CN104155660B - 一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置及方法，包括Nd:YAG激光器，收发望远镜，自适应光学修正波前畸变的器件，主动激光导星，斩光器，后续FP鉴频器和控制装置。所述方法可以修正大气湍流和望远镜镜片及后继光学系统表面缺陷对355nm波长的后向散射信号耦合效率的影响。将自适应光学技术应用在激光雷达上，使用主动激光导星的方法，提高了直接探测测风激光雷达的探测性能。

Description

一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置及方法
技术领域
本发明属于直接探测测风激光雷达技术领域，具体涉及一种基于双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达的影响的装置及方法。
背景技术
近年来，随着航空航天技术的发展，在平流层开展用于通信、遥感、目标监视以及其他一系列用途的航空活动需求快速增加。因此对于平流层自身的天气气候与环境的监测与预报亦已成为重大的需求。发展高垂直分辨率的平流层观测手段，积累平流层时空变化数据，已成为从事大气科学研究、提高军事国防能力的迫切需要。车载多普勒测风激光雷达作为一种高时空分辨率、高精度的平流层观测手段，在从事大气科学研究、平流层环境监测等方面具有重要意义。
瑞利散射强度与波长的成正比，因此波长越短，后向散射信号越强。选用355nm进行高空测风比532nm效果好，但是355nm波长测风仍然存在后向散射信号比较弱。为了探测30km以上信号，通常采用增大光学望远镜面积和提高激光器出射功率的办法。实际上大气湍流和望远镜镜片及后继光学系统表面缺陷引起的波前畸变严重影响了光学耦合效率，降低了探测信噪比。
直接探测测风激光雷达的核心鉴频器是FP干涉仪。FP干涉仪在鉴频时，均假设入射光相位相同，不产生干涉相消现象。但是在实际应用过程中，由于大气湍流现象和接收望远镜表面平整度的限制。但实际入射到FP干涉仪中的光信号无法保证相位相同，会产生干涉相消现象。致使入射光强小于预期。入射光强是决定直接探测测风激光雷达性能的最重要参数。由于大气湍流和接收望远镜表面平整度导致的波前畸变，会极大影响直接探测测风激光雷达的性能。
激光雷达使用的大口径望远镜对镜片平整度要求很高，直径大于一米、平整度为的反射式望远镜镜片造价昂贵。而利用自适应光学技术来修正波前畸变，可以在较低投入成本下，将直接探测测风激光雷达中的光学耦合效率提高一个数量级。
激光导星多用在自适应光学系统的人造参考导引星(又称信标)中，分为基于分子瑞利散射的瑞利导星和Na原子共振散射的Na原子导星。Na原子导星结构复杂，对激光单色性要求高，但是对湍流的修正范围广，修正更准确，因此为天文激光导星的发展趋势，但在本方法中，由于我们主要修正测风激光雷达中大气湍流引起的波前畸变，平流层顶以下质量占大气总质量的80％，水蒸气占总量的99％以上，湍流现象主要发生在这里。从图1可以看出在波长为589nm时，20km左右的A点瑞利后向散射信号强度大于B点的Na原子共振散射信号强度。使用532nm波长，在20km高度处的信号强度可以实现探测，用作瑞利激光导星。
自适应光学是一项使用可变性镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。自适应光学的目的是修复大气湍流和光学器件工艺不完善等因素对光波波前的扭曲，自适应光学首先要检测波前扭曲情况，然后通过安装在望远镜焦面后方的一块小型的可变形镜面对波前实时进行矫正。可变形镜面后安装有促动器。可以用于补偿大气湍流造成的波前畸变。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率显著提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限。应用在直接探测测风激光雷达上，能提高激光雷达的性能。
使用波长为532nm的激光器次生激光在海拔20km的对流层顶制造一个人造激光导星。在望远镜反射镜与FP标准具之间增加一个波前传感器和波前矫正器，通过波前传感器探测出大气湍流和反射镜表面缺陷对回波信号造成的波前畸变，输入控制计算机，换算得来波长为355nm时矫正畸变所需形变，使用自适应光学原理控制波前矫正器产生形变，从而对波前畸变进行矫正。使入射到FP标准具的355nm光波信号具有相同相位。防止相干相消现象。提高直接探测测风激光雷达的性能。
发明内容
为了解决波前畸变问题，本方法提出了利用双波长自适应光学器件修正波前畸变。对直接探测测风激光雷达光路进行了改进，增加了反射式自适应光学器件，具体光路如图2所示。
本发明采用的技术方案为：一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置，该装置包括激光器、望远镜系统和自修正后续光路，激光器包括种子激光器、Q调制器、泵浦、二级放大器、三级放大器、二倍频器、三倍频器和色散分束器，望远镜系统包括发射望远镜，自修正后续光路包括斩波器、波前畸变探测器、波前畸变矫正器、光纤耦合器和后续探测系统，种子激光器产生1064nm的基频激光，经过Q调制器调制为脉冲光，经过泵浦进行能量放大，然后又经过二级放大器和三级放大器实现三级放大，达到预期能量之后注入二倍频器倍频产生532nm波长激光，再经过三倍频器产生355nm波长激光。此时激光含有1064nm，532nm和355nm三种波长的激光。激光经过色散分束器分离出无用的1064nm的激光，再经过色散分束器分离开355nm和532nm波长的激光，分别注入两个发射望远镜。532nm波长的发射望远镜聚焦在海拔20km高的平流层顶端形成一个主动式激光导星，激光导星的后向散射信号和355nm准直探测光源的后向散射信号一起被望远镜系统接收，并将准直光波入射在色散分束器上，其中532nm波长的信号透射，355nm波长信号反射进入波前畸变矫正器。532nm透射光经过斩波器斩波，选择20km平流层顶段的信号通过，并将其入射在波前畸变探测器上。波前畸变探测器将检测到的波前畸变信号输送给计算机，计算机将532nm的波前畸变转换为355nm波前畸变量，并将所需修正参数传输给波前畸变矫正器对355nm波长的波前畸变进行修正。修正之后的355nm波长信号经过光纤耦合器耦合进光纤系统，并将信号输入到FP鉴频器和后续探测系统。后续探测系统输出的信号输入计算机进行处理和保存。
本发明另外提供一种基于双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的方法，利用上述的基于双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置，其特征在于：同时利用了355nm和532nm双波长的激光，收发望远镜，斩光器，波前探测器，波前修正器，PF鉴频器和主动激光导星，具体步骤如下：
步骤(1)、激光器产生355nm和532nm波长的激光，其中532nm波长经过发射望远镜聚焦在海拔20km的平流层顶，制造一个主动激光导星；
步骤(2)、接收望远镜接收两种波长产生的后向散射信号，其中532nm波长的信号经过色散分束器透射，经斩光器截取20km的后向散射信号，进入波前探测器进行探测；
步骤(3)、探测后的信号经过计算机转换为355nm波长所需修正的波前畸变量，发送给波前修正器进行波前畸变修正，同时开启FP鉴频器的后续探测系统进行探测直接探测测风探测。
本发明的创新点有4个，1.通过对532nm次生光源的利用，将自适应光学应用在直接探测测风激光雷达上，降低了系统对望远镜镜片和后续光路表面缺陷的要求，减小了湍流对激光雷达性能的影响。2.测量532nm波长的波前畸变，通过计算机转换为355nm波前畸变，并对355nm回波信号进行修正，没有对355nm的工作波长产生衰减，实现了探测信号能量的最大利用。3.通过光波前畸变的探测和矫正，减小了信号光进入FP鉴频仪之前的干涉相消现象，提高了直接探测测风激光雷达的SNR。4.根据532nm波长激光雷达后向散射信号的回波情况实现瑞利激光导星，降低了系统的复杂度，实现对平流层顶以下的大气湍流修正的目的。
附图说明
图1为589nm波长下大气后向散射信号分布情况；
图2为双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响方法的原理图；
图3为系统的脉冲时序图；
图4为未经图3是未经过双波长自适应光学波前畸变修正的后向散射信号干涉图；
图5为经过双波长自适应光学波前畸变修正的后向散射信号干涉图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本方法应用在直接探测测风激光雷达上。种子激光器1产生1064nm的基频激光，经过Q调制器2调制为脉冲光，经过泵浦3进行能量放大，然后又经过二级放大器4和三级放大器5实现三级放大，达到预期能量之后注入二倍频器6倍频产生532nm波长激光，再经过三倍频器7产生355nm波长激光。此时激光含有1064nm(8)，532nm(10)和355nm(9)三种波长的激光。激光经过色散分束器分离出无用的1064nm(8)的激光，再经过色散分束器分离开355nm(10)和532nm(9)波长的激光，分别注入两个发射望远镜11。532nm波长的发射望远镜11聚焦在海拔20km高的平流层顶端形成一个主动式激光导星，激光导星的后向散射信号和355nm准直探测光源的后向散射信号一起被望远镜系统19接收，并将光波准直12后入射在色散分束器上，其中532nm波长的信号透射，355nm波长信号反射进入波前畸变矫正器15。532nm透射光经过斩波器13斩波，斩波器透过门限中心与激光脉冲时间间隔为Δt，斩波器透过门宽选取6.7μs，对应接收信号范围为20±1km。斩波器透过率门限选取选择20km平流层顶段的信号通过，并将其入射在波前畸变探测器14上。波前畸变探测器14将检测到的波前畸变信号输送给计算机，计算机将532nm的波前畸变转换为355nm波前畸变量，并将所需修正参数传输给波前畸变矫正器15对355nm波长的波前畸变进行修正。完成之后鉴频器和后续探测系统开始工作。修正之后的355nm波长信号经过光纤耦合器16耦合进光纤系统，并将信号输入到FP鉴频器和后续探测系统17。信号输入计算机进行处理和保存。
系统时序图如图3所示：355nm波长激光与532nm波长激光同时产生，并由发射望远镜11发射，经过Δt＝0.13ms之后，20km平流层顶的主动激光导星后向散射信号通过斩波器13进入波前探测器14，激发波前探测器14产生电流信号。信号经过计算机计算并经过波前矫正器15矫正之后，开启355nm波长探测系统的门控，探测器探测产生电流信号。
通过双波长自适应光学方法修正波前畸变之后，减小了大气湍流和激光雷达望远镜以及后续光路表面缺陷对信号产生的波前畸变，达到了532nm次生光源的利用。在较小的投入下得到了直接探测测风激光雷达性能的极大提高。图4是未经过双波长自适应光学波前畸变修正的标准镜面反射信号干涉图，图5是经过修正之后的干涉图。

Claims (2)

1.一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置，其特征在于：该装置包括激光器(18)、望远镜系统(19)和自修正后续光路(20)；激光器(18)包括种子激光器(1)、Q调制器(2)、泵浦(3)、二级放大器(4)、三级放大器(5)、二倍频器(6)、三倍频器(7)和色散分束器，望远镜系统(19)包括发射望远镜(11)，自修正后续光路(20)包括斩波器(13)、波前畸变探测器(14)、波前畸变矫正器(15)、光纤耦合器(16)和后续探测系统(17)，种子激光器(1)产生1064nm的基频激光，经过Q调制器(2)调制为脉冲光，经过泵浦(3)进行能量放大，然后又经过二级放大器(4)和三级放大器(5)实现三级放大，达到预期能量之后注入二倍频器(6)倍频产生532nm波长激光，再经过三倍频器(7)产生355nm波长激光，此时激光含有1064nm(8)，532nm(10)和355nm(9)三种波长的激光，激光经过色散分束器分离出无用的1064nm(8)的激光，再经过色散分束器分离开355nm(10)和532nm(9)波长的激光，分别注入两个发射望远镜(11)，532nm波长的发射望远镜(11)聚焦在海拔20km高的平流层顶端形成一个主动式激光导星，激光导星的后向散射信号和355nm准直探测光源的后向散射信号一起被望远镜系统(19)接收，并将准直光波(12)入射在色散分束器上，其中532nm波长的信号透射，355nm波长信号反射进入波前畸变矫正器(15)，532nm透射光经过斩波器(13)斩波，选择20km平流层顶段的信号通过，并将其入射在波前畸变探测器(14)上，波前畸变探测器(14)将检测到的波前畸变信号输送给计算机，计算机将532nm的波前畸变转换为355nm波前畸变量，并将所需修正参数传输给波前畸变矫正器(15)对355nm波长的波前畸变进行修正，修正之后的355nm波长信号经过光纤耦合器(16)耦合进光纤系统，并将信号输入到FP鉴频器和后续探测系统(17)，后续探测系统(17)输出的信号输入计算机进行处理和保存。
2.一种双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的方法，利用权利要求1所述的双波长自适应光学修正波前畸变对直接探测测风激光雷达影响的装置，其特征在于：同时利用了355nm(9)和532nm(10)双波长的激光，望远镜系统(19)，斩光器(13)，波前畸变探测器(14)，波前畸变矫正器(15)，FP鉴频器和后续探测系统(17)和主动式激光导星，具体步骤如下：
步骤(1)、激光器(18)产生355nm和532nm波长的激光，其中532nm波长经过发射望远镜(11)聚焦在海拔20km的平流层顶，制造一个主动式激光导星；
步骤(2)、望远镜系统接收两种波长产生的后向散射信号，其中532nm波长的信号经过色散分束器透射，经斩光器(13)截取20km的后向散射信号，进入波前畸变探测器(14)进行探测；
步骤(3)、探测后的信号经过计算机转换为355nm波长所需修正的波前畸变量，发送给波前畸变矫正器进行波前畸变修正，同时开启FP鉴频器和后续探测系统进行直接探测测风探测。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105530044B (zh) * 2015-12-25 2018-03-02 武汉大学 一种星地链路激光湍流传输模拟与通信性能检测装置
CN109682465B (zh) * 2018-12-29 2020-12-25 北京邮电大学 一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统
CN113514853B (zh) * 2021-04-07 2023-12-08 厦门大学 一体化激光探测方法和一体化探测激光雷达

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5139832B2 (ja) * 2008-02-14 2013-02-06 浜松ホトニクス株式会社 観察装置
US20120215456A1 (en) * 2011-02-23 2012-08-23 CytoRay System and method for cellular optical wavefront sensing
CN102967445B (zh) * 2012-11-19 2015-01-14 核工业理化工程研究院 偏振分光镜热畸变的测量装置及测量方法

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