CN107202994B - 有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，利用Fabry‑Perot干涉仪的周期结构，同时提取多支镍的共振荧光信号，由于Fabry‑Perot干涉仪的带宽窄和占空比低的特点，可有效隔离大气背景噪声；同时，Fabry‑Perot干涉仪周期结构引入的大气背景噪声通过带通滤波器和陷波滤波器进一步隔离。该激光雷达系统通过Fabry‑Perot干涉仪、带通滤波器和陷波滤波器的协同工作，可高透过率的提取多支镍共振荧光信号，同时有效抑制大气背景噪声，从而实现镍激光雷达的昼夜连续观测。

Description

有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统。
背景技术
大气中间层位于80km至110km之间。中间层的大气参数探测对于研究大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用具有重要作用。中间层对底部传输来的大气波动、动量注入，以及对太阳辐射、高能粒子的沉降和空间天气事件的短周期扰动敏感。大气中间层的重力波控制着由高能粒子产生的NOx和HOx的向下输运过程，而这些粒子将会增大平流层臭氧的损耗从而影响地面的气候。激光雷达由于其高精度、高时空分辨率等特点，是研究中高层大气的重要手段。由于流星烧蚀，中间层富含各种金属原子或者金属离子，如Na、K、Li、Mg、Ca和Fe等原子或离子。激光雷达通过探测这些金属原子或离子，可以获取中间层的大气参数信息。例如，通过Na共振荧光激光雷达可探测中间层的风速和温度信息。
目前，基于镍的大气激光雷达尚处于研发阶段。该类型激光雷达通过发射337.054纳米的激光，从而激发镍的共振荧光，其中339.396纳米的信号占总信号的41％，337.054纳米的信号占31％，347.35纳米的信号占20％。提取镍的共振荧光信号时，有两个因素需要考虑，即滤波器对信号的透过率和滤波器对背景噪声的抑制能力。当采用窄带滤波器时，滤波器可有效抑制大气背景噪声，但窄带滤波器的透过率低，并且仅可提取单支共振荧光信号，利用率低。当采用带通滤波器时，滤波器的透过率高，可同时提取几支共振荧光信号，但将引入大的大气背景噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，激光雷达系统可实现大气镍回波信号的好效率提取，同时有效抑制大气背景噪声，从而实现激光雷达的昼夜连续观测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，包括：种子激光器(1)、激光放大器(2)、激光扩束装置(3)、望远镜(4)、第一耦合透镜(5)，带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)、温控装置(8)、陷波滤器(9)、第二耦合透镜(10)、探测器(11)、采集卡(12)以及数据处理和显示系统(13)；其中：
种子激光器(1)的输出端与激光放大器(2)的输入端连接，激光放大器(2)的输出端与激光扩束装置(3)的输入端连接；激光通过激光扩束装置(3)发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜(4)接收；
大气回波信号先经第一耦合透镜(5)转成平行光，平行光依次经带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)和陷波滤器(9)，来提取镍回波信号并滤除大气背景噪声，Fabry-Perot干涉仪(7)内的温度通过温控装置(8)控制，镍回波信号经陷波滤器(9)后通过第二耦合透镜(10)经信号耦合到探测器(11)，探测器(11)的输出端与采集卡(12)的输入端连接，采集卡(12)的输出端与数据处理和显示系统(13)的输入端连接。
基于依次设置的带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)和陷波滤器(9)，实现镍激光雷达的昼夜连续观测；其中，激光扩束装置(3)发射的337.054纳米的激光，使大气中的镍气体产生能级跃迁，发生跃迁的波长为339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米，通过设定Fabry-Perot干涉仪(7)的自由谱间距，使得339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的这三支镍共振荧光信号通过Fabry-Perot干涉仪；同时，基于设置在Fabry-Perot干涉仪(7)前、后的带通滤波器(6)、陷波滤器(9)滤除大气背景噪声。
所述Fabry-Perot干涉仪(7)的自由谱间距设为0.468纳米，带宽为0.01纳米。
所述带通滤波器(6)的带宽大于10.299纳米，并且保证339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的镍共振荧光信号透过。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)可同时提取三支镍的共振荧光线，这三支共振荧光占总信号的92％，具有高效率的特点。2)Fabry-Perot干涉仪、带通滤波器和陷波滤器都具有高透过率的特点，镍共振荧光线的透过率高；3)Fabry-Perot干涉仪的占空比很低，可有效隔离大气背景噪声，而周期性Fabry-Perot干涉仪所引入的大气背景噪声通过带通滤波器和陷波滤器进行高效滤除；从而实现镍激光雷达的昼夜连续观测。
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有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统的原理图。
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。
本发明实施例提供一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，如图1所示，其主要包括：种子激光器1、激光放大器2、激光扩束装置3、望远镜4、第一耦合透镜5，带通滤波器6、Fabry-Perot干涉仪7、温控装置8、陷波滤器9、第二耦合透镜10、探测器11、采集卡12以及数据处理和显示系统13；其中：
种子激光器1的输出端与激光放大器2的输入端连接，激光放大器2的输出端与激光扩束装置3的输入端连接；激光通过激光扩束装置3发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜4接收；
大气回波信号先经第一耦合透镜5转成平行光，平行光依次经带通滤波器6、Fabry-Perot干涉仪7和陷波滤器9，来提取镍回波信号并滤除大气背景噪声，Fabry-Perot干涉仪7内的温度通过温控装置8控制，镍回波信号经陷波滤器9后通过第二耦合透镜10经信号耦合到探测器11，探测器11的输出端与采集卡12的输入端连接，采集卡12的输出端与数据处理和显示系统13的输入端连接。
本发明实施例提供的激光雷达系统的高效滤波技术原理请参见图2。
如图2(a)所示，激光扩束装置3发射的337.054纳米的激光，使大气中的镍气体产生能级跃迁，发生跃迁的波长为339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米，其中339.396纳米的信号占总信号的41％，337.054纳米的信号占31％，347.35纳米的信号占20％，这三支共振荧光占总信号的92％。
当提取镍的共振荧光信号时，有两个因素需要考虑，即滤波器的透过率和滤波器对背景噪声的抑制能力。如前述背景技术中提到的，当采用窄带滤波器时，可有效抑制大气背景噪声，但窄带滤波器的透过率低，仅可提取单支共振荧光信号，另外的共振荧光信号有被隔离了，利用率低。当采用带通滤波器时，滤波器的透过率高，并且可同时提取几支共振荧光信号，但同时将引入大的大气背景噪声。
本发明为了解决这个问题，提出了基于Fabry-Perot干涉仪、带通滤波器和陷波滤器的高效滤波技术。即，通过依次设置的带通滤波器6、Fabry-Perot干涉仪7和陷波滤器9，实现镍激光雷达的昼夜连续观测。如图2(b)所示，通过设定Fabry-Perot干涉仪7的自由谱间距，使得339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的这三支镍共振荧光信号通过Fabry-Perot干涉仪，同时由于Fabry-Perot干涉仪7的占空比很低，可有效隔离大气背景噪声。
优选的，所述Fabry-Perot干涉仪7的自由谱间距设为0.468纳米，带宽为0.01纳米。同时，在实验中也可通过调节Fabry-Perot干涉仪7的腔长，使得339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的这三个共振荧光信号通过Fabry-Perot干涉仪7。
如图2(c)所示，基于设置在Fabry-Perot干涉仪7前、后的带通滤波器5、陷波滤器9能进一步隔离大气背景噪声，并且由于带通滤波器6带宽大，其峰值透过率高，从而达到对镍共振荧光信号高效低噪声的探测。
优选的，所述带通滤波器6的带宽大于10.299纳米，并且保证339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的镍共振荧光信号高效透过。
本发明实施例提供的有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统主要具有如下有益效果：
1)可同时提取三支镍的共振荧光线，这三支共振荧光占总信号的92％，具有高效率的特点。
2)Fabry-Perot干涉仪7、带通滤波器6和陷波滤器9都具有高透过率的特点，镍共振荧光线的透过率高。
3)Fabry-Perot干涉仪7的占空比很低，可有效隔离大气背景噪声，而周期性Fabry-Perot干涉仪7所引入的大气背景噪声通过带通滤波器6和陷波滤器9进行高效滤除，从而实现镍激光雷达的昼夜连续观测。
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 (4)

1.一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，其特征在于，包括：种子激光器(1)、激光放大器(2)、激光扩束装置(3)、望远镜(4)、第一耦合透镜(5)，带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)、温控装置(8)、陷波滤器(9)、第二耦合透镜(10)、探测器(11)、采集卡(12)以及数据处理和显示系统(13)；其中：
种子激光器(1)的输出端与激光放大器(2)的输入端连接，激光放大器(2)的输出端与激光扩束装置(3)的输入端连接；激光通过激光扩束装置(3)发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜(4)接收；
大气回波信号先经第一耦合透镜(5)转成平行光，平行光依次经带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)和陷波滤器(9)，来提取镍回波信号并滤除大气背景噪声，Fabry-Perot干涉仪(7)内的温度通过温控装置(8)控制，镍回波信号经陷波滤器(9)后通过第二耦合透镜(10)经信号耦合到探测器(11)，探测器(11)的输出端与采集卡(12)的输入端连接，采集卡(12)的输出端与数据处理和显示系统(13)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，其特征在于，
基于依次设置的带通滤波器(6)、Fabry-Perot干涉仪(7)和陷波滤器(9)，实现镍激光雷达的昼夜连续观测；其中，激光扩束装置(3)发射的337.054纳米的激光，使大气中的镍气体产生能级跃迁，激发回波的波长为339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米，通过设定Fabry-Perot干涉仪(7)的自由谱间距，使得339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的这三支镍共振荧光信号通过Fabry-Perot干涉仪；同时，基于设置在Fabry-Perot干涉仪(7)前、后的带通滤波器(6)、陷波滤器(9)滤除大气背景噪声。
3.根据权利要求2所述的一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，其特征在于，
所述Fabry-Perot干涉仪(7)的自由谱间距设为0.468纳米，带宽为0.01纳米。
4.根据权利要求2或3所述的一种有效提取大气镍共振荧光信号的激光雷达系统，其特征在于，所述带通滤波器(6)的带宽大于10.299纳米，并且保证339.396纳米、337.054纳米和347.35纳米的镍共振荧光信号透过。
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