CN108535739A - 一种全固态连续波钠测温测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态连续波钠测温测风激光雷达，包括光路依次连接的种子光激光器、预放大器、声光频移器、主放大器、倍频晶体、伪随机编码器、扩束镜和分束片组，预放大器和主放大器分别连接有泵浦装置，预放大器的出口光线通过分光片与另一个倍频晶体和稳频装置连接，稳频装置与所述种子光激光器连接。还包括控制系统，控制系统与采集计算机、数据处理与服务中心、声光频移器、伪随机编码器、稳频装置、分束片组的电机控制器分别连接。采集计算机通过光子计数器与望远镜连接。解决了高时间和空间分辨率的中间层顶区域钠原子数密度廓线、大气温度和风速廓线的小型化和低功耗测量，可实现中间层顶区域钠原子密度、风速和温度水平方向变化特征的可移动大范围观测，为下一代机载和星载设备奠定技术基础。

Description

一种全固态连续波钠测温测风激光雷达

技术领域

本发明涉及一种激光雷达，尤其涉及一种全固态连续波钠测温测风激光雷达，主要用于中间层顶区域(80-105)km钠原子数密度、温度和风速廓线的测量。

背景技术

随着人类航空和航天活动的增加，临近空间环境正在受到高度重视。距离地面80-105公里的高度区域通常被称为中间层顶区域(mesopause)，那里的温度是地球大气层中温度最低的区域，并有着显着的季节变化规律：冬天温度高而夏天温度低。另外该区域的大气背景风场也有着明显的季节变化：纬向环流夏季西向冬季东向，而径向环流是由夏季半球吹向冬季半球。中间层顶区域也是地外物质(宇宙尘埃和流星)注入和烧蚀的区域，由于流星消融形成的金属层中金属原子/离子是该区域动力学、光化学耦合过程极好的示踪物，研究金属层对于理解中间层顶大气动力学和光化学具有重要科学意义。

目前全球和区域性大气模式虽然能够在一定程度上模拟和预测中高层大气温度和风场的变化，但还远未达到足够的精度和可靠信。但目前仍然缺乏区域和全球中间层顶区域大气温度、风场、和大气重力波的高精度探测。在金属钠层的观测中，钠荧光激光雷达具有独特的优势，能够提供高时间和空间分辨率的钠原子数密度廓线目前绝大部分钠激光雷达(无论是宽带和窄带)都是地基非移动系统，并采用了脉冲式激光发射光源，只能进行定点(in situ)观测。主要问题是由于目前脉冲式钠测温测风激光雷达系统，无论是半导体泵浦式还是氙灯泵浦式钠测温测风激光雷达系统，其体积和功耗都不能做到很小，只适合在具有充足面积和电力供应的实验室条件下进行布置。这是制约钠测温测风激光雷达进行移动测量、球载、机载和星载平台搭载的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种全固态连续波钠测温测风激光雷达。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的全固态连续波钠测温测风激光雷达，包括光路依次连接的种子光激光器、预放大器、声光频移器、主放大器、倍频晶体、伪随机编码器、扩束镜和分束片组，所述预放大器和主放大器分别连接有泵浦装置，所述预放大器的出口光线通过分光片与另一个倍频晶体和稳频装置连接，所述稳频装置与所述种子光激光器连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的全固态连续波钠测温测风激光雷达，解决了高时间和空间分辨率的中间层顶区域钠原子数密度廓线、大气温度和风速廓线的的小型化和低功耗测量，解决了钠测温测风激光雷达的全固态化、小型化、小功率化和超窄带CW难题；可真正意义上实现中间层顶区域钠原子密度、风速和温度水平方向变化特征的可移动大范围观测，为下一代机载和星载设备奠定技术基础。

附图说明

图1为本发明实施例提供的全固态连续波钠测温测风激光雷达结构示意图；

图2为本发明实施例中超窄带频率稳定三频连续CW激光光源产生结构图；

图3为本发明实施例中无多普勒饱和光谱技术实现结构图；

图4为本发明实施例中实现发射系统中产生三个频率激光的方法，即光纤式声光调制技术原理方案图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的全固态连续波钠测温测风激光雷达，其较佳的具体实施方式是：

包括光路依次连接的种子光激光器、预放大器、声光频移器、主放大器、倍频晶体、伪随机编码器、扩束镜和分束片组，所述预放大器和主放大器分别连接有泵浦装置，所述预放大器的出口光线通过分光片与另一个倍频晶体和稳频装置连接，所述稳频装置与所述种子光激光器连接。

还包括控制系统，所述控制系统与采集计算机、数据处理与服务中心、所述声光频移器、所述伪随机编码器、所述稳频装置、所述分束片组的电机控制器分别连接。

所述采集计算机通过光子计数器与望远镜连接。

所述种子光激光器为半导体激光器，用于连续输出1178nm种子激光；

所述预放大器用于把1178nm激光的功率放大至2w；

所述泵浦装置使种子光激光器粒子数反转，产生激光；

所述分光片用于激光分光，将激光分为两路，一路用于激光频率锁定，一路用于激光频率频移和功率二次放大；

所述声光频移器用于三个频率激光的频率移频；

所述主放大器用于对种子激光功率二次放大；

所述倍频晶体用于对种子激光倍频，经倍频后输出超窄带589nm激光；

所述稳频装置用于稳定激光频率；

所述伪随机编码器用于589nm激光的快速伪随机编码和调制；

所述扩束镜用于激光的扩束和改善发散角；

所述电机控制器用于控制和调整发射到大气中的激光发射方向；

所述望远镜直径≥500mm，用于接收三个频率激光回波信号的接收；

所述光子计数器用于以光子计数方式探测高空回波信号；

所述采集计算机用于采集回波信号并实时显示回波信号曲线；

所述控制系统用于系统的自动化控制系统，包括运行状态监控、报警和环境监测以及数据的传输；

所述数据处理与服务中心用于回波信号反演钠密度、温度和风速的反演工作，同时管理数据的分享。

本发明的全固态连续波钠测温测风激光雷达，解决了高时间和空间分辨率的中间层顶区域钠原子数密度廓线、大气温度和风速廓线的的小型化和低功耗测量，为国际首台全固态CW钠测温激光雷达。本申请在技术上解决了钠测温测风激光雷达的全固态化、小型化、小功率化和超窄带CW难题；可真正意义上实现中间层顶区域钠原子密度、风速和温度水平方向变化特征的可移动大范围观测，为下一代机载和星载设备奠定技术基础。

具体实施例：

1、全固态连续CW激光雷达结构，如图1所示：

所述车载全固态CW钠测温激光雷达包括种子光激光器1，泵浦装置2，预放大器3，分光片4，分光片5，声光频移器6，泵浦装置7，主放大器8，倍频晶体9，倍频晶体10，稳频装置11，伪随机编码器12，扩束镜13，分束片14，分束片15，分束片16，电机控制器17，望远镜18，望远镜19，望远镜20，光子计数器21，采集计算机22，控制系统23，和数据处理与服务中心24。其中，

所述种子光激光器1，为半导体激光器，可输出窄带线宽为1178nm的连续激光，为车载全固态CW钠测温激光雷达系统种子光源。

所述泵浦装置2和预放大器3，组成光纤放大装置，经泵浦装置2泵浦后，可获得大功率的1178nm激光，第一级光纤将1178nm激光放大到2w左右。

所述分光片4和分光片5，为车载全固态CW钠测温激光雷达分光装置，将第一级放大的1178nm激光分为两路，一路用于激光频率锁定(无多普勒饱和光谱)，一路用于激光频率频移(声光频移器)和激光功率二次放大。

所述声光频移器6，用于产生车载全固态CW钠测温激光雷达所需的伪随机编码调制的三个频率连续波激光光源。种子激光的频率由钠的无多普勒饱和光谱技术锁定激光频率到2MHz左右。三个频率激光的输出采用光纤耦合式声光调制器实现，通过对1178nm激光进行上下频移处理，倍频后从而获得D2a峰值附近的两个侧翼频率激光。

所述泵浦装置7和主放大器8，采用两级光纤放大技术，用于对1178nm激光的二次放大。

所述倍频晶体9和倍频晶体10，利用非线性光学晶体的倍频效应，信号经倍频晶体后输出频率是输入频率的整数倍。。

所述稳频装置11，利用激光稳频技术对输出信号频率进行稳定。

所述伪随机编码器12，对连续激光束进行伪随机编码调制，三个频率激光分时序列按编码顺序出射，实现距离分辨顺序出射。

所述扩束镜13，对输出激光进行扩束，减小发射光的发散角。

所述分束片14，分束片15和分束片16，三片分束镜安装在带有电动调节功能的镜架上，通过调节镜架实现发射光束的发射方向。

所述电机控制器17，用于调节分束片14，分束片15和分束片16的角度。

所述望远镜18，望远镜19，望远镜20，为一台直径≥500mm的望远镜，是车载全固态CW钠测温激光雷达的接收系统组成部分，用于接收系统三个频率回波信号。

所述光子计数器21，由于采集的高空回波信号十分微弱，光子计数器21以光子计数模式对回波信号进行探测。

所述采集计算机22，用于采集显示部分用于采集回波信号并实时显示回波信号曲线。

所述控制系统23，用于车载全固态CW钠测温激光雷达的自动化控制，包括远程唤醒开机，顶盖自动开启，系统自动准直，系统时序控制，回波信号自动采集和传输等系统运行，实现现场无人值守工作。控制部分同时完成系统运行状态监控和报警工作，实验环境的监测工作。

所述数据处理与服务中心24，用于回波信号反演钠密度、温度和垂直风速的初步反演，同时管理数据的分享工作。当检测到系统回波信号数据传输到该中心是，数据处理程序自动处理出结果数据。

2、超窄带频率稳定三频连续CW激光光源产生结构：

以窄带钠连续激光作为本申请实施例发射系统光源，超窄带连续CW激光光源产生结构图如图2所示。目前，市售半导体激光器可以获得窄线宽的连续1178nm光源，通过光纤放大倍频后可获得窄带589nm激光，但对于实现三个频率的589nm激光光源，我们必须通过对激光器的重新设计。我们通过以下方案实现：使用市售窄线宽1178nm连续激光作为系统的种子光源，经过两级光纤放大获得大功率的1178nm激光。第一级光纤放大将1178nm激光放大到2w左右，分成两路，一路用于激光频率锁定(无多普勒饱和光谱)，一路用于激光频率频移(声光频移器)和激光功率二次放大。二次放大后的1178nm激光经过二倍频后获得约20W的超窄带589nm激光。

3、无多普勒饱和光谱技术实现结构：

要实现对温度和风场的探测，激光频率的漂移将直接影响到大气温度和风场的测量准确度，特别是风场准确度，对于1MHz的频率偏移来说，其引起的风速测量误差约为0.6m/s。由于温度的变化可以直接影响激光器的有效腔长，从而产生激光频率的漂移。因此发射系统需要对出射激光的频率进行绝对频率的锁定。对于589nm激光来说，其激光频率约为508.985THz＝5.08985*108MHz，要将激光频率锁定到MHz量级，难度很大，需要很好的锁定标准，钠原子光谱D2a带宽约1.4GHz左右，其无法直接用于高精度锁定激光频率。由于钠原子的饱和光谱可以提供很窄的线宽，可以通过钠原子的无多普勒饱和荧光光谱或吸收光谱，绝对跟踪锁定激光频率。

钠原子池是一种市场上很容易购置的密封有钠原子的玻璃器件，钠原子池两端有玻璃窗口。将钠原子池加热到稳定到一定温度，钠原子池内将充满钠原子蒸汽。激光光束通过和钠原子蒸汽，当激光光束频率和钠原子的本征频率相同时，将会产生吸收，辐射荧光。当激光光束相向通过钠原子池时，这两束光将在钠原子荧光谱多普勒分布曲线上烧出Bennett孔。当入射光的频率接近布居数速度分布曲线的中心频率，在荧光光谱线上出现一个凹陷区，称为兰姆凹陷。兰姆凹陷不受多普勒效应的影响，又称为无多普勒凹陷。兰姆凹陷的峰值就是D2a的峰值，其频率线宽很窄，约为10MHz左右，利用该D2a兰姆凹陷尖峰可用于主动锁定环形染料激光器的频率，稳定精度为MHz量级。图3给出无多普勒饱和光谱技术实现结构图。为了进一步保证激光频率的锁定精度，在锁定过程中尽量降低系统噪声的影响，系统中引入参考光消弱光抖动影响，选用低噪声的探测器和放大电路，降低电子学噪声。

4、即光纤式声光调制部分原理方案：

为了增加系统的稳定性，本申请实施例中采用高度集成化的光纤声光晶体器件并结合高速光切换开关，产生所需的三个频率激光，光纤式声光调制技术原理方案图如图4所示。光纤式声光调制器采用一个端口输入，一个端口输出，中间过程采用三个状态高速切换方式。一级放大后的种子激光通过光纤口耦合到声光调制器，一路直接输出到光纤输出端口；一路切换到频率增加声光晶体端口，然后耦合到光纤输出端口；一路切换到频率减小的声光晶体端口，然后耦合到光纤输出端口，光纤输出端口接到第二光纤放大器输入。

5、连续光的距离分辨实现方法：

连续光的距离分辨的实现采用伪随机编码和解码原理来实现。本申请实施例通过设置光子计数卡的驻留时间，脉冲光在该时间内行进距离，就对应脉冲式激光雷达的距离分别率。也就是说本申请实施例将光行进的距离转化为采集装置的采样时间分辨率，从而达到了距离分辨的能力。但这种情况下要求脉冲激光宽度(纳秒级)要大大小于采样时间分辨率，而且激光周期要大于激光雷达所需的探测距离范围。

与脉冲式激光雷达发射的短脉冲激光光源不一样，连续波钠测温激光雷达发射的是连续波激光光源，也就是说发射的激光是连续或者准连续的，那么无法直接将光的传播距离直接转化为采集装置的采样时间分辨率。为实现对连续光接收的时间分辨，引入伪随机编码对连续光进行编码。伪随机编码是一种结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码。伪随机M码对发射激光进行调制，在信号接收端使用伪随机M回波信号进行解码，当反码和M码序号一一对应时，M码和反码相乘后求和才能得到非0有效值，否则相乘后求和结果为0。根据需要探测高度范围和所需的距离分辨率，确定M编码的个数，编码个数为计数。以探测距离范围127km为例进行说明，当需要距离分辨率为1km时，对应M编码一个码时间约为6.667us，那么127个编码时间约为846.71us。要获得更高的探测高度，可以通过两种方法：一方面可以降低距离分辨率，一方面可以增加编码个数。为了获得特定高度的回波信号，通过将对应顺序的M编码和反码进行相乘求和运算得到。对连续激光的M编码调制。表1给出了127个编码和反码及其相关关系值。

表1伪随机编码和解码技术原理表

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)

1.一种全固态连续波钠测温测风激光雷达，其特征在于，包括光路依次连接的种子光激光器、预放大器、声光频移器、主放大器、倍频晶体、伪随机编码器、扩束镜和分束片组，所述预放大器和主放大器分别连接有泵浦装置，所述预放大器的出口光线通过分光片与另一个倍频晶体和稳频装置连接，所述稳频装置与所述种子光激光器连接。

2.根据权利要求1所述的全固态连续波钠测温测风激光雷达，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统与采集计算机、数据处理与服务中心、所述声光频移器、所述伪随机编码器、所述稳频装置、所述分束片组的电机控制器分别连接。

3.根据权利要求2所述的全固态连续波钠测温测风激光雷达，其特征在于，所述采集计算机通过光子计数器与望远镜连接。

4.根据权利要求3所述的全固态连续波钠测温测风激光雷达，其特征在于：

所述种子光激光器为半导体激光器，用于连续输出1178nm种子激光；

所述预放大器用于把1178nm激光的功率放大至2w；

所述泵浦装置使种子光激光器粒子数反转，产生激光；

所述分光片用于激光分光，将激光分为两路，一路用于激光频率锁定，一路用于激光频率频移和功率二次放大；

所述声光频移器用于三个频率激光的频率移频；

所述主放大器用于对种子激光功率二次放大；

所述倍频晶体用于对种子激光倍频，经倍频后输出超窄带589nm激光；

所述稳频装置用于稳定激光频率；

所述伪随机编码器用于589nm激光的快速伪随机编码和调制；

所述扩束镜用于激光的扩束和改善发散角；

所述电机控制器用于控制和调整发射到大气中的激光发射方向；

所述望远镜直径≥500mm，用于接收三个频率激光回波信号的接收；

所述光子计数器用于以光子计数方式探测高空回波信号；

所述采集计算机用于采集回波信号并实时显示回波信号曲线；

所述控制系统用于系统的自动化控制系统，包括运行状态监控、报警和环境监测以及数据的传输；

所述数据处理与服务中心用于回波信号反演钠密度、温度和风速的反演工作，同时管理数据的分享。