CN104007445A - 全光纤激光雷达气溶胶探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，包括信号发射通道，用于发出激光信号；信号接收通道，用于接收发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生的回波信号；信号处理通道，用于将回波信号转换为电信号并进行分析处理；信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道为全光纤结构。本发明具有连续高重频、高灵敏度等特点，采用的全光纤结构，能够实现高达20kHz，皮瓦量级的信号探测，具有很高的时空分辨率，整个系统体积小，稳定性高。

Description

全光纤激光雷达气溶胶探测装置

技术领域

本发明属于激光雷达领域，特别涉及一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001-100um的液体或固体微粒，它的产生受自然源(火山、沙尘暴等)和人工源(工业、农业活动等)多方面因素的影响。虽然气溶胶在大气中的含量相对较少，却可以改变大气的循环模式，影响局部地区的空气质量和气候变化，甚至危及人们的人身健康和生存环境。因此，对气溶胶探测的研究近年来也受到越来越多的重视。

激光雷达是大气参数探测的有效手段之一，是一种具有高时空分辨率，可以连续监测气溶胶变化的主动遥感设备。由于激光发散角小、波长短、能量密度高、单色性好等特性，能有效的与大气气溶胶粒子相互作用，使激光雷达可以有效的监测气溶胶光学特性及分布特征，弥补过去传统探测仪器的不足。

常用的用来精确测量反演大气气溶胶分布信息的有拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达，两者相比，拉曼激光雷达是一种结构相对简单，成本低廉，新兴的一种气溶胶探测雷达技术，通过激光和气溶胶粒子非弹性散射间接反演获得气溶胶特性信息，必须考虑气溶胶粒子组分、散射光谱及抑制其他散射信号等的影响。米氏散射激光雷达是最为常见的一种用来测量气溶胶特性的雷达，利用激光与大气气溶胶粒子之间的米氏散射获得相应的回波信号，散射回波与散射粒子(如气溶胶)有关，因而可以反演计算出表征散射粒子特性的某些参数(参考[1]周军，岳古明等.大气气溶胶光学特性激光雷达探测[J].量子电子学报，1988，15(2))。

先前技术[2](伯广宇等.探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达[J].光学学报，2010,30(1))给出了合肥地区对流层温度、气溶胶的常规观测数据，采用532nm脉冲固体激光器，在20Hz重频下，累计10000次脉冲信号获得30m的空间分辨率；先前技术[3](Zhou jun,et al.Two-Wavelength Mie Lidar forMonitoring of Tropospheric Aerosol[J].Acta Optica Sinica,2000,20(10))建立了一台双波长Mie散射激光雷达，同时探测532nm和1064nm两个波长对流层气溶胶消光系数的垂直廓线，也是采用脉冲固体激光器、空间光路来实现回波信号探测，结构庞大复杂(需水冷)，重频低，分辨率有限。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种连续高重频、高灵敏度全光纤激光雷达气溶胶探测装置，采用全光纤结构实现，能够实现高达20kHz，皮瓦量级的信号探测；具有很高的时空分辨率，整个系统体积小，稳定性高。

技术方案：一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，包括：

信号发射通道，用于发出激光信号；

信号接收通道，用于接收发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生的回波信号；

信号处理通道，用于将回波信号转换为电信号并进行分析处理；

所述信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道为全光纤结构。

所述信号发射通道与信号接收通道之间设置环形器，用于将激光信号的发射与回波信号的接收光路同轴，环形器还与信号处理通道相连，信号接收通道接收的回波信号经由环形器输送到信号处理通道。

所述环形器为三端口结构，环形器的端口Ⅰ连接信号发射通道，环形器的端口Ⅱ连接信号接收通道，环形器的端口Ⅲ连接信号处理通道，信号发射通道发出的激光信号输入到端口Ⅰ后由端口Ⅱ输出至信号接收通道，信号接收通道接收到的回波信号输入到端口Ⅱ由端口Ⅲ输出至信号处理通道。

所述信号发射通道包括脉冲光纤激光器和光隔离器，脉冲光纤激光器为全光纤结构，用于发出激光信号及对激光信号的脉宽和功率进行调节。采用全光纤结构脉冲激光器作为信号源，具有高重频、高平均功率、脉宽、功率可调节的特点，光束质量高，结构稳定，无需水冷。

所述光隔离器为光纤隔离器，通过光纤熔接与脉冲光纤激光器连接，用于消除回波信号的对激光器的影响。

所述信号接收通道包括沿所述激光信号传播方向依次设置的传导光纤、望远镜系统，望远镜系统包括目镜和物镜，传导光纤位于目镜的前焦面处，与目镜完成光纤耦合器功能。

所述传导光纤为粗纤芯的多模光纤，传导光纤的数值孔径NA>＝0.18，具有大数值孔径。

所述信号处理通道包括沿依次设置的滤波片、雪崩光电二极管、光子计数器及数据处理系统。雪崩光电二极管配合滤波片使用具有增益和灵敏度高、响应速度快的特点，能够实现微弱信号的实时检测，增加整体探测能力。

所述滤波片为1064nm在线窄带滤波片，两端带光纤输出封装。

所述雪崩光电二极管为光纤接收端口，用于直接接收光纤信号或空间光信号。

工作原理：发出的激光信号依次通过光学隔离器、环形器，并由传导光纤直接输出注入到望远镜系统，准直扩束后射向大气；被气溶胶散射的回波信号通过望远镜接收系统再次耦合进传导光纤，并经过环形器改变方向，由光纤输出到滤波片，经雪崩光电二极管转变为电信号，通过后续光子计数器、数据处理及反演即可获得所需的气溶胶特性数据。

有益效果：本发明提出采用全光纤结构实现，能够实现高达20kHz，皮瓦量级的信号探测；具有很高的时空分辨率，整个系统体积小，稳定性高。脉冲光纤激光器具有较高光束质量，重频高达20kHz，平均功率为10W，脉宽10～200ns可调，输出的1064nm激光适合于米氏散射激光雷达应用，能更快获得分辨率更高气溶胶特性数据。激光雷达内部采用光纤传导信号，可以更好消除杂散光影响，增加信噪比。可以有效实现微弱信号检测，结构紧促轻便，简单稳定。

与目前气溶胶探测方案相比还具有如下特点：

1.采用全光纤结构脉冲激光器作为信号源，具有高重频、高平均功率、脉宽、功率可调节的特点，光束质量高，结构稳定，无需水冷；

2.信号收发均采用全光纤结构实现，减小光路损耗，使系统体积小巧，结构简单；环形器的使用可以实现收发天线同轴，降低了信号追踪、捕获难度。

3.雪崩光电二极管配合滤波片使用具有增益和灵敏度高、响应速度快的特点，能够实现微弱信号的实时检测，增加系统的探测能力。

4.激光雷达是一种具有高时空分辨率、可连续工作的主动遥感设备，能够联网数据共享，实现大幅面长时间气溶胶变化的监测。

附图说明

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，包括脉冲光纤激光器1、光隔离器2、环形器3、传导光纤4、望远镜系统5、出射光束6、回波信号7、滤波片8、雪崩光电二极管9、光子计数器10和数据处理系统11。望远镜系统5由目镜51、物镜52构成，为标准的望远镜系统，同时作为发射天线和接收天线；脉冲光纤激光器1为MOPA结构的全光纤脉冲激光器，波长1064nm，平均功率<10W，重频<20kHz，脉宽和功率可调节，脉冲光纤激光器1重复频率从几十Hz到20kHz，脉宽为10-200ns可调，脉冲光纤激光器1使本发明气溶胶雷达空间分辨率极限能达到几十甚至十几米精度。脉冲光纤激光器1产生的激光信号经过光隔离器2、环形器3直接由传导光纤4散射输出到望远镜系统目镜51、物镜52，经扩束准直后直接输出作为出射光束6；环形器3为三端口结构，环形器的端口Ⅰ与光隔离器2连接，环形器的端口Ⅱ所连接的传导光纤4的端面位于望远镜系统5目镜51的前焦面处，与目镜51完成光纤耦合器功能，端口Ⅲ直接通过滤波片8与雪崩光电二极管9光纤连接。脉冲光纤激光器1发出的激光信号经光隔离器2输入到端口Ⅰ后由端口Ⅱ输出至传导光纤4，信号接收通道接收到的回波信号7输入到端口Ⅱ由端口Ⅲ输出至滤波片8。

气溶胶散射的回波信号7经望远镜系统5接收耦合进入传导光纤4，通过环形器4单向入射到滤波片8，经雪崩光电二极管9光电转换后由光子计数器10得到相应的数字信号送给数据处理系统11。传导光纤4为粗纤芯的多模光纤，具有大数值孔径，数值孔径NA>＝0.18，有更大的接收角；滤波片8为1064nm在线窄带滤波片，两端带光纤输出封装；雪崩光电二极管9可配置为光纤接收端口，可以直接接收光纤信号或空间光信号。光隔离器2为光纤隔离器，通过光纤熔接与环形器3及脉冲光纤激光器1连接，消除回波信号7的对激光器的影响。

脉冲光纤激光器1发出的1064nm激光信号依次通过光隔离器2、环形器3并由传导光纤4接输出注入到望远镜系统5准直扩束后射向大气；被气溶胶散射的回波信号7通过望远镜系统5再次耦合进传导光纤4，并经过环形器3改变方向，由光纤输出到滤波片8，经雪崩光电二极管9转变为电信号，通过后续光子计数器10、数据处理系统11反演即可获得所需的气溶胶特性数据。

其中脉冲光纤激光器1输出功率也可通过调节种子源101和泵浦源105功率与气溶胶层高度进行匹配，最大为10W；雪崩光电二极管9具有高灵敏度和高增益特性，且全光纤光路有助于抑制杂散光混入，因此整个装置可以实现高信噪比、皮瓦量级微弱回波信号探测。

本发明探测气溶胶的原理过程为：

大气中主要弹性散射有米氏散射和瑞利散射，散射强度均随高度减小，并与波长长短有关，短波长瑞利散射较强，长波长米氏散射为主；此处选择波长较长的1064nm作为信号激光，可以获得较强的米氏散射信号。

对于Mie散射激光雷达，其探测大气气溶胶的激光雷达方程可表示为：

$P\left(z\right)=\frac{P_0\mathrm{C\&beta;}\left(z\right)}{z^2}\exp [-2{\&Integral;}_0^z\mathrm{\&alpha;}\left(z\right)\mathrm{dz}],$

式中P₀为激光的发射功率，C为激光雷达的系统常数，z为探测距离，α(z)和β(z)分别为高度z处大气的总的后向散射系数和消光系数。

对一般的大气环境，采用Klett法反演大气消光系数，则系数α(z)和β(z)存在如下关系：

β(z)＝B·α^k(z)

考虑激光雷达回波信号的距离平方修正函数：

D(z)＝P(z)·z²

则Z_c处以下各高度上的气溶胶粒子的消光系数α(z)及后向散射系数β(z)分别为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(z\right)=\frac{P\left(z\right)\&CenterDot;z^2}{\frac{P\left(z_c\right)\&CenterDot;z_c^2}{\mathrm{\&alpha;}\left(z_c\right)}+2{\&Integral;}_{z\&prime;}^{z_c}P(z\&prime;)\&CenterDot;{z\&prime;}^2\mathrm{dz}\&prime;}-{\mathrm{\&alpha;}}_m\left(z\right)$

$\mathrm{\&beta;}\left(z\right)=\frac{P\left(z\right)\&CenterDot;z^2}{\frac{P\left(z_c\right)\&CenterDot;z_c^2}{\mathrm{\&beta;}\left(z_c\right)}+2S{\&Integral;}_{z\&prime;}^{z_c}P(z\&prime;)\&CenterDot;{z\&prime;}^2\mathrm{dz}\&prime;}-{\mathrm{\&beta;}}_m\left(z\right)$

式中B和k与激光雷达波长及气溶胶粒子的性质和尺度谱分布有关，取值范围可查阅相关文献获得，S为激光雷达比，z_c为事先已知消光系数和后向散射系数的某一边界高度值；α_m(z)和β_m(z)分别为大气分子消光系数和后向散射系数，具体可通过美国标准大气模型获得。

因此，只要精确测量到米氏散射的回波信号功率，就可以反演出大气中相应高度的气溶胶消光系数和后向散射系数，对所得消光系数求积分即可得到大气气溶胶的光学厚度，经过长时间观测及迭代，最终获得气溶胶大幅面的分布特性和变化趋势。

而采用雪崩光电二极管9和光子计数器10作为回波信号的接收单元，实际上记录的是回波信号7的功率和对应的光电子数N(z),与接收光功率P(z)关系为：

$N\left(z\right)=\left(\frac{\mathrm{\&eta;\&lambda;}}{\mathrm{hc}}\right)P\left(z\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}$

式中η为雪崩光电二极管探测器的量子效率，λ为对应激光波长，h为Plank常数，Δt为米氏散射激光雷达信号的采集时间，Δt＝2Δz/c，Δz对应着空间的距离分辨率；由于雪崩光电二极管具有较高的内增益，对于一定功率的回波信号P(z)，光子计数器最小响应度不变，相反的，距离分辨率Δz越小，系统的空间分辨率则越高。

下面是一个实施例的具体设计参数：

一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，脉冲光纤激光器1采用两级MOPA结构实现，种子源101为脉冲驱动1064nm半导体激光器，输出峰值功率为1W，泵浦源105为脉冲驱动的976nm半导体激光器，第一增益光纤103、第二增益光纤108为掺镱双包层光纤，纤芯/包层为10/130um，每级放大约17dB，最终脉冲光纤激光器1实现重频10kHz，脉宽20ns，峰值功率约10kW的脉冲光输出，功率稳定性小于3％，光束质量1.3。连接望远镜系统5和环形器3的传导光纤4内径200um，NA＝0.22，对应的光纤接收角为12.7度。考虑望远镜系统5扩束的同时会降低系统视场角，故望远镜系统5放大倍数M不能太大，但是为了接收更多的回波信号能量，又需要更大口径的望远镜物镜52，综合考虑此处取望远镜放大倍数M＝6，物镜52口径为300mm，则目镜51口径为50mm，目镜51焦距为200mm。此处以光纤接收视场计算，系统的有效接收视场为2.2度，若光纤耦合效率最小为10％，雪崩光电二极管9最小可探测功率为0.5pW/Hz1/2，则可实现最小百皮瓦回波功率探测，十几米的空间分辨距离，具有较高灵敏度和空间分辨率。

Claims (10)

1.一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，包括：

信号发射通道，用于发出激光信号；

信号接收通道，用于接收信号发射通道发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生的回波信号(7)；

信号处理通道，用于将回波信号(7)转换为电信号并进行分析处理；

所述信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道均为全光纤结构。

2.根据权利要求1所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述信号发射通道与信号接收通道之间设置环形器(3)，用于将激光信号的发射光路与回波信号(7)的接收光路同轴，环形器(3)还与信号处理通道相连，信号接收通道接收的回波信号(7)经由环形器(3)输送到信号处理通道。

3.根据权利要求2所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述环形器(3)为三端口结构，环形器(3)的端口Ⅰ连接信号发射通道，环形器(3)的端口Ⅱ连接信号接收通道，环形器(3)的端口Ⅲ连接信号处理通道，信号发射通道发出的激光信号输入到端口Ⅰ后由端口Ⅱ输出至信号接收通道，信号接收通道接收到的回波信号(7)输入到端口Ⅱ由端口Ⅲ输出至信号处理通道。

4.根据权利要求1所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述信号发射通道包括脉冲光纤激光器(1)和光隔离器(2)，脉冲光纤激光器(1)为全光纤结构，用于发出激光信号及对激光信号的脉宽和功率进行调节。

5.根据权利要求4所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述光隔离器(2)为光纤隔离器，通过光纤熔接与脉冲光纤激光器(1)连接，用于消除回波信号(7)的对激光器的影响。

6.根据权利要求1所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述信号接收通道包括沿所述激光信号传播方向依次设置的传导光纤(4)、望远镜系统(5)，望远镜系统(5)包括目镜(51)和物镜(52)，传导光纤(4)位于目镜(51)的前焦面处，与目镜(51)完成光纤耦合器功能。

7.根据权利要求6所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述传导光纤(4)为粗纤芯的多模光纤，传导光纤(4)的数值孔径NA>＝0.18。

8.根据权利要求1所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述信号处理通道包括沿依次设置的滤波片(8)、雪崩光电二极管(9)、光子计数器(10)及数据处理系统(11)。

9.根据权利要求8所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述滤波片(8)为1064nm在线窄带滤波片，两端带光纤输出封装。

10.根据权利要求8所述的全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管(9)为光纤接收端口，用于直接接收光纤信号或空间光信号。