CN105137451A - 一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，通过将出射激光锁定在气体分子吸收谱线的陡峭边缘上，通过检测大气回波信号在分子吸收谱线上的能量变化测量多普勒频移。本发明将1μm～2μm的气体分子封装在恒温恒压条件下的晶体光纤中，实现了基于气体分子吸收谱鉴频的多普勒测风激光雷达全光纤接收光路。同时，采用Galatry函数拟合气体分子吸收谱，相比于Voigt函数，提高了作为测风基准的分子吸收谱精度。本发明提出的基于1μm～2μm气体吸收谱鉴频的全光纤测风激光雷达具有频谱特性稳定、光路准直条件容易满足、结构紧凑、人眼相对安全、系统稳定、探测精度高等优点。

Description

一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达

技术领域

本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达。

背景技术

测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型、提高军事环境预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际民航机构、世界气象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探测系统的研究与开发。

多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光相干的方式探测风速探测。直接探测则利用鉴频器将多普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。直接探测可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采用Fabry-Perot干涉仪或Fizeau干涉仪产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气散射信号的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、Michelson干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪等高分辨鉴频率器。

采用边缘技术的测风激光雷达中，Fabry-Perot干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度，针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛的鉴频器。同时，其也存在对环境温度、湿度、应力的变化敏感，不易集成，光路准直条件苛刻等缺点。

相比而言，基于分子(或原子)吸收的滤波器件具有更稳定的频谱特性，更大的视场角，更宽松的光路准直条件等优点。其中基于碘蒸气分子的滤波器已应用于测风激光雷达。然而532nm激光为可见光，人眼允许最大曝光功率低，人眼不安全及体积庞大等缺点限制了其在飞机、舰载等平台的应用。

另外，全光纤测风激光雷达由于其体积小、集成度高、系统稳定等优点是各国争先发展的领域，特别是工作于1.5μm通信波段的全光纤系统。1.5μm系统主要优点为：(1)人眼相对安全，1.55μm波段激光的人眼最大允许曝光功率是2.1μm波段的10倍，是1.06μm波段的5个数量级；(2)光通信器件已发展很成熟，可以直接应用，可降低成本；(3)全光纤结构，易于组装和集成，容易小型化、稳定化和商品化。

值得注意的是，气体分子近红外吸收谱线由于其吸收谱稳定、吸收线多等优点，已经广泛应用于密集波分复用、稳频激光器、波长计、光谱仪等。但尚且没有基于1μm～2μm气体分子近红外吸收谱线鉴频的测风激光雷达。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，其具有全光纤结构、气体分子吸收谱线稳定、抗干扰能力强、系统稳定、高度集成等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、光纤环形器6、延时光纤7、光学收发和扫描系统8、光纤布拉格光栅9、光纤分束器10、基于气体分子吸收谱线的鉴频器11、第一探测器12、第一采集卡13、第二探测器14、第二采集卡15与计算机16，其中各器件连接关系为：

连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接；

光纤放大器5的输出端与光纤环形器6输入端A连接，光纤环形器6的端口B与延时光纤7的输入端连接，延时光纤7的输出端与光学收发和扫描系统8的输入端连接，光纤环形器6的端口C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，光纤环形器6的端口D与光纤分束器10的输入端连接；

光纤分束器10包含输出端A与输出端B；其中的输出端A与基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的输入端连接，基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的输出端与第一探测器12的输入端连接，第一探测器12的输出端与第一采集卡13的输入端连接；光纤分束器10的输出端B与第二探测器14的输入端连接，第二探测器14的输出端与第二采集卡15的输入端连接；

第一采集卡13的输入端和第二采集卡15的输入端分别接入计算机16。

进一步的，还包括：用于放置所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的恒温恒压装置17。

进一步的，所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器11包括：晶体光纤及连接在该晶体光纤两端的单模光纤；

所述晶体光纤中封装有1μm～2μm的气体分子，所述1μm～2μm的气体分子包括：HF、C₂H₂、CO、HCN、CH₄、CO₂和/或HBr。

进一步的，由所述计算机16采用Galatry函数拟合气体分子吸收谱。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提出基于1μm～2μm的气体分子吸收谱的全光纤测风激光雷达，通过将出射激光锁定在气体分子吸收谱线的陡峭边缘上，以检测大气回波信号在分子吸收谱线上的能量变化测量多普勒频移。本发明提出将1μm～2μm的气体分子封装在恒温恒压条件下的晶体光纤中，实现了基于气体分子吸收谱鉴频的多普勒测风激光雷达全光纤接收光路。同时，通过采用Galatry函数拟合气体分子吸收谱，相比于Voigt函数，提高了作为测风基准的分子吸收谱的拟合精度。本发明基于气体吸收谱鉴频具有频谱特性稳定、光路准直条件容易满足、结构紧凑、人眼相对安全、系统稳定、探测精度高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于气体分子吸收谱线构成的全光纤鉴频器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的气体分子HCN吸收谱；

图4为本发明实施例提供的气体分子¹²C₂H₂吸收谱；

图5为本发明实施例提供的气体分子H¹²CN、¹²CO、¹³CO的混合形成的吸收谱线；

图6为本发明实施例提供的基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达的原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达的示意图。如图1所示，其主要包括：

连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、光纤环形器6、延时光纤7、光学收发和扫描系统8、光纤布拉格光栅9、光纤分束器10、基于气体分子吸收谱线的鉴频器11、第一探测器12、第一采集卡13、第二探测器14、第二采集卡15与计算机16，其中各器件连接关系为：

连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接；

光纤放大器5的输出端与光纤环形器6输入端A连接，光纤环形器6的端口B与延时光纤7的输入端连接，延时光纤7的输出端与光学收发和扫描系统8的输入端连接，光纤环形器6的端口C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，光纤环形器6的端口D与光纤分束器10的输入端连接；

光纤分束器10包含输出端A与输出端B；其中的输出端A与基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的输入端连接，基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的输出端与第一探测器12的输入端连接，第一探测器12的输出端与第一采集卡13的输入端连接；光纤分束器10的输出端B与第二探测器14的输入端连接，第二探测器14的输出端与第二采集卡15的输入端连接；

第一采集卡13的输入端和第二采集卡15的输入端分别接入计算机16。

本发明实施例中，所述激光雷达还包括：用于放置所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器11的恒温恒压装置17。由于气体分子吸收谱的透过率与压强有光，压强越大，气体分子吸收谱的谱宽越大；特别值得注意的是，气体分子吸收谱的中心会随着压强和温度的变化发生移动，因此，需要将基于气体分子吸收谱线的鉴频器11封装于恒温恒压装置17中，本实施例中，恒温恒压装置17的温度精度为0.001℃，从而消除环境温度、湿度、压强变化对测风激光雷达的影响。

优选地，本发明实施例中的光纤链路均采用熔接方式连接。

优选地，本发明实施例中的光学器件为保偏型器件，各器件之间采用保偏光纤连接。

如图2所示，所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器11包括：晶体光纤及连接在该晶体光纤两端的单模光纤；所述晶体光纤中封装有1μm～2μm的气体分子；采用1μm～2μm波段内的气体分子吸收谱作为全光纤测风激光雷达的鉴频曲线，可以提高测风激光雷达的集成度和系统稳定性。本发明实施例中，所述1μm～2μm的气体分子包括但不限于：HF(氟化氢)、C₂H₂(乙炔)、CO(一氧化碳)、HCN(氰化氢)、CH₄(甲烷)、CO₂(二氧化碳)和/或HBr(溴化氢)。

本发明实施例中，晶体光纤的长度L越长，激光与气体分子的相互作用越充分，分子吸收谱的透过率越陡峭，测风的灵敏度越高，但同时导致接收的信号变弱，信噪比降低；晶体光纤的长度L越短，激光与气体分子的相互作用面积越小，气体分子吸收谱的透过率趋于平缓，测风的灵敏度越低，但同时信噪比越高。因此，需根据测风要求和实际工艺条件合理的选择基于气体分子吸收谱线的鉴频器11中晶体光纤的长度L。

示例性的，如图3-5所示，分别为HCN的吸收谱线、¹²C₂H₂的吸收谱线，以及H¹²CN，¹²CO，¹³CO的混合物形成的吸收谱线。

其中，特别值得注意的是，HCN是大气和星际物质中普遍存在的物质，是物理、化学和生物学中一个重点的研究对象。HCN具有独特的分子结构，在红外波段有丰富的吸收谱特征，相对于美国国家计量标准局(NIST)确定的乙炔分子吸收谱线频率标准而言，HCN吸收强度更大，谱线宽度更窄，具有更大的优势。HCN红外吸收谱线已经广泛应用于光学计量、激光器稳频、光通信、波分复用和分子光谱学等领域。

为了便于理解，下面以HCN为例介绍基于气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达的测风原理。

多普勒激光雷达利用多普勒效应进行风速探测。多普勒频移υ_D和径向风速V_LOS满足关系式V_LOS＝υ_D·λ/2。当激光工作波长为λ＝1550nm，1m/s的风速对应多普勒频移1.29MHz，该频移量是激光频率的6.665×10^-9倍。因此，为提取如此小的多普勒频移，鉴频器的选择至关重要。

本发明采用气体分子吸收谱作为测风激光雷达的鉴频曲线。气体分子吸收谱产生于分子振动或转动状态的变化或者分子振动或转动不同能级之间的跃迁，其满足气体分子的选择吸收理论，即气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量差的光子。不同分子结构的气体因为其机构不同，吸收光谱也不同。分子吸收谱宽度主要包含两个部分，即多普勒展宽和碰撞展宽。其中，多普勒展宽可由Gauss函数表示，碰撞展宽可由Lorentz线性表示，因此，分子吸收谱线性可表示为Gauss函数与Lorentz函数的卷积，即Voigt函数。但研究人员发现，分子间碰撞过程伴随着碰撞线宽变窄效应，即当光子与吸收分子相互作用时，由于吸收分子与别的分子相互碰撞导致了多普勒线宽变窄。Voigt函数未考虑碰撞线宽变窄，因此无法准确描述分子吸收谱。本发明采用更为准确的Galatry函数描述和拟合气体分子吸收谱，其表达式为：

$G(A,x,y,z)=\frac{A}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\mathrm{Re}\[\frac{1}{1/2z+y-ix}M(1,1+1/2z^2+(y-ix)/z,1/2z^2)\]---\left(1\right)$

其中

$A=\frac{S\sqrt{ln\left(2\right)}}{w_G\sqrt{\mathrm{\π}}},y=\sqrt{ln\left(2\right)}\frac{w_L}{w_G},x=\sqrt{ln\left(2\right)}\frac{v-v_0}{w_G},z=\sqrt{ln\left(2\right)}\frac{\mathrm{\γ}}{w_G}---\left(2\right)$

式中，v₀为谱线中心位置，S为谱线积分面积，w_G为Gauss函数的半高半宽，w_L为Lorentz函数的半高半宽，γ为碰撞变窄线宽，M[a,b,c]为合流超几何函数。

请参见图6所示，为基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达的原理示意图；其中的实线为HCN气体分子的其中一支吸收谱，其波长范围为1536.07nm至1536.17nm。风速反演的过程如下：

第一步，通过扫描连续激光器的频率获得在特定压强和温度下的气体分子吸收谱，其中连续激光器要求线宽小于1MHz。

第二步，采用Galatry函数拟合测量获得的气体分子吸收谱，参见图6中的实线所示HCN分子吸收谱线。利用该吸收谱线作为风速反演的基准，计算风速测量的灵敏度。

第三步，请参见图1所示的光路，搭建测风激光雷达。根据要求的时间分辨率和空间分辨率采集得到每个距离门的信号。

第四步，求第一探测器12探测的信号和第二探测器14探测的信号的比值，根据步骤一测量获得的气体分子吸收谱线，利用最小二乘法计算每个距离门的频率。

第五步，激光出射频率根据延时光纤7的后向散射信号获得。参见图6所示，激光出射频率和大气回波信号位于气体分子吸收谱的陡峭边缘上。

第六步，计算风速引起的多普勒频移，即大气后向散射信号的频率与激光出射频率的差值，根据关系式V_LOS＝υ_D·λ/2，计算经过激光径向的风速。

第七步，扫描获得不同激光径向的风速信息，合成计算风速大小和风向信息。

本发明实施例提供的上述的基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达具有如下有益效果：

1)本发明提出了一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，由于气体分子吸收频谱稳定，提高了风速探测的精度。

2)本发明提出了基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，通过将气体分子封装在晶体光纤中，节省了空间，提高了系统抗干扰能力和系统稳定性，实现了用于测风激光雷达鉴频器的全光纤结构。

3)1μm～2μm工作波段内人眼允许最大曝光功率较大，容易实现人眼安全，基于该波段的测风激光雷达适用于机场、战场等特殊场合。

4)本发明采用气体分子吸收谱鉴频，相比于Fabry-Perot干涉仪鉴频器，其具有更稳定的频谱特性，更大的视场角，更宽松的光路准直条件等优点。

5)本发明提出了采用Galatry函数拟合气体分子吸收谱，相比于Voigt函数精度更高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，其特征在于，包括：连续激光器(1)、光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、任意函数发生器(4)、光纤放大器(5)、光纤环形器(6)、延时光纤(7)、光学收发和扫描系统(8)、光纤布拉格光栅(9)、光纤分束器(10)、基于气体分子吸收谱线的鉴频器(11)、第一探测器(12)、第一采集卡(13)、第二探测器(14)、第二采集卡(15)与计算机(16)，其中各器件连接关系为：

连续激光器(1)的输出端与光纤隔离器(2)的输入端连接，光纤隔离器(2)的输出端与强度调制器(3)的输入端连接，强度调制器(3)的输出端与光纤放大器(5)的输入端连接，任意函数发生器(4)的输出端与强度调制器(3)的控制端连接；

光纤放大器(5)的输出端与光纤环形器(6)输入端A连接，光纤环形器(6)的端口B与延时光纤(7)的输入端连接，延时光纤(7)的输出端与光学收发和扫描系统(8)的输入端连接，光纤环形器(6)的端口C与光纤布拉格光栅(9)的输入端连接，光纤环形器(6)的端口D与光纤分束器10的输入端连接；

光纤分束器(10)包含输出端A与输出端B；其中的输出端A与基于气体分子吸收谱线的鉴频器(11)的输入端连接，基于气体分子吸收谱线的鉴频器(11)的输出端与第一探测器(12)的输入端连接，第一探测器(12)的输出端与第一采集卡(13)的输入端连接；光纤分束器(10)的输出端B与第二探测器(14)的输入端连接，第二探测器(14)的输出端与第二采集卡(15)的输入端连接；

第一采集卡(13)的输入端和第二采集卡(15)的输入端分别接入计算机(16)。

2.根据权利要求1所述的一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，其特征在于，还包括：用于放置所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器(11)的恒温恒压装置(17)。

3.根据权利要求1所述的一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，其特征在于，所述基于气体分子吸收谱线的鉴频器(11)包括：晶体光纤及连接在该晶体光纤两端的单模光纤；

所述晶体光纤中封装有1μm～2μm的气体分子，所述1μm～2μm的气体分子包括：HF、C₂H₂、CO、HCN、CH₄、CO₂和/或HBr。

4.根据权利要求1所述的一种基于1μm～2μm气体分子吸收谱线的全光纤测风激光雷达，其特征在于，由所述计算机(16)采用Galatry函数拟合气体分子吸收谱。