳定。因此CO₂吸收峰确定后，需要将on波长长期稳定在当前CO₂吸收峰上，由于目前的红外脉冲波长计(16)测量精度无法达到亚pm级，因此需要进行光学厚度值分析，从而对on波长稳定性进行判断。

一般来说，激光雷达信号采集的积分时间在30s到5min之间，在该很短的积分时间内on波长稳定需要严格精确的on波长输出，因此对on波长进行稳定性评价，如果on波长发生漂移，则需要重新稳频；长时间内的on波长稳定，则需要on波长的长时间连续输出。本发明监测到发生on波长漂移后，随即进行校正，实现长时间序列内的on波长稳定。

短时间内on波长采用统计学中的假设检验进行稳定性评价，具体为：

定义先验样本x，采用步骤1.1～1.5多次重复确定on波长，同时记录下每次确定的on波长处各激光脉冲的光学厚度值，即样本x，其光学厚度值服从正态分布。

定义检验样本y，on波长确定后，需要其连续稳定输出，记录当前输出波长下各激光脉冲光学厚度值，即样本y。

样本x和y均服从正态分布，利用假设检验理论，比较样本x和y的精度F。如果y精度低于x，则重新查找on波长。主要计算公式为：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n_1}\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i---\left(1\right)$

$s_1^2=\frac{1}{n_1-1}\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2---\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n_2}\underset{i=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i---\left(3\right)$

$s_2^2=\frac{1}{n_2-1}\underset{i=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2---\left(4\right)$

假设 ${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2$ 或 ${\mathrm{\σ}}_1^2\≤{\mathrm{\σ}}_2^2$

$F=\frac{S_1^2}{S_2^2}---\left(5\right)$

式中，n₁为样本x中的样本数，x_i(i＝1,2……n₁)为样本x中单个样本观察值，为样本x_i(i＝1,2……n₁)的算数平均值，为样本xi(i＝1,2……n₁)的方差，是总体x的方差；n₂为样本y中的样本数，y_i(i＝1,2……n₂)为样本y中单个样本观察值，为样本y_i(i＝1,2……n₂)的算数均值，为样本y_i(i＝1,2……n₂)的方差，是总体y的方差；F为检验统计量，拒绝域为{F≥F_a(n₁-1.n₂-1)}，a是显著性水平，F_α(n₁-1,n₂-1)为F(n₁-1,n₂-1)分步上的分位点。

考虑到F分布查找问题，简化过程，将样本数均定为121，即n₁＝n₂＝121；考虑到显著性水平a是犯第一类错误的概率，选取相对低的显著性水平a使得误差更小，本具体实施中选取a＝0.01，对照F分布表得到F_a(n₁-1.n₂-1)＝1.76。一般情况下，激光雷达实验中要求on波长持续时间为5分钟。在该问题处理上，样本x是固定的，样本y随时间推移变化的，为实现on波长稳定，需要每6s进行一次波长稳定性评价，每次样本采集时间约为6s，即20*6+1＝121。

若需要长时间的信号积分(积分时间大于5min)，获取较光滑的激光雷达回波信号廓线，在该长时间段内稳定脉冲差频激光器on波长方法参见图4，具体步骤如下：

2.1依次记录并检查当前输出激光的光学厚度值。

2.2如果连续2个输出激光的光学厚度值均超出预设范围，则判断出现波长漂移；调节染料激光器输出波长，以最小步长向长波方向连续调节9次，每个波长输出10个脉冲；

本步骤中，预设范围为短时间内on波长稳定性评价中样本x的光学厚度值最大值和最小值构成的范围；最小步长与脉冲差频激光器型号有关，本具体实施中最小步长为0.01pm634nm。

2.3记录9个输出波长的光学厚度值，同步骤1.3得到的CO₂吸收峰谱匹配，确定当前波长的位置，并计算当前输出激光波长同on波长的波长差值；

2.4根据波长差值直接跳转到on波长。

步骤2.3中采用一维图像匹配法进行匹配，采用差平方和法进行评价。将输出激光的光学厚度值等同于图像中的灰度值，将测量得到的CO₂吸收谱作为参考数据，即目标图像，将步骤2.3记录的9个连续波长的光学厚度值作为待匹配图像窗口灰度值。由于连续波长的光学厚度值是一维、离散数据，差平方和定义为：

$S^2\left(c\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(g_i-g_{i+c}^{\′})}^2---\left(9\right)$

其中，g_i是目标图像位置i的灰度值，g_i+c是待匹配图像窗口位置i+c的灰度值，c表示波长位置；S²(c)是相关函数，找到S²(c)的最小值，该最小值对应的c₀即为匹配位置，即，S²(c₀)＜S²(c)且c≠c₀。在本发明的该步骤中c₀是主要运算结果，代表了测得的吸收谱的起始波长同本步骤中连续波长调节的起始步长之间的差值，从而计算后者同on波长的准确差值，波长跳转后，完成稳频。

Claims (10)

1.用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是，包括：

第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置；

波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；

第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通过自由光路分别进入CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池；

CO₂吸收谱获取单元，包括CO₂气体吸收池、N₂气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO₂吸收谱；

计算单元，用来根据CO₂吸收谱获取单元获得的CO₂吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。

2.如权利要求1所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是：

所述的自由光路为光纤光路，光纤光路的输入端和输出端均设有光纤准直器。

3.如权利要求2所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是：

所述的第二分光单元为设置在光纤光路中的光纤分光器。

4.用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是，包括步骤：

步骤1，采用波长粗定标单元对脉冲差频激光器的输出红外激光进行粗定标，获得输出红外激光波长的真实值，拟合输出红外激光波长的真实值和标称值进行线性拟合获得真实值和标称值的线性拟合曲线；

步骤2，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行大步长扫描，使得输出红外激光波长满足大步波长扫描范围，并通过调整大步波长扫描范围，获得具有单一吸收峰的CO₂吸收谱；所述的大步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，起始波长和终止波长位于CO₂吸收峰位置理论值两侧；

步骤3，脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行小步长扫描，使得输出红外激光波长满足小步波长扫描范围，并获得小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱，从而确定CO₂吸收峰位置实测值，即on波长；所述的小步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，小步波长扫描范围的起始波长和终止波长分别同当前大步波长扫描范围的起始波长和终止波长；大步波长扫描范围的波长间隔和小步波长扫描范围的波长间隔均为经验值，且大步波长扫描范围的波长间隔大于小步波长扫描范围的波长间隔；

步骤4，当CO₂探测激光雷达信号采集的积分时间不大于5min情况下的on波长稳频包括：

执行步骤2～3多次确定on波长，以各on波长对应的光学厚度值构建样本x；固定on波长，以脉冲差频激光器连续输出的各输出波长对应的光学厚度值构建样本y，采用统计学的假设检验理论进行精度评定，若样本y精度低于样本x精度，则执行步骤1～2重新确定on波长；直至样本y精度不低于样本x精度。

5.如权利要求4所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是：

步骤1进一步包括子步骤：

1.1脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围进行大步长扫描，对输出红外激光采用基于CO₂气体吸收池的饱和吸收法获得大步波长扫描范围下的CO₂吸收谱；

1.2判断大步波长扫描范围下的CO₂吸收谱中吸收峰数量，若吸收峰数量大于1，则调整大步波长扫描范围的起始波长和终止波长，但仍要求起始波长和终止波长位于CO₂吸收峰位置两侧，重新执行步骤1，直至获得具有单一吸收峰的CO₂吸收谱。

6.如权利要求4所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是：

所述的小步波长扫描范围的波长间隔为脉冲差频激光器的最小步长。

7.如权利要求4所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是：

步骤2中所述的小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱是对脉冲差频激光器的输出红外激光采用基于CO₂气体吸收池的饱和吸收法获得。

8.如权利要求4所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是：

CO₂探测激光雷达信号采集的积分时间大于5min情况下的on波长稳频进一步包括子步骤：

(1)根据设定的时间间隔依次获取脉冲差频激光器输出红外激光对应的光学厚度值，若连续n个输出红外激光的光学厚度值均超出预设范围，则以设定步长向长波方向连续m次调节染料激光器输出波长，m和n根据经验设定；所述的预设范围的上限和下限分别为样本x中光学厚度值的最大值和最小值；

(2)将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱进行匹配，匹配结果即当前输出红外激光波长位置；

(3)根据当前输出红外激光波长位置和on波长的差值将脉冲差频激光器输出跳转至on波长。

9.如权利要求8所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是：

子步骤6.2具体为：

将当前输出波长的光学厚度值等同于图像灰度值，将小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱作为目标图像，将m个输出波长对应的光学厚度值作为待匹配图像窗口灰度值，采用一维图像匹配法将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO₂吸收谱进行匹配。

10.如权利要求4所述的用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是：

还包括采用空回消除机械误差，具体包括：

步骤2执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后再从小步波长扫描范围的起始波长开始进行小步长扫描；

步骤3执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后以补偿值b-a为步长反向跳转，其中，a为小步波长扫描范围的起始波长，b为CO₂吸收峰位置实测值。