CN104181545A - 一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，采用OPO激光器经扩束器扩束准直后变成平行光束，经反射镜入射到大气中，大气后向散射型号，经望远镜接收后，通过窄带干涉滤波片抑制杂散光后，透镜耦合到光纤中，光纤将光信号聚焦在InGaAs APD单光子计数系统后，通过数据采集卡数据采集处理后，存储并现实在计算机上，最后，由计算机进行数据信号处理得到大气气溶胶参数。

Description

一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，属于脉冲激光雷达的技术领域。
背景技术
目前，用于探测气溶胶激光雷达系统包括激光发射单元(脉冲激光器、激光扩束和准直)、激光接收单元(望远镜、干涉滤波片)、信号探测单元和数据采集与处理单元组成。激光发射单元发射脉冲信号到大气中，通过望远镜接收散射信号，经探测单元探测，经数据采集与处理单元处理后，实现大气气溶胶消光比等参数。
目前，一般激光雷达采用的激光波长532nm或者1064nm测量气溶胶，一般激光雷达能量比较大(0.1-1J)，探测距离远，但对人眼安全造成一定的伤害。因此，逐渐发展为一种微脉冲激光雷达，这种激光雷达采用低脉冲(1-50uJ)、高重复频率的激光光源，通过降低能量实现了对人眼安全的，发展人眼安全的激光雷达受到探测器件影响。但是这种微脉冲激光雷达存在如下缺陷：
1、探测距离比较近，脉冲能量在uJ级别，远不如初期发展的激光雷达，能量大的激光雷达对人群不安全；
2、从激光波长来说，人眼虹膜容易吸收1064nm激光，无论能量多小，对人眼安全是也是有害的；
3、对于气溶胶浓度分布比较浓的地方，532nm的穿透能力比较弱，测量距离比较近，而1064nm的激光能量对人眼不安全。
4、目前的激光雷达最长波段是1064nm，对于探测大颗粒的人眼安全的1.5um波段的激光雷达尚未发现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，该激光雷达系统突破了现有技术壁垒，采用人眼安全波长激光器和相应的In-Ga-As APD单元的单光子计数计数，实现人眼安全、测量距离远、系统结构简单的脉冲激光雷达，该系统主要用于探测云层高度及气溶胶密度等大气参数。
技术术语：
OPO激光器：是一种光学参量振荡器,是利用非线性晶体的混频特性实现频率变换的器件,其中有一个或两个光波具有振荡特性,具有可调谐,系统紧凑的特点。
本发明的技术方案如下：
一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，包括激光部、反射激光采集部和数据采集单元；
所述的激光部包括激光器和扩束器，所述激光器发出的激光通过扩束器和一对平行设置的反射镜实现平移，使所述平移后激光的出射方向与所述反射激光采集部同轴设置；所述的激光器的参数为1)波长范围：1.4-1.8μm；2)单脉冲能量:>10uJ；3)脉冲重复频率：1-50kHz；所述的激光器为OPO激光器或拉曼激光器；所述扩束器实现对激光的扩束和准直,使输出激光具有较小发散角；所述OPO激光器是通过OPO光参量振荡输出人眼安全激光，拉曼激光器是采用拉曼效应产生的人眼安全波段激光，人眼安全激光的波段定义是在1.5-1.8μm，此处的激光摄入到人眼时可以被人眼的角膜吸收，不会摄入到视网膜上，这样避免了视网膜的损害；
所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次设置的望远镜、窄带干涉滤波片和透镜；其中所述望远镜的尺寸孔径根据所需要探测的距离来进行决定属于现有技术内容；
所述数据采集单元包括InGaAs APD单光子计数系统，所述透镜通过光纤与所述InGaAs APD单光子计数系统相连；所述InGaAs APD单光子计数系统的参数如下：光子计数率：24MHz；暗计数率300Hz；门控速度1GHz。该系统采用上述参数后其探测效率大于16％；本发明采用的技术指标较以往单光子探测系统有很大程度提高。
所述数据采集单元还包括数据采集卡和计算机；所述数据采集卡采集InGaAs APD单光子计数系统中采集到的激光数据并将其传输至计算机；
InGaAs APD单光子计数系统和数据采集单元的触发信号直接来源于所述激光器的触发信号；
所述数据采集卡为实现单光子计数功能的单光子计数卡。
根据本发明优选的，所述数据采集卡采用MSP-800系列的单光子计数卡，计数卡的参数指标如下，通道方式：双通道；测量速度：800MHz；门脉冲宽度：1ns；插槽形式：PC插槽。数据采集后经现有的Fernand方法处理得到气溶胶的消光系数，处理方法如下：根据获得的激光能量信号先进行距离矫正，并利用通过美国大气标准分子获得的大气分子消光系数进行Fernand算法进行求解，获得大气消光系数。
根据本发明优选的，所述InGaAs APD单光子计数系统,系统采用1.25GHz的正弦门控实现InGaAs APD探测器处于盖革模式。此处设计用于实现后向散射探测信号的弱光信号的采集。
根据本发明优选的，所述望远镜的参数如下：
1)光学设计：施密特-卡塞格林式；
2)望远镜有效孔径：305mm；
3)焦距：3048mm；
4)焦比：f/10。
根据本发明优选的，所述窄带干涉滤波片为非球面透镜，参数如下：
1)中心波长：1535nm；
2)带宽：1.5nm。
此处所述窄带干涉滤波片,其抑制激光波长以外的杂散光,并输出后向散射探测信号。窄带滤波片选用非球面透镜，避免了光学接收系统的色散问题。
根据本发明优选的，所述透镜参数如下：
1)透镜焦距：18.4mm；
2)数值孔径：0.15；
3)透镜形式：非球面透镜。
此处的透镜采用小孔径非球面透镜方式，较其他气溶胶激光雷达系统相比，从光学方面解决了透镜汇聚光所带来的球差的影响，而且可以实现单模光纤信号对探测器的耦合。另外采用小孔径的非球面透镜，可以实现实现抑制背景噪声的目的。
根据本发明优选的，所述OPO激光器采用半导体激光器作为激光泵浦源，YVO4作为激光晶体材料，KTA/KTP作为非线性光学晶体材料。
根据本发明优选的，所述OPO激光器的输出激光能量2-3W,重复频率10-50KHz,激光波长1535nm，OPO激光器发散视场角1mrad。
根据本发明优选的，所述扩束器的扩束倍数为10倍。此处所述激光扩束器将激光器发散视场角进行压缩到0.1mrad，这样可以保证雷达系统获得良好的结果。
本发明的优势在于：
1、本发明所述雷达采用一种安全激光波长1535nm，能够保证人眼的安全，而且处于红外阶段，隐蔽性更强。
2、本发明采用参数特定的InGaAs APD单光子计数系统，进行远距离探测，探测距离较现有微脉冲激光雷达更远。
3、本发明采用激光发射和接收共轴系统，实现激光发射和接收的盲区最小化；所述共轴系统采用两面反射镜实现激光的发射和接收同轴。
4、本发明所述探测器单元采用正弦门控实现In-Ga-As APD单光子的计数探测单元，能够高灵敏度的探测微弱信号。
5、本发明所述探测器和数据采集的触发信号直接来源激光器的触发信号，不需要额外的探测器获得信号，减少了光触发延时，提高了空间分辨率精度。
6、本发明所使用的光学接收系统采用非球面透镜，解决了以往透镜色散的问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
其中，1、OPO激光器；2、扩束器；3、反射镜；4、反射镜；5、望远镜；6、窄带干涉滤波片；7、非球面透镜；8、光纤；9、InGaAs APD单光子计数系统；10、数据采集卡；11、计算机。
具体实施方式
下面结合实例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
如图1所示。
一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，包括激光部、反射激光采集部和数据采集单元；
所述的激光部包括激光器和扩束器2，所述激光器1发出的激光通过扩束器2和一对平行设置的反射镜3实现平移，使所述平移后激光的出射方向与所述反射激光采集部同轴设置；所述的激光器的参数为1)波长范围：1.4-1.8μm；2)单脉冲能量:>10uJ；3)脉冲重复频率：1-50kHz；所述激光器为OPO激光器，所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次设置的望远镜5、窄带干涉滤波片6和透镜；所述透镜为非球面透镜7；
所述数据采集单元包括InGaAs APD单光子计数系统9，所述非球面透镜7通过光纤与所述InGaAs APD单光子计数系统9相连；该系统9的参数如下：光子计数率：24MHz；暗计数率300Hz；门控速度1GHz。
所述望远镜5的参数如下：
1)光学设计：施密特-卡塞格林式；
2)望远镜有效孔径：305mm；
3)焦距：3048mm；
4)焦比：f/10。
所述窄带干涉滤波片6为非球面透镜，参数如下：
1)中心波长：1535nm；
2)带宽：1.5nm。
所述非球面透镜7参数如下：
1)透镜焦距：18.4mm；
2)数值孔径：0.15；
3)透镜形式：非球面透镜。
所述OPO激光器采用半导体激光器作为激光泵浦源，YVO4作为激光晶体材料，KTA/KTP作为非线性光学晶体材料。
所述述OPO激光器的输出激光能量2-3W,重复频率10-50KHz,激光波长1535nm，OPO激光器发散视场角1mrad。
所述扩束器的扩束倍数为10倍。
实施例2、
如实施例1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其区别在于，
所述数据采集单元还包括数据采集卡10和计算机11；所述数据采集卡10采集InGaAs APD单光子计数系统9中采集到的激光数据并将其传输至计算机11；
InGaAs APD单光子计数系统9和数据采集单元的触发信号直接来源于OPO激光器的触发信号；
所述数据采集卡采用MSP-800系列的单光子计数卡，计数卡的参数指标如下，通道方式：双通道；测量速度：800MHz；门脉冲宽度：1ns；插槽形式：PC插槽。
实施例3、
如实施例1、2所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其区别在于，所述InGaAs APD单光子计数系统,系统采用1.25GHz的正弦门控实现InGaAs APD探测器处于盖革模式。
实施例4、
如实施例1、2所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，所述激光器为拉曼激光器。

Claims (10)

1.一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，该系统包括激光部、反射激光采集部和数据采集单元；
所述的激光部包括激光器和扩束器，所述激光器发出的激光通过扩束器和一对平行设置的反射镜实现平移，使所述平移后激光的出射方向与所述反射激光采集部同轴设置；所述的激光器的参数为1)波长范围：1.4-1.8μm；2)单脉冲能量:>10uJ；3)脉冲重复频率：1-50kHz；所述的激光器为OPO激光器或拉曼激光器；
所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次设置的望远镜、窄带干涉滤波片和透镜；
所述数据采集单元包括InGaAs APD单光子计数系统，所述透镜通过光纤与所述InGaAs APD单光子计数系统相连；所述InGaAs APD单光子计数系统的参数如下：光子计数率：24MHz；暗计数率300Hz；门控速度1GHz。
2.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集单元还包括数据采集卡和计算机；所述数据采集卡采集InGaAs APD单光子计数系统中采集到的激光数据并将其传输至计算机；
InGaAs APD单光子计数系统和数据采集单元的触发信号直接来源于所述激光器的触发信号；
所述数据采集卡为实现单光子计数功能的单光子计数卡。
3.如权利要求2所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集卡采用MSP-800系列的单光子计数卡，计数卡的参数指标如下，通道方式：双通道；测量速度：800MHz；门脉冲宽度：1ns；插槽形式：PC插槽。
4.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述InGaAs APD单光子计数系统,系统采用1.25GHz的正弦门控实现InGaAs APD探测器处于盖革模式。
5.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜的参数如下：
1)光学设计：施密特-卡塞格林式；
2)望远镜有效孔径：305mm；
3)焦距：3048mm；
4)焦比：f/10。
6.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述窄带干涉滤波片为非球面透镜，参数如下：
1)中心波长：1535nm；
2)带宽：1.5nm。
7.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述透镜参数如下：
1)透镜焦距：18.4mm；
2)数值孔径：0.15；
3)透镜形式：非球面透镜。
8.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述OPO激光器采用半导体激光器作为激光泵浦源，YVO4作为激光晶体材料，KTA/KTP作为非线性光学晶体材料。
9.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述OPO激光器的输出激光能量2-3W,重复频率10-50KHz,激光波长1535nm，OPO激光器发散视场角1mrad。
10.如权利要求1所述的一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述扩束器的扩束倍数为10倍。
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