CN105974432B - 基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Fabry‑Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统，通过利用超窄带可调谐的FP标准具作为滤光器件，抑制白天背景噪声，为激光雷达连续全天时观测提供技术支持。可调谐的FP标准具滤光器采用初始发射激光作为系统的反馈信号实现闭环控制，从而保证了激光器的出射波长与滤光器的中心波长实时匹配。该系统可以用于任意工作波长的激光雷达，由于有闭环控制对工作环境要求比较宽松，滤光器皮米级带宽对激光雷达白天背景抑制较强。

Description

基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统

技术领域

本发明涉及大气遥感中激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统。

背景技术

60年代激光器发明以来，围绕激光进行的各种激光探测技术的研究日益增长。大气科学是一门理论研究和大气参数探测相结合的学科，大气探测技术是支撑大气科学，特别是大气物理和大气环境科学发展的重要基础。目前，边界层以下地点的大气参数探测手段较为多，但是中上层大气参数信息测量手段比较稀少，特别是平流层及以上空间。激光雷达遥感技术是一种主动遥感技术，可以探测云量，能见度、气溶胶成分及分布、温度、风速、大气密度以及水汽等。它是中高层大气参数探测最理想手段之一。

激光雷达接收的是激光与大气粒子相互作用的回波信号，属于软目标散射，信号很弱，一般采用光子计数方式探测。决定激光雷达测量精度和探测高度的主要因素是信噪比，信噪比越高探测精度和高度越高。目前，大部分激光雷达，尤其是中高层大气探测激光雷达只能在夜晚工作，白天则不行。这样的工作方式使得激光雷达无法获得白天在太阳辐射下的大气参数变化。限制激光雷达白天观测一个最主要的因素是白天背景噪声，比晚上背景噪声高6个数量级。因此激光雷达系统必须抑制白天背景噪声。

激光雷达实现白天观测，必须压缩白天背景噪声，提高信噪比。太阳光谱是一个比较宽的宽谱，想要抑制其在信号中的干扰，有两种方式实现：一种是激光雷达系统的作用波长及探测器工作波长在日盲波段；另一种是采用超窄带滤光器实现激光波长以外的太阳背景压制。目前，国内激光雷达多数采用的是固定式干涉滤光片，带宽最小只能做到0.2nm，但是这对于白天探测而言，背景压缩的力度是不够的。国内外中高层钠荧光激光雷达系统中采用原子滤波器，中科院武汉数学物理研究所利用钠原子滤光器实现了钠激光雷达的白天观测，但工作波长在589nm，对于其他工作波长的激光雷达系统不适用。中国海洋大学利用吸收较强的太阳夫琅禾费暗线中的波长作为激光雷达工作波长，以此来提高白天测量的信噪比和探测距离。但此方法有以下几点缺点：第一，太阳光谱的夫琅禾费暗线是固定波长，不适合其他波长激光雷达；第二，探测器是宽谱响应，即使工作波长选择太阳光谱的暗线波长，那么探测器还是可以响应其他范围的波长，同样可以接受到白天太阳背景噪声，无法真正做到提高白天信噪比的目的。

总之，白天激光雷达受制于强烈的太阳辐射噪声，要想实现激光雷达全天时工作，必须压制激光雷达背景噪声，提高信噪比，而目前所采用的压制信噪比的方式存在各种各样的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统，可以提高信噪比，使激光雷达可以实现白天观测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统，包括：激光器、第一分束器、准直扩束器、第一反射镜、光学接收望远镜、第二反射镜、准直透镜、第一耦合光纤、第一准直器、FP标准具滤光器、多普勒光学鉴频器、探测采集装置、控制系统、第二分束器、第二耦合光纤、第三耦合光纤、第二准直器、光学耦合器；其中：

激光器发射的激光经过第一分束器分束为透射光与反射光，其中透射光的比例远大于反射光的比例；所述透射光经准直扩束器由第一反射镜射向大气；激光与大气相互作用之后的回波信号由光学接收望远镜接收，并通过第二反射镜由准直透镜耦合进第一耦合光纤中，再经过第一准直镜进入FP标准具滤光器；FP标准具滤光器出射去除太阳背景噪声的光信号，并进入多普勒光学鉴频器后，由控制系统控制探测采集装置对光信号进行光电探测转化；

所述第一分束器分束后的反射光经过第二分束器分成透射光与反射光，其中的反射光耦合进第三耦合光纤并经由探测采集装置进行光电探测；其中的透射光信号耦合进第二耦合光纤，并经过第二准直器之后入射到FP标准具滤光器，再由光学耦合器接收，并由控制系统控制探测采集装置探测。

进一步的，所述第一分束器后的反射光的走向及作用是用于探测光信号的经过FP标准具滤光器的透过率值，目的是用于锁定激光发射波长并与FP标准具滤光器的中心波长实时匹配。

进一步的，FP标准具滤光器的透过率函数为：

式中，A为吸收系数，R为平方反射率，R_E为标准具的有效反射率；

该系统能够实现白天观测的条件是信噪比要满足测量精度的要求，因此描述FP标准具滤光器作用的物理量是信噪比增强因子G，如下式所示：

式中，为峰值透过率，S(λ)为入射到滤光器的频谱能量密度；

所述信噪比增强因子G的表达式在整个自由谱间距上积分之后得到下式：

式中，F_E为有效精细度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在激光雷达系统中利用超窄带可调谐FP标准具作为滤光器件，抑制白天背景噪声，为激光雷达连续全天时观测提供技术支持。可调谐FP滤光器采用初始发射激光作为系统的反馈信号实现闭环控制，从而保证了激光器的出射波长与滤光器的中心波长实时匹配。该发明装置可以用于任意工作波长的激光雷达，由于有闭环控制对工作环境要求比较宽松，滤光器皮米级带宽对激光雷达白天背景抑制较强。

本发明与现有技术对比，优点在于：

(1)本发明采用FP标准具滤光器的超窄带宽抑制激光雷达白天背景噪声，相对于采用原子吸收的滤光器而言具有全波段特性。对于不同波长激光雷达系统只需在FP滤光器镀上对应波长的介质膜即可实现背景噪声抑制功能。而原子滤光器只对特定波长才起作用，具有很大局限性。

(2)本发明采用可调谐FP滤光器，经过巧妙光路和控制设计，使得滤光器的中心波长与激光发射波长实时匹配，避免了激光雷达系统因环境变化引起的波长飘移对滤光器透过率的影响。大大降低了激光雷达工作环境要求。

(3)本发明是光学上提高激光雷达信噪比，而非后期数据处理上通过处理方法上优化来提升信噪比。因而对系统信噪比的提升力度较大，基本上达到一个数量级。

(4)本发明具有普适性，可适用于大部分激光雷达系统。

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Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的FP标准具滤光器反射率与信噪比增长因子及峰值透过率关系；

图3为本发明实施例提供的FP标准具滤光器压缩背景示意图；

图4为本发明实施例提供的加入FP标准具滤光器前后对应高度风速误差比较。

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。

图1为本发明实施例提供的一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统的结构示意图。如图1所示，该系统主要包括：

激光器1、第一分束器2、准直扩束器3、第一反射镜4、光学接收望远镜6、第二反射镜7、准直透镜8、第一耦合光纤9、第一准直器10、FP标准具滤光器11、多普勒光学鉴频器12、探测采集装置13、控制系统14、第二分束器15、第二耦合光纤16、第三耦合光纤17、第二准直器18、光学耦合器19；其中：

激光器1发射的激光经过第一分束器2分束为透射光与反射光，其中透射光的比例远大于反射光的比例；所述透射光经准直扩束器3由第一反射镜4射向大气5；激光与大气5相互作用之后的回波信号由光学接收望远镜6接收，并通过第二反射镜7由准直透镜8耦合进第一耦合光纤9中，再经过第一准直镜10进入FP标准具滤光器11；FP标准具滤光器11出射去除太阳背景噪声的光信号，并进入多普勒光学鉴频器12后，由控制系统14控制探测采集装置13对光信号进行光电探测转化；

所述第一分束器2分束后的反射光经过第二分束器15分成透射光与反射光，其中的反射光耦合进第三耦合光纤17并由控制系统14控制探测采集装置13进行光电探测；其中的透射光信号耦合进第二耦合光纤16，并经过第二准直器18之后入射到FP标准具滤光器11，再由光学耦合器19接收，并由控制系统14控制探测采集装置13探测。

本发明实施例中，所述第一分束器后的反射光的走向及作用是用于探测光信号的经过FP标准具滤光器的透过率值，目的是用于锁定激光发射波长并与FP标准具滤光器的中心波长实时匹配。

本发明实施例中，FP标准具滤光器的透过率函数为：

式中，A为吸收系数，R为平方反射率，R_E为标准具的有效反射率；

该系统能够实现白天观测的条件是信噪比要满足测量精度的要求，因此描述FP标准具滤光器作用的物理量是信噪比增强因子G，如下式所示：

式中，为峰值透过率，S(λ)为入射到滤光器的频谱能量密度；

所述信噪比增强因子G的表达式在整个自由谱间距上积分之后得到下式：

式中，F_E为有效精细度。

上式显示利用FP标准具滤光器提升信噪比是由标准具的有效反射率决定的，提高有效反射率的一个方法是提升平板的反射率降低滤波器的缺陷，但是根据峰值透过率T_pk公式可以看出反射率越大峰值透过率越低，如图2所示，因此必须找到一个合理优化的参数才能够使得滤光器达到最强信噪比提升，我们可以用透过率和信噪比增强因子的乘积来反应。

测风激光雷达系统采用的三通道鉴频方法来实现多普勒频率的检测，利用大气分子后向散射信号作为载体进行探测。雷达系统中所使用的鉴频器是周期性的，工作在零级，非零级会带入背景噪声，而FP标准具滤光器因其窄带、高自由谱宽优势可以抑制除工作波长以外的背景信号，同时为了保证不会因FP滤光器带宽过窄而丢失掉大气分子展宽的有用回波信号，因此必须合理优化达到信噪比最大提升目标。图3给出了FP标准具滤光器背景压制示意图。在测风雷达系统中FP标准具滤光器参数优化为：峰值透过率优于80％，带宽7.56pm对应17.98G宽度，有效精细度25。

所述FP标准具滤光器11的闭合控制，是采用本地激光频率实时监测激光器发射频率和标准具中心波长的相对位置，精确锁定实现的。FP标准具滤光器的位相为δ＝2πnlcos(θ)/λ，改变频率、折射率以及腔长，对滤光器的透过率影响是类同的。调谐目的在于：长期试验表明，尽管采用种子注入激光器，但激光雷达系统易受到环境中温度、振动等因素干扰，易造成激光器频率有长期的飘移。如果出现了较大频率飘移极有可能使得滤光器的中心波长不在激光中心波长附近，加上滤波器的窄带特性，很可能使得大气回波的有用信号被滤光器阻挡掉，降低了信噪比。因此必须采用调谐腔长的方式使FP滤光器中心波长始终与出射激光波长相匹配。具体是通过实时监测初始激光经过FP标准具滤光器的透过率值，计算出初始激光波长相对FP标准具滤光器中心波长飘移的位置，再利用压电陶瓷技术进行腔长调节，腔长最小移动0.02nm对于355nm激光相对频率变化22.5MHz，完全可以锁定7.56pm带宽的滤光器。

所述第二准直器18、光束耦合器19、第二耦合光纤16、第三耦合光纤17以及探测采集装置13是用于FP滤光器与激光波长的锁定，测量得出透过率值，实现闭环反馈。

所述控制系统14用于激光器1的发射、FP滤光器闭合控制、探测器光电探测数据采集、多普勒鉴频系统的控制，实现激光雷达系统整体功能。

所述探测采集装置13，可以采用高灵敏度的高量子效率探测器，采用模拟和光子计数相结合探测采集方式，低层信号使用模拟信号，高层使用光子计数信号，最后采用模拟数字融合技术获取整个高度信号。

所述第一分束器2、第二分束器15用于光信号分路。

所述多普勒光学鉴频器12用于测风激光雷达中大气回波信号的多普勒检测。

所述光学望远镜6用于接受大气的回波信号，同时白天的太阳背景也混杂在大气回波信号中被接收。

利用可调谐窄带宽的FP标准具滤光器可以提高信噪比，由式3根据优化参数可以算出对于测风激光雷达系统，信噪比提高15倍，图4为多普勒测风激光雷达采用FP滤光器前后的误差对比，从图中可以看出未加入FP标准具滤光器的系统白天45km误差超过10m/s，加入FP标准具滤光器测量高度可以达到65km以上。因此，本发明可以提升信噪比，实现多普勒测风激光雷达白天观测。

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 (2)

1.一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统，其特征在于，包括：激光器、第一分束器、准直扩束器、第一反射镜、光学接收望远镜、第二反射镜、准直透镜、第一耦合光纤、第一准直器、Fabry-Perot标准具滤光器、多普勒光学鉴频器、探测采集装置、控制系统、第二分束器、第二耦合光纤、第三耦合光纤、第二准直器、光学耦合器；其中：

激光器发射的激光经过第一分束器分束为透射光与反射光，其中透射光的比例远大于反射光的比例；所述透射光经准直扩束器由第一反射镜射向大气；激光与大气相互作用之后的回波信号由光学接收望远镜接收，并通过第二反射镜由准直透镜耦合进第一耦合光纤中，再经过第一准直器进入Fabry-Perot标准具滤光器；Fabry-Perot标准具滤光器出射去除太阳背景噪声的光信号，并进入多普勒光学鉴频器后，由控制系统控制探测采集装置对光信号进行光电探测转化；

所述第一分束器分束后的反射光经过第二分束器分成透射光与反射光，其中的反射光耦合进第三耦合光纤并经由探测采集装置进行光电探测；其中的透射光信号耦合进第二耦合光纤，并经过第二准直器之后入射到Fabry-Perot标准具滤光器，再由光学耦合器接收，并由控制系统控制探测采集装置探测；

Fabry-Perot标准具滤光器的透过率函数为：

式中，A为吸收系数，R为平方反射率，R_E为标准具的有效反射率；

该系统能够实现白天观测的条件是信噪比要满足测量精度的要求，因此描述Fabry-Perot标准具滤光器作用的物理量是信噪比增强因子G，如下式所示：

式中，为峰值透过率，S(λ)为入射到滤光器的频谱能量密度；

所述信噪比增强因子G的表达式在整个自由谱间距上积分之后得到下式：

式中，F_E为有效精细度。

2.根据权利要求1所述的一种基于Fabry-Perot标准具的太阳辐射背景噪声抑制系统，其特征在于，

所述第一分束器后的反射光的走向及作用是用于探测光信号的经过Fabry-Perot标准具滤光器的透过率值，目的是用于锁定激光发射波长并与Fabry-Perot标准具滤光器的中心波长实时匹配。