CN104808193B - 基于非偏振分光棱镜的f‑p标准具瑞利散射多普勒鉴频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非偏振分光棱镜的F‑P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里‑泊罗标准具和探测器。本发明利用分光‑反射棱镜组代替现有技术中的大量的分光片和反射镜，简化了装置的结构。棱镜组通过分子间的作用力连结成整体，减少了光经过的光学界面，且所有光纤端面均镀有增透膜，降低了这个装置的信号损耗，提高了光学效率。非偏振分光‑反射棱镜组对于入射光的偏振特性不敏感，提高了测量精度。增加了激光发射频率零点校准光纤，实现了激光发射频率与标准具零点的偏差的校准。零风速校准信号和大气回波信号共用同一个分光‑反射棱镜组，且利用光开关将二者分开。

Description

基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置

技术领域

本发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，具体为基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置。

背景技术

多普勒测风激光雷达以其高分辨率，高精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能力，引起了世界多个国家的关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。按照探测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干技术和非相干(直接探测)技术，其中直接探测技术测量的是能量信号，主要有边缘技术和条纹(成像)技术，边缘技术是利用窄带滤波器作为多普勒频率检测装置，如法布里-泊罗标准具，马赫-泽德尔干涉仪，迈克尔逊干涉仪，光栅等，或利用各种原子、分子滤波器，如碘滤波器，钠、钾、银蒸汽滤波器等，将频率信号的变化转化为能量信号的变化来测量多普勒频移。

目前，国外利用F-P标准具作为核心部件的多普勒激光雷达系统，包括已经投入使用的法国OHP激光雷达系统和美国NASA的GLOW激光雷达系统，欧空局(ESA)计划设计使用的星载的测风激光雷达。

GLOW激光雷达系统的多普勒鉴频装置利用四个分束片，将信号分别送入F-P标准具的三个通道。由于经过多个分束片，结构较为复杂，会造成信号能量损失较大，整体的光学效率不高。光路中的光依次多个分数片，因而光路的调节精度要求很高，调节难度大。

法国的OHP激光雷达系统由M.Chania研究小组组建并进行了高空风场探测实验。利用压力容器控制FP可调谐标准具腔长进行调谐，并采用了双通道的标准具结构设计。采用双边缘风场探测技术要求激光器的发射频率稳定地位于两个标准具透过率曲线的中心附件，而由于发热和环境温度的影响，激光器本身发射频率不可能非常稳定(频率漂移)，这样即使FP标准具的腔长非常稳定也无法保证激光器的发射频率稳定的处于相应的位置。

欧空局(ESA)设计的星载测风激光雷达的多普勒频率检测装置采用了一个较为复杂的设计。将信号光的米散射成分和瑞利散射成分分别利用菲索干涉仪和法布里-泊罗标准具。利用信号光的偏振特性，将信号分别导入菲索干涉仪和法布里-泊罗标准具，分别探测信号中的米散射信号成分和瑞利散射信号成分。并且同样利用信号的偏振特性，将法布里-泊罗标准具的反射光返回标准具，提高了系统的光学效率。也由于这样的设计，使得这套系统的多普勒鉴频装置结构非常复杂，光路调节的难度很大。

在国内，目前利用边缘技术测风的有采用碘吸收技术来检测多普勒频移，但这种方法对温度控制非常严格。安徽光机所2006年研制的基于双边缘技术的采用两通道F-P标准具的米散射测风激光雷达，接收的是米散射信号，采用分立器件。

中国科学技术大学的车载多普勒激光雷达系统中，通过两根光纤分别将锁定信号与大气回波信号分别经过准直后导入法布里-泊罗标准具。其中信号光纤将大气回波信号导入光纤分束器后，分成两路，分别进入法布里-泊罗标准具的两个信号通道。锁定光纤中的光也由光纤分束器分成两路，作为锁定信号和能量信号。系统采用全光纤结构，利用光纤分束器进行分光，由于紫外波段的光纤的透过率较低，光纤分束器也存在能量损失，使得整个系统的信号损失较大，影响光学效率。

发明内容

本发明的目的是提出基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，装置采用棱镜光学结构，结合光纤，光路调节非常简单，具有较高的光学效率，以解决目前光源为紫外波段的全光纤结构的瑞利散射多普勒鉴频装置的光学效率低的问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器；其中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和法布里-泊罗标准具，其一端用一调整架固定，调整架能够调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于信号光纤端面，且能进入信号光纤内，并通过信号光纤导入后继光路；所述信号光纤的另一个端面同样由另一调整架固定，将信号光导入准直镜，所述准直镜的作用是将光纤的出射光变成平行光；所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差，激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光导入至一个准直镜，激光器发射波长为355nm的激光，通过一个分束片分出很少的一部分光进入积分球，通过积分球内部的散射后，出射光进入激光发射频率零点校准光纤的端面，经由激光发射频率零点校准光纤的另一个端面，进入准直镜，调整架用于调整光纤端面的位置，使光纤端面位于准直镜的焦点处，同时保证经过准直的平行光垂直入射到非偏振分光棱镜。

进一步的，所述的非偏振分光棱镜和反射棱镜，具体是由三块直角棱镜组成分光-反射棱镜组，棱镜组均由非偏振特性直角棱镜组成，直角棱镜截面为等腰直角三角形，光从直角棱镜的直角面垂直入射，会在斜面上发生全反射，从另一个直角面垂直出射，所述非偏振分光棱镜由两块直角棱镜分光，之间镀有半透半反膜，并将第三块直角棱镜作为反射镜，三块直角棱镜之间通过分子间的作用力直接连结在一起，将棱镜的连结面抛光至一定平面度的要求，使两个连结面的分子相距非常近，由于分子之间的作用力的存在，两个连接面便能不借助其他工具而连成一个整体。

进一步的，所述法布里-泊罗标准具，设有三个通道：两个边缘通道和一个锁定通道，三个通道呈等腰三角形排列；其中，边缘通道接收分光后的回波信号；锁定通道用于接收锁定光纤导入的锁定信号，用于检测激光频率的漂移。

进一步的，所述信号光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径0.22。

进一步的，所述激光发射频率零点校准光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径为0.22。

进一步的，信号光纤和激光发射频率零点校准光纤的端面均镀增透膜，增加端面的透过率，提高整个装置的光学效率，所有光纤对于传输的光的偏振态不敏感，任何偏振方向和偏振状态的光在光纤中传输特性相同。

本发明的原理在于：

基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器。

本发明中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和标准具，其一端用一调整架固定，调整架可以调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于光纤端面，且能进入光纤内，并通过光纤导入后继光路。所述信号光纤的另一个端面同样由调整架固定，将信号导入准直镜。所述准直镜的作用是将光纤的出射光变成平行光。所述信号光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径0.22。

本发明中所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差。由于温度等环境因素的影响，激光器的出射光频率并不一定位于法布里-泊罗标准具的零点位置，其频率与标准具的零点频率存在一个偏差，这个偏差将会影响风速测量的精度。因而在鉴频装置检测信号光的多普勒频移之前，将一小部分的发射光导入法布里-泊罗标准具，测量其频率与法布里-泊罗标准具的零点的频率偏差，用于在后期风速反演时，对结果进行校正。激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光导入至一个准直镜。激光器发射波长为355nm的激光，通过一个分束片分出很少的一部分光进入积分球，通过积分球内部的散射后，出射光进入激光发射频率零点校准光纤的端面。经由激光发射频率零点校准光纤的另一个端面，进入准直镜。调整架用于调整光纤端面的位置，使光纤端面位于准直镜的焦点处，同时保证经过准直的平行光垂直入射到非偏振分光棱镜。所述激光发射频率零点校准光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径为0.22。上述信号光纤和激光发射频率零点校准光纤的端面均镀增透膜，增加端面的透过率，提高整个装置的光学效率。所有光纤对于传输的光的偏振态不敏感，任何偏振方向和偏振状态的光在光纤中传输特性相同。

基于非偏振棱镜分光的F-P标准具多普勒鉴频装置中，设有非偏振分光棱镜和反射棱镜，由三块直角棱镜组成分光-反射棱镜组，棱镜组均由非偏振特性直角棱镜组成。直角棱镜截面为等腰直角三角形。光从直角棱镜的直角面垂直入射，会在斜面上发生全反射，从另一个直角面垂直出射。所述非偏振分光棱镜由两块直角棱镜组成并将第三块直角棱镜作为反射镜。三块直角棱镜之间通过分子间的作用力直接连结在一起，将棱镜的连结面抛光至一定平面度的要求，使两个连结面的分子相距非常近，由于分子之间的作用力的存在，两个连接面便能不借助其他工具而连成一个整体。由于棱镜的材料是相同的，光在入射到连接面的时候，不会因为发生反射而损失，因而提高了基于非偏振棱镜分光的F-P标准具多普勒鉴频装置的光学效率。用作分光的两个块棱镜之间镀有透射-反射率为50％-50％的半透半反膜，两块棱镜的连结面为分光面。光垂直入射到棱镜直角面，与分光面成45度角，一半的光透过，另一半被分光面反射，实现分光。用于反射棱镜的直角棱镜使光偏折90度，从而垂直入射到法布里-泊罗标准具。所述棱镜组的入射面和出射面镀有增透膜，增大棱镜组的透过率，提高装置的光学效率。棱镜组由机械调整结构调整位置，使分光棱镜的两束光均垂直入射到法布里-泊罗标准具表面后，固定分光棱镜组的位置。本发明中，信号光纤和激光发射频率零点校准光纤出射的光，分别经过准直后，均由棱镜组实现分光，二者在空间上共用光路和分光器件，通过光开光在时间上将二者分开。棱镜组如图2所示。

本发明中所述法布里-泊罗标准具，标准具设有三个通道：两个边缘通道和一个锁定通道，三个通道呈等腰三角形排列。其中，边缘通道接收分光后的回波信号。在双边缘多普勒测风激光雷达中，激光频率位于两个边缘通道的透过率曲线的交叉点，当回波信号存在多普勒频移时，两个通道的透过的光强会发生变化，将信号的频率变化转变成光强的变化。锁定通道用于接收锁定光纤导入的锁定信号，用于检测激光频率的漂移(锁定通道在图中并未画出)。利用三通道法布里-泊罗标准具的锁定通道，检测激光频率的漂移量，用于标准具的激光频率的跟踪锁定，调节标准具，使得激光频率锁定在两个边缘通道透过率的交叉点上。所述三通道法布里-泊罗标准具的边缘通道和锁定通道的直径不同，其中边缘通道的直径是锁定通道的2倍。所述三通道法布里-泊罗标准具的锁定通道的透过率曲线的半高位置位于两个边缘通道透过率的交叉点的位置，保证锁定通道的测量灵敏度最高。

所述基于非偏振棱镜分光的F-P标准具多普勒鉴频装置中的探测器为Hamamatsu公司的R7400光电倍增管(PMT)，探测器具有模拟和光子计数两种采集方式，在信号较强的情况下，探测器可以采用模拟采集方式；而在信号较弱的情况下采用光子计数的方式，保证了采集信号强度的动态范围。同时，通过可编程门控，可以根据需要的探测范围，调整输出的门控信号。输出高电平时，可以采集大气的后向散射信号；输出低电平时，可以屏蔽探测器采集的信号。这样就可以屏蔽近场的较强的米散射信号，避免较强的光信号使探测器工作在非线性区，影响风速测量的精度。

本发明的技术优势在于：

本发明是一种结构紧凑，光学效率高的基于非偏振分光棱镜的F-P标准具多普勒鉴频装置，作为双边缘多普勒测风激光雷达中回波信号的多普勒频移的测定。激光雷达系统发射激光与大气成分相互作用，产生后向散射信号，信号中含有因风速产生的多普勒频移。信号经过望远镜的接收和滤光片的滤光，经由信号光纤导入所述基于非偏振棱镜分光的F-P标准具多普勒鉴频装置。此前，从激光器发射的光分出一小部分进入积分球，并由锁定光纤和零风速校准光纤引出，分别送入本装置，用于激光频率锁定和风速反演的校准。大气回波信号进入多普勒频率检测装置后，两个边缘通道的光强会随着多普勒频移量的大小发生变化，将信号频率变化转变成能量变化，由探测器和信号采集系统接收，反演得到风速。

基于非偏振分光棱镜的F-P标准具多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器。其核心部件为法布里-泊罗标准具和分光-反射棱镜组。法布里-泊罗标准具具有三个通道：两个信号通道和一个锁定通道。分光-反射棱镜组由三块直角棱镜利用分子间的作用力连接而成，光入射到的面镀有增透膜。其中分光棱镜的两块直角棱镜之间镀有透射-反射比为50％-50％的半透半反膜。所有棱镜均为无偏振特性的棱镜。

本发明与现有技术相比，其优点有：

(1)、利用分光-反射棱镜组代替现有技术中的大量的分光片和反射镜，简化了装置的结构。

(2)、非偏振分光-反射棱镜组对于入射光的偏振特性不敏感，对于任意偏振态的回波信号均能保证分光比，使系统的两个信号通道的光强不随着回波信号的偏振态发生变化，保证了测量的精度。

(3)、棱镜组通过分子间的作用力连结成整体，减少了光经过的光学界面，从而提高了整个装置的光学效率，减少了信号的损耗。

(4)、增加了激光发射频率零点校准光纤，从积分球中导出激光器出射光分出的一小部分，经过分光-反射棱镜组，进入标准具的边缘通道，实现了激光发射频率与标准具零点的偏差的校准。

(5)、零风速校准信号和大气回波信号共用同一个分光-反射棱镜组，且利用光开关将二者分开。

(6)、所有光纤端面均镀有增透膜，减少了紫外波段的光在光纤中的损耗，增大了光纤的透过率。

附图说明

图1为本发明基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置的光路图，其中1：激光发射频率零点校准光纤；2：信号光纤；3：第一光纤调整架；4：第二光纤调整架；5：第一准直镜；6：第二准直镜；7：分光棱镜；8：发射棱镜；9：法布里-泊罗标准具；10：标准具信号通道一；11：标准具信号通道二；12：第一耦合透镜；13：第二耦合透镜；14：第一探测器；15：第二探测器。

图2为本发明中的分光-反射棱镜组，其中201：第一增透膜；202：第二增透膜；203：第三增透膜；204：半透半反膜；205：棱镜全反射面；206：连结面；207：第四增透膜；208：第一直角棱镜；209：第二直角棱镜；210：第三直角棱镜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明保护范围。

如图1所示。基于非偏振棱镜分光的F-P标准具多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器。其核心部件为法布里-泊罗标准具和分光-反射棱镜组。

在双边缘多普勒测风激光雷达系统中，激光器发射的激光，分出一小部分进入积分球，大部分进入大气中。进入积分球的光从积分球的两个出口，一个用于激光频率锁定，另一路进入激光发射频率零点校准光纤1，激光发射频率零点校准光纤的一端由第一光纤调整架3固定，出射光经过第一准直镜5的准直后，入射到非偏振棱镜组成的分光-反射棱镜组中的分光棱镜7，调节第一光纤调整架3，使得光垂直入射到分光棱镜7，在分光棱镜7分成两束光，一束进入法布里-泊罗标准具9的信号通道一10，一束经过反射棱镜8，反射后进入法布里-泊罗标准具9的信号通道二11，经过耦合透镜12和13的会聚之后，分别由第一探测器14、第二探测器15接收。其中分光棱镜7和反射棱镜8是通过分子间作用力连结的整体。

进入大气的激光，与大气发生作用，产生后向散射信号，由望远镜接收。光开光关闭时，望远镜接收的光无法进入多普勒鉴频装置，待激光频率零点校准信号采集结束，光开光打开，回波信号进入信号光纤2，信号光纤的一端由第二光纤调整架4固定，出射光经过第二准直镜6的准直后，入射到非偏振棱镜组成的分光-反射棱镜组中的分光棱镜7，调节第二光纤调整架4，使得光垂直入射到分光棱镜7，在分光棱镜7分成两束光，一束进入法布里-泊罗标准具9的信号通道一10，一束经过反射棱镜8，反射后进入法布里-泊罗标准具9的信号通道二11，经过耦合透镜12和13的会聚之后，分别由第一探测器14、第二探测器15接收。

第一探测器14、第二探测器15均有两种采集模式：模拟和光子计数两种采集方式，在信号较强的情况下，探测器可以采用模拟采集方式；而在信号较弱的情况下采用光子计数的方式，保证了采集信号强度的动态范围。同时，通过可编程门控，可以根据需要的探测范围，调整输出的门控信号。输出高电平时，可以采集大气的后向散射信号；输出低电平时，可以屏蔽探测器采集的信号。在近场信号时，门控信号输出的是低电平，使近场的可能使探测器工作在非线性区的强信号被屏蔽；在所需要的测量范围处，门控信号输出高电平，开始采集大气回波信号。

如图2所示为本发明中的分光-反射棱镜组，由三块棱镜组成：其中第一直角棱镜208和第二直角棱镜209组成分光棱镜，两个直角棱镜之间镀有半透半反膜204，将入射光按照一定的比例分成两束；第三直角棱镜210为反射棱镜。分光棱镜与第三直角棱镜的连接面为206，三块棱镜均依靠分子间的作用力连结。光束的入射面和出射面均镀有增透膜，分别是：第一增透膜201，第二增透膜202，第三增透膜203，第四增透膜207。反射棱镜，即第三直角棱镜的全反射面为205。

激光发射频率零点校准光纤的出射光经过第一增透膜201，入射到半透半反膜204，被分成两束：反射的一束光经过第三增透膜203出射；透射的一束光经过连接面206，在第三直角棱镜210的全反射面205处发生全发射反射，经由第四增透膜207出射。于是，激光发射频率零点校准光被分成两束，入射到标准具的两个通道。从信号光纤出射的信号光经过第二增透膜202，入射到半透半反膜204，同样被分成两束：透射的一束光经过第三增透膜203出射；反射的一束光经过连接面206，在第三直角棱镜210的全反射面205处发生全发射，经由第四增透膜207出射。于是，信号光同样被分成两束，入射到标准具的两个通道。激光发射频率零点校准光与信号光在时域上通过电光开关分开。

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (5)

1.一种基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器；其中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和法布里-泊罗标准具，其一端用一调整架固定，调整架能够调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于信号光纤端面，且能进入信号光纤内，并通过信号光纤导入后继光路；所述信号光纤的另一个端面同样由另一调整架固定，将信号光导入准直镜，所述准直镜的作用是将信号光纤的出射光变成平行光；所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差，激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光导入至一个准直镜，激光器发射波长为355nm的激光，通过一个分束片分出很少的一部分光进入积分球，通过积分球内部的散射后，出射光进入激光发射频率零点校准光纤的端面，经由激光发射频率零点校准光纤的另一个端面，进入准直镜，调整架用于调整激光发射频率零点校准光纤端面的位置，使激光发射频率零点校准光纤端面位于准直镜的焦点处，同时保证经过准直的平行光垂直入射到非偏振分光棱镜；

所述的非偏振分光棱镜和反射棱镜，具体是由三块直角棱镜组成分光-反射棱镜组，棱镜组均由非偏振特性直角棱镜组成，直角棱镜截面为等腰直角三角形，光从直角棱镜的直角面垂直入射，会在斜面上发生全反射，从另一个直角面垂直出射，所述非偏振分光棱镜由两块直角棱镜组成，之间镀有半透半反膜，并将第三块直角棱镜作为反射镜，三块直角棱镜之间通过分子间的作用力直接连结在一起，将棱镜的连结面抛光至一定平面度的要求，使两个连结面的分子相距非常近，由于分子之间的作用力的存在，两个连接面便能不借助其他工具而连成一个整体。

2.根据权利要求1所述的基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：所述法布里-泊罗标准具，设有三个通道：两个边缘通道和一个锁定通道，三个通道呈等腰三角形排列；其中，边缘通道接收分光后的回波信号；锁定通道用于接收锁定光纤导入的锁定信号，用于检测激光频率的漂移。

3.根据权利要求1所述的基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：所述信号光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径0.22。

4.根据权利要求1所述的基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：所述激光发射频率零点校准光纤为多模光纤，其芯径为200μm，数值孔径为0.22。

5.根据权利要求1所述的基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：信号光纤和激光发射频率零点校准光纤的端面均镀增透膜，增加端面的透过率，提高整个装置的光学效率，所有光纤对于传输的光的偏振态不敏感，任何偏振方向和偏振状态的光在光纤中传输特性相同。