CN1089443C - 探测大气的非相干激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

一种探测大气的非相干激光雷达系统，主要用于探测大气的风速、气溶胶密度和云层高度。它含有一台单频激光器，激光束经过一个声光调制器调制，产生两光束G_b、G_t。光束G_t经放大器、光学单向器从扫描收发光学组件射向大气目标。由目标反射回来的信号光G_h经收发光学组件收集，通过单向器，与光束G_b一起进入伺服控制的共焦结构的法布里--珀罗干涉仪至光电探测器和数据采集处理器。它具有系统简单、较高的接收效率和信噪比、信号数据处理简便的特点。

Description

探测大气的非相干激光雷达系统

本发明涉及探测大气的一种激光雷达系统，特别是涉及采用非相干方法测量大气风速的激光雷达系统。主要用于探测大气的风速、气溶胶密度和云层高度等。

激光雷达测风速是利用连续激光的多普勒频移，采用光学外差技术实现的。其原理是：大气中气溶胶大分子或悬浮微粒的群速反映大气的风速，它们引起后向散射光的多普勒频移υ_d。沿光线方向的风速V与多普勒频移υ_d有关系：

υ_d＝2V/λ

若用固体(YAG)激光器做光源，λ＝1.06μm，则有υ_d＝1.89MHz/(m/s)。测出多普勒频移，便可计算出沿光线方向的径向风速。

已有技术1：

如图1所示[Coherent launch-site atmospheric wind sounder：theory and experiment.James G.Hawley，Russell Targ，Sammy W.Henderson，Charley P.Hale，Michael J.Kavaya，and Daniel Moerder，Appl.Opt.32，4557-4568(1993)]。其探测系统是一台连续单频激光器1的输出光束G_b作为本机振荡源，其频率为υ₁，另一束光经放大器2脉冲放大后作为探测光束G_t经一光学单向器3从带有扫描控制器8的收发光学组件4射向大气目标。由目标反射回来的光信号产生多普勒频移，频率为υ₁+υ_d。回波光束G_h经收发光学组件4和单向器3，通过耦合器5与本机振荡源在光电探测器6中混频，所得的差频信号即多普勒频移υ_d。该信号由数据采集处理器7处理，可以获得大气风速的数值。

这种系统的限制在于：目标反射回来的信号光其波面会产生畸变，加上收发光学组件接收角的影响，混频效率低，影响信噪比和作用距离。

已有技术2：

如图2所示。[A simple two component laser Doppler anemometer using a rotatingdiffraction grating，J.Oldengarm & Prabha Venkatesh，J.Phys.E.Sci.Instr.9，1009-1012(1976)]。它的探测系统是一台连续激光器1的输出，用一旋转光栅9经频率调制后通过分束器10分束，一般以四束光成正交形式再经收发光学组件4射向目标，由目标反射回来的信号经收发光学组件4接收，在光电探测器6中获得光束间两两干涉产生的多普勒频移信号。该信号由数据采集处理器7处理，可以获得目标速度。

这种系统的限制在于：连续激光器的功率低，仪器的光路布局要求在目标区光束相交，因此作用距离很短。

为了克服上述系统的限制，曾发展了一种非相干脉冲多普勒测速激光雷达。它与相干多普勒激光雷达系统的主要区别在于探测多普勒频移不采用光学外差技术。

已有技术3：

如图3所示[Observation of winds with an incoherent lidar detector，Vincent J.Abreu，John Barnes，and Paul B.Hays，Appl.Opt.31，4509-4514(1992)]。激光发射结构基本上和已有技术1相似。接收部分为了实现用非相干的探测目标回波的多普勒频移，采用一固定平板法布里--珀罗干涉仪11作高分辨率的滤光器。光电探测器6则需采用一种两维多通道成象光电探测器，以便探测到至少一个完整的法布里--珀罗干涉仪自由光谱区内的回波，然后将探测信号送到数据采集处理器7处理，获得目标速度。

这种系统的限制在于：由于接收组件中采用固定平板法布里--珀罗干涉仪作高分辨率的滤光器，限制了接收视场；因平板法布里--珀罗干涉仪的输出中有高次分量，即使采用两维多通道成象光电探测器，探测到的信号通常也只是一个完整的法布里--珀罗干涉仪自由光谱区内的回波，这仅仅是接收信号的一部分，影响接收效率也影响作用距离；而且，所用的两维多通道成像光电探测器是一种比较昂贵的光电子元件，两维信号处理也比较复杂。

为了解决非相干激光雷达有效地探测目标回波的多普勒频移的问题，人们做了许多工作，提出了一些可能解决问题的设想，例如采用球面法布里--珀罗干涉仪、原子或分子的吸收谱线作为高分辨率的滤光器等[Edge technique：theory and application tothe lidar measurement of atmospheric wind，C.Laurence Korb，Bruce M.Gentry，and Chi Y.Weng，Appl.Opt.31，4202-4213(1992)]。

本发明的目的是为了克服已有系统1-3的困难，提出非相干激光雷达系统，对接收视场没有特别的限制，可以提高接收效率和信噪比。对激光输出的频率和光强起伏不敏感。对光电探测器6的要求不苛刻，可以不必使用两维多通道成像光电探测器，信号数据处理简便。既可以测量大气风速，还可以测量大气密度和云层高度等参数。

本发明的系统结构如图4所示。含有一台连续单频主振荡激光器1，输出的光束经过一个声光调制器12调制，产生两束频率和时间波形都不一样的光束G_b、G_t。其中一束G_b是连续光束，送入带伺服控制器13的法布里--珀罗干涉仪14，作为控制法布里--珀罗干涉仪共振腔长的频率标准光束。另一光束G_t，其强度经声光调制器12的时间调制后由放大器2放大，作为探测光束G_t经—光学单向器3从收发光学组件4射向大气目标。光束G_b和光束G_t的频率差为声光调制频率υ_Ω。由目标反射回来的信号光束G_h经收发光学组件4收集，通过单向器3，进入伺服控制的法布里--珀罗干涉仪14，由光电探测器6探测，深测到的信号送入数据采集处理器7中进行处理。当法布里--珀罗干涉仪取共焦结构，如图4所示，其透过率和入射光频间的关系如图5所示。

共焦的法布里--珀罗干涉仪14，它由有共同焦点O的两块球面镜141、142，和压电陶瓷143构成。当两球面镜141与142之间是空气间隙，间距为L，两块共焦球面镜141和142的反射率分别为R，则当激光波长为λ时，透射与入射的强度比为：

I_T/I_O＝{1+4R Sin²(δ/2)/(1-R2)｝^-1

其中δ＝4πL/λ。I_O-为入射光强，I_T-为透射光强，该法布里--珀罗干涉仪自由光谱区的频率宽度为：Δυ＝C/4L。透射最大的半宽度为： ${\mathrm{\Δ\ω}}_{1/2}=C(1-R)/L\sqrt{R}$

F又称为法布里--珀罗干涉仪的锐度系数，它和法布里--珀罗干涉仪面镜反射率R有关。如果法布里--珀罗干涉仪间距L＝50毫米，其自由光谱区的频率宽度约1.5千兆赫，当F≈30时(R≈0.8)，则Δω_1/2≈50兆赫。

如果共焦的法布里--珀罗干涉仪的透过峰通过伺服控制锁定在光束G_b的频率υ_Gb处，如图5所示。探测光束G_t的频率υ_Gt位于该透过峰的半腰Δω，由大气风场目标反射回来、有多普勒频移的光信号透过共焦法布里--珀罗干涉仪时，其输出强度将会随多普勒频移而变。测出这一变化，通过信号数据采集处理器7处理，则可获得大气的风场数据。

本发明的优点：

(1)因接收系统以伺服控制的共焦的法布里-珀罗干涉仪14为高分辨率滤光器，所以本发明的激光雷达系统对接收视场没有特别的限制，它具有较高的接收效率和信噪比。

(2)本发明的激光雷达系统是由激光器1输出的激光束经声光调制器12后分成两束光束G_b、G_t。其中一束是连续光束G_b，伺服控制的共焦法布里-珀罗干涉仪锁定在G_b上，所以适用于任意波长的激光，而且对激光输出频率和光强起伏不敏感。

(3)本发明的激光雷达系统与已有技术3比，对光电探测器6的要求不苛刻，可以不必使用两维多通道成像光电探测器，而且信号数据处理简便。

(4)本发明的激光雷达系统既可以测量大气风速，又可以测量大气密度和云层高度等其它大气参数。

附图说明：

图1：为已有技术1探测大气的激光雷达系统示意图。

图2：为已有技术2的激光测速系统示意图。

图3：为已有技术3探测大气的激光雷达系统示意图。

图4：为本发明的探测大气的非相干激光雷达系统示意图。

图5：为共焦的法布里--珀罗干涉仪的透过率和入射光频率之间的关系图，其中，横坐标为光束频率υ，纵坐标为任意光强单位I。

实施例：

如图4所示，一台连续单频激光器1，输出的光束经过一个声光调制器12调制，产生两束频率和时间波形都不一样的主振荡光束G_b、G_t。其中一束是连续光束G_b，送入带伺服控制器13的法布里--珀罗干涉仪14，作为控制的法布里--珀罗干涉仪共振腔长的频率标准光束。另一光束G_t，其强度经时间调制后由放大器2放大，作为探测光束G_t经一光学单向器3从收发光学组件4射向大气目标。由目标反射回来的信号光G_h经收发光学组件4收集，通过单向器3，进入伺服控制的法布里--珀罗干涉仪14，由光电探测器6探测。为了合理地布局各个器件，在图4的光路中加入半透射半反射镜M₁、反射镜M₂、M₃，以及棱镜P₁、P₂。伺服控制器13是由光电探测和电子线路控制的压电陶瓷构成。法布里--珀罗干涉仪14是共焦结构，它的空气间隙间距L＝30毫米，两块共焦球面镜反射率分别为R＝0.8，激光波长λ＝0.53微米时，透射与入射的强度比I_T/I_O≈10％。该法布里--珀罗干涉仪自由光谱区的频率宽度为Δυ＝2.5千兆赫，当F≈15时(R≈0.8)，则Δω_1/2≈160兆赫，当声光调制频率υ_Ω为80兆赫时，探测光束G_t的频率正好位于法布里--珀罗干涉仪透过峰的半腰，如图5所示。

由大气风场目标反回有多普勒频移的光信号透过共焦的法布里--珀罗干涉仪时，其输出强度将会随多普勒频移而变。测出这一变化，通过信号数据采集处理器7处理，就可获得大气的风场数据。

Claims (2)

1.一种探测大气的非相干激光雷达系统，含有

(1)一台连续单频激光器(1)，输出两束光G_b、G_t，

(2)沿光束G_t前进的方向上，依次置有放大器(2)，光学单向器(3)和收发光学组件(4)；

(3)沿光束G_b前进的方向上，有法布里--珀罗干涉仪(14)；

(4)对着法布里--珀罗干涉仪(14)输出端置有光电探测器(6)；

(5)光电探测器(6)的输出连接于数据采集处理器(7)；

(6)数据采集处理器件(7)与收发光学器件(4)的扫描控制器(8)相连；

其特征在于：

(7)置于激光器(1)与放大器(2)之间有声光调制器(12)和半透射半反射镜(M₁)，激光器(1)的输出光束通过声光调制器(12)经半透射半反射镜(M₁)之后分成两束光G_b、G_t，由半透射半反射镜(M₁)反射的光束(G_b)经过第一反射镜(M₂)和第二反射镜(M₃)，再经过法布里—珀罗干涉仪(14)，透过第一棱镜(P₁)后进入光电探测器(6)，光电探测器(6)输出的电信号输入数据采集处理器(7)内；

(8)法布里--珀罗干涉仪(14)是共焦结构的，带有伺服控制器(13)；

(9)由目标反射回来的信号光束(G_h)通过扫描控制器(8)后，由收发光学组件(4)收集，通过光学单向器(3)经第二棱镜(P₂)反射的信号光束，进入带伺服控制的法布里—珀罗干涉仪(14)，由法布里—珀罗干涉仪(14)输出的光信号透过第一棱镜(P₁)后被光电探测器(6)探测，光电探测器(6)输出的电信号送入数据采集处理器(7)进行处理；经第二棱镜(P₂)直接透过的信号光束被光电探测器(6)探测也送入数据采集处理器(7)进行处理。

2.根据权利要求1的激光雷达系统，其特征在于伺服控制的法布里--珀罗干涉仪(14)是由有共同焦点O的两块球面镜(141与142)和压电陶瓷(143)构成的共焦结构。

Images