CN109343080A - 采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统，该拉曼激光雷达包括光源模块、发射模块、接收模块、探测模块、数据采集模块、控制模块，该方法包括以下步骤：S1、光源模块输出一束发射模块需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块发射脉冲光束到大气中；S3、带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；S4、系统中的数据采集模块采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块中进行数据分析。本发明通过外差技术、声光调制技术、拉曼技术三者结合，能有效探测拉曼的弱回波信号。

Description

采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达探测领域，尤其涉及采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统。
背景技术
水汽的激光雷达探测的方法是通过利用拉曼效应，分别探测拉曼回波信号来探测大气中水汽的含量。拉曼回波信号能量弱，但是传统激光雷达直接采用光电倍增管对回波信号进行探测采集，性噪比低，探测距离有限，甚至有时在白天背景光强的情况下不能满足测量水汽的需求。因此急需一种新的方法和系统来解决该技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供一种采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块、发射模块、接收模块、探测模块、数据采集模块、控制模块，该方法包括以下步骤：
S1、光源模块输出一束发射模块需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；
S2、发射模块发射脉冲光束到大气中；
S3、接收模块接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；
S4、系统中的数据采集模块采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块中进行数据分析。
实现上述的方法的雷达系统，所述光源模块包括连续种子激光器、第一分束镜、脉冲激光器、连续激光器、第一分光组件、若干个拉曼管、若干个声光调制器，第一分束镜将连续种子激光器发出的激光分成两束，其中一束激光经过脉冲激光器放大产生脉冲光束，另一束激光经过连续激光器放大后，再通过第一分光组件分光，分光获得的每一束激光依次通过相应的拉曼管和相应的声光调制器后输出本振激光信号；
发射模块包括第一反射镜，用于将经过脉冲激光器放大后的脉冲光束反射到大气中；
探测模块包括第二分光组件、若干个外差单元、多个探测器，回波信号经过第二分光组件后分出需要进行外差探测的若干个拉曼信号，每个外差单元接收第二分光组件发出的相应的拉曼信号和光源模块发出的该拉曼信号对应的本振信号，每一个外差单元输出的光信号输出到相应的探测器上，其他未经过外差单元的每一个波长的光信号分别输出到相应的探测器上。
优化的，所述拉曼管为2个，分别为水汽拉曼管和氮气拉曼管，第一分光组件包括第二分束镜和第三镜体，第二分束镜将连续激光器发出的一束光分成两束，一束输入到水汽拉曼管内，另一束光输出到第三镜体上，第三镜体输出一束光到氮气拉曼管内。
优化的，所述第三镜体为分束镜或反光镜。
优化的，所述连续种子激光器发出波长为λ0的激光，所述连续激光器输出被放大后的波长为λ0的连续激光，经过水汽拉曼管后输出波长为λ10的第一水汽拉曼激光，第一水汽拉曼激光经过第一声光调制器后输出波长为λ1L的作为本振激光信号的第二水汽拉曼激光；分束后波长为λ0的激光经过氮气拉曼管后输出波长为λ20的第一氮气激光，第二氮气拉曼激光经过第二声光调制器后输出波长为λ2L的作为本振激光信号的第二氮气拉曼激光。
优化的，所述接收模块包括依次设置的望远镜、第一光阑。
优化的，所述第二分光组件包括第四分束镜、第五分束镜、第六镜体、第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片，外差单元包括第一外差单元和第二外差单元，接收模块接收到的光信号发射到第四分束镜上；第四分束镜分出一束表示水汽拉曼信号的第一波长的激光经过第一滤波片发射到第一外差单元的第一光输入端，第一外差单元输出的光信号输出到第一探测器上，第四分束镜分出另一束激光发射到第五分束镜上；第五分束镜分出一束表示氮气拉曼信号的第二波长的激光经过第二滤波片发射到第二外差单元的第一光输入端，第二外差单元输出的光信号输出到第二探测器上，第五分束镜分出的另一束激光发射到第六镜体上；第六镜体分出一束第三波长的激光经过第三滤波片发射到第三探测器上；第二水汽拉曼激光和第二氮气激光对应发射到第一外差单元的第二光输入端和第二外差单元的第二光输入端。
优化的，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器均为光电倍增管。
优化的，每个外差单元按光路方向包括依次设置分光镜、可变光阑，外差单元的设置符合公式
其中fs(t)和fL(t)为信号光波和本征光波度，As和AL为信号光和本征光振幅，ωs和ωL为信号光和本征光频率，φs和φL为信号光和本征光相位，t为时间，α表示光电变换比例常数。
优化的，所述第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片均为窄带滤波片。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用以传统拉曼探测水汽激光雷达为基础，通过引入外差技术，使用外差探测技术连续测量被测物体的激光雷达系统，通过外差技术、声光调制技术、拉曼技术三者结合，能有效探测拉曼的弱回波信号能有效探测拉曼的弱回波信号，实现对回波信号进行有效探测，满足全天时(昼夜)连续测量被测物体的需求。
(2)该系统运用于水汽的探测，传统的水汽拉曼激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的传统方法，水汽拉曼信号要比米散射信号弱3个数量级，采用光电倍增管在白天很难探测到水汽拉曼的回波信号。为了使水汽拉曼激光雷达在白天进行水汽测量，一般通过激光雷达探测能量和增大望远镜的探测口径，所以一般水汽拉曼激光雷达探测系统的价格非常昂贵，体积大，稳定性差，维护成本高。即使这样水汽拉曼的回波信号强度提升也非常有限，探测距离提高也有限。而该系统使用外差技术和声光调制技术，可以在原有基础上对弱的拉曼回波信号进行有效探测，从而降低对系统对空间和加工的要求。
(3)第三镜体和第六镜体可以用分束镜也可以用反光镜，该方案优选使用分束镜，这样可以滤出其他波长的光信号。
(4)光源模块中的连续种子激光不仅生成发射到大气中的激光，还可以生成本振信号。
(5)探测模块中窄带滤波片可以提高这个系统的信噪比。
附图说明
图1是本发明采用外差技术探测水汽的拉曼激光雷达系统结构示意图。
图中标注符号的含义如下：
1-光源模块
101-连续种子激光器 102-第一分束镜 103-脉冲激光器
110-连续激光器
111-第二分束镜 112-水汽拉曼管 113-第一声光调制器
121-第三镜体 122-氮气拉曼管 123-第二声光调制器
2-发射模块 201-第一反射镜
3-接收模块 301-望远镜 302-第一光阑
4-探测模块 401-目镜
421-第四分束镜 422-第一滤波片 423-第一外差单元 424-第一探测器
431-第五分束镜 432-第二滤波片 433-第二外差单元 434-第二探测器
441-第六镜体 442-第三滤波片 443-第三探测器
5-数据采集模块 6-电源模块 7-控制模块
具体实施方式
实施例1
如图1所示，采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块1、发射模块2、接收模块3、探测模块4、数据采集模块5、电源模块6、控制模块7，该方法包括以下步骤：
S1、光源模块1输出一束发射模块2需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；
S2、发射模块2发射脉冲光束到大气中；
S3、接收模块3接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；
S4、系统中的数据采集模块5采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块7中进行数据分析。
在该方法中，电源模块6对所有数据采集模块5和控制模块7供电，并且控制模块5控制光源模块1中的各激光器。
实施例2
如图1所示，采用实施例1中的方法的雷达系统包括光源模块1、发射模块2、接收模块3、探测模块4。以下对各模块进行详细的描述。
光源模块1
光源模块1包括连续种子激光器101、第一分束镜102、脉冲激光器103、连续激光器110、第一分光组件、水汽拉曼管112、氮气拉曼管122、若干个声光调制器，第一分束镜102将连续种子激光器101发出的激光分成两束，其中一束激光经过脉冲激光器103放大产生脉冲光束，另一束激光经过连续激光器放大后，再通过第一分光组件分光,分光获得的每一束激光依次通过相应的拉曼管和相应的声光调制器后输出本振激光信号。
第一分光组件包括第二分束镜111和第三镜体121，在该实施例中，第三镜体121为第三分束镜。第二分束镜111将连续激光器110发出的一束光分成两束，一束输入到水汽拉曼管112内，另一束光输出到第三分束镜上，第三分束镜输出一束光到氮气拉曼管122内。
从连续种子激光器101发出λ0的连续激光，然后通过第一分束镜102分为两路：一路作为脉冲激光器103的种子光，脉冲激光器103内部通过放大后发射出包括波长为λ0激光。另外一束连续波长为λ0的激光作为连续激光器110的种子光，经过连续激光器110内部放大后，连续激光器110发出波长为λ0的连续激光，该激光经过第二分束镜111分束，其中一束经过水汽拉曼管112，产生波长为λ10的第一水汽拉曼激光，然后通过第一声光调制器113进行移频，移频后作为本振激光信号的第二水汽拉曼激光，第二水汽拉曼激光的波长为λ1L；另一经过分束的波长为λ0的连续激光经过氮气拉曼管122，产生波长为λ20的第一氮气激光，然后通过第二声光调制器123进行移频，移频后作为本征本振激光信号的第二氮气拉曼激光，第二氮气拉曼激光的波长为λ2L。
根据声光调制器的原理，声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率。与电光调制技术相比，它有更高的消光比(一般大于1000:1)，更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格，与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。
当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制。当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时，衍射光的频率发生变化而达到移频的目的。
水汽拉曼激光雷达系统利用的是散射光中的Stokes线，不同的激发波长λ0会有不同的振动光谱(对应不同的λ10和λ20)，典型的有：在氮气分子的振动-转动拉曼光谱中，当激光波长为355nm时，其振动光谱的中心波长为386.7nm。对于水汽分子，当激发波长为355nm时，其光谱的中心波长为407.8nm；在氮气分子的振动-转动拉曼光谱中，当激光波长为532nm时，其振动光谱的中心波长为607nm。对于水汽分子，当激发波长为532nm时，其光谱的中心波长为660nm。传统水汽的反演计算方法已经很成熟，通过激光雷达测得的水汽和氮气拉曼后向散射信号的比值就可以算出水汽混合比。
发射模块2
发射模块2包括第一反射镜201，用于将经过脉冲激光器103产生的放大后的脉冲光束反射到大气中。
接收模块3
所述接收模块3包括依次设置的望远镜301、第一光阑302，用于接收反射模块反射到大气中的光束与大气作用后的回波信号。在该方案中，望远镜301为卡塞格林望远镜301。
探测模块4
探测模块4包括第二分光组件、若干个外差单元、多个探测器，回波信号经过第二分光组件后分出需要进行外差探测的若干个拉曼信号，每个外差单元接收相应的拉曼信号和该拉曼信号对应的本振信号，每一个外差单元输出的光信号输出到相应的探测器上，其他未经过外差单元的每一个波长的光信号分别输出到相应的探测器上。在该方案中，波长为λ0的光信号直接输出到相应的探测器上。
所述第二分光组件包括第四分束镜421、第五分束镜431、第六镜体441、第一滤波片422、第二滤波片432、第三滤波片442，外差单元包括第一外差单元423和第二外差单元433，接收模块3接收到的光信号发射到第四分束镜421上；第四分束镜421分出一束表示水汽拉曼信号的第一波长的激光经过第一滤波片422发射到第一外差单元423的第一光输入端，第一外差单元423输出的光信号输出到第一探测器424上，第四分束镜421分出另一束激光发射到第五分束镜431上；第五分束镜431分出一束表示氮气拉曼信号的第二波长的激光经过第二滤波片432发射到第二外差单元433的第一光输入端，第二外差单元433输出的光信号输出到第二探测器434上，第五分束镜431分出的另一束激光发射到第六镜体441上；第六镜体441分出一束第三波长的激光经过第三滤波片442发射到第三探测器443上；第二水汽拉曼激光和第二氮气激光对应发射到第一外差单元423的第二光输入端和第二外差单元433的第二光输入端。在该实施例中，第六镜体441也使用分束镜，滤除其他波长的光。
所述第一探测器424、第二探测器434、第三探测器443均为光电倍增管。第一滤波片422、第二滤波片432、第三滤波片442均为窄带滤波片，从而提高系统的信噪比。
每个外差单元按光路方向包括依次设置的分光镜、可变光阑，外差单元的设置符合公式
其中fs(t)和fL(t)为信号光波和本征光波度，As和AL为信号光和本征光振幅，ωs和ωL为信号光和本征光频率，φs和φL为信号光和本征光相位，t为时间，α表示光电变换比例常数。
式中，最后等号后的第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，当差频信号(ωL-ωs)/2π＝ωC/2π低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为ωC/2π的光电流输出。当ωL-ωs等于0时，为零差探测，这时不能有效探测信号光信息。光电检查响应强度正比于ASAL，所以可以检测弱信号光；举例如下：当本振光在1mW时，信号光的在10-7mW(0.1nW)的量级上时，本振光对信号光的增益将达到107，相应地外差探测到灵敏度将比直接探测到灵敏度高107的量级。
本方案借助声光调制技术和外差探测技术即可反演出水汽浓度，借助外差探测可以探测弱回波信号的优势，可以大大的提高水汽和氮气拉曼后向散射信号探测灵敏度，提高了信噪比，并有效提升探测距离。
经过水汽拉曼管112和氮气拉曼管122的信号通过声光调制器(AOM)进行移频，移频后作为本征氮气拉曼信号再与大气回波氮气拉曼信号进行差频，然后通过探测器，因为探测器的平方律效应，高频信号不能探测，可以对强度较弱的大气回波拉曼信号进行放大。水汽拉曼信号和氮气拉曼信号均通过外差法进行探测后，再通过放大器再记录到控制模块7中，外差单元的使用大大的提高了探测灵敏度，提高了信噪比，并有效提升探测距离。
该系统还包括与传统的激光雷达相同的数据采集模块5、电源模块6、控制模块7，所述采集模块与第一探测器424、第二探测器434和第三探测器443的信号输出端连接，另外还分别与控制模块7和电源模块6连接，所述控制模块7与电源模块6连接，所述控制模块7还与光源模块1连接。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块(1)、发射模块(2)、接收模块(3)、探测模块(4)、数据采集模块(5)、控制模块(7)，该方法包括以下步骤：
S1、光源模块(1)输出一束发射模块(2)需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；
S2、发射模块(2)发射脉冲光束到大气中；
S3、接收模块(3)接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；
S4、系统中的数据采集模块(5)采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块(7)中进行数据分析。
2.实现权利要求1所述的方法的雷达系统，其特征在于，
所述光源模块(1)包括连续种子激光器(101)、第一分束镜(102)、脉冲激光器(103)、连续激光器(110)、第一分光组件、若干个拉曼管、若干个声光调制器，第一分束镜(102)将连续种子激光器(101)发出的激光分成两束，其中一束激光经过脉冲激光器(103)放大产生脉冲光束，另一束激光经过连续激光器(110)放大后，再通过第一分光组件分光，分光获得的每一束激光依次通过相应的拉曼管和相应的声光调制器后输出本振激光信号；
发射模块(2)包括第一反射镜(201)，用于将经过脉冲激光器(103)放大后的脉冲光束反射到大气中；
探测模块(4)包括第二分光组件、若干个外差单元、多个探测器，回波信号经过第二分光组件后分出需要进行外差探测的若干个拉曼信号，每个外差单元接收第二分光组件发出的相应的拉曼信号和光源模块发出的该拉曼信号对应的本振信号，每一个外差单元输出的光信号输出到相应的探测器上，其他未经过外差单元的每一个波长的光信号分别输出到相应的探测器上。
3.根据权利要求2所述的雷达系统，其特征在于，所述拉曼管为2个，分别为水汽拉曼管(112)和氮气拉曼管(122)，第一分光组件包括第二分束镜(111)和第三镜体(121)，第二分束镜(111)将连续激光器(110)发出的一束光分成两束，一束输入到水汽拉曼管(112)内，另一束光输出到第三镜体(121)上，第三镜体(121)输出一束光到氮气拉曼管(122)内。
4.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述第三镜体(121)为分束镜或反光镜。
5.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述连续种子激光器(101)发出波长为λ0的激光，所述连续激光器(110)输出被放大后的波长为λ0的连续激光，经过水汽拉曼管(112)后输出波长为λ10的第一水汽拉曼激光，第一水汽拉曼激光经过第一声光调制器后输出波长为λ1L的作为本振激光信号的第二水汽拉曼激光；分束后波长为λ0的激光经过氮气拉曼管(122)后输出波长为λ20的第一氮气激光，第二氮气拉曼激光经过第二声光调制器后输出波长为λ2L的作为本振激光信号的第二氮气拉曼激光。
6.根据权利要求2所述的雷达系统，其特征在于，所述接收模块(3)包括依次设置的望远镜(301)、第一光阑(302)。
7.根据权利要求5所述的雷达系统，其特征在于，所述第二分光组件包括第四分束镜(421)、第五分束镜(431)、第六镜体(441)、第一滤波片(422)、第二滤波片(432)、第三滤波片(442)，外差单元包括第一外差单元(423)和第二外差单元(433)，接收模块(3)接收到的光信号发射到第四分束镜(421)上；第四分束镜(421)分出一束表示水汽拉曼信号的第一波长的激光经过第一滤波片(422)发射到第一外差单元(423)的第一光输入端，第一外差单元(423)输出的光信号输出到第一探测器(424)上，第四分束镜(421)分出另一束激光发射到第五分束镜(431)上；第五分束镜(431)分出一束表示氮气拉曼信号的第二波长的激光经过第二滤波片(432)发射到第二外差单元(433)的第一光输入端，第二外差单元(433)输出的光信号输出到第二探测器(434)上，第五分束镜(431)分出的另一束激光发射到第六镜体(441)上；第六镜体(441)分出一束第三波长的激光经过第三滤波片(442)发射到第三探测器(443)上；第二水汽拉曼激光和第二氮气激光对应发射到第一外差单元(423)的第二光输入端和第二外差单元(433)的第二光输入端。
8.根据权利要求7所述的雷达系统，其特征在于，所述第一探测器(424)、第二探测器(434)、第三探测器(443)均为光电倍增管。
9.根据权利要求8所述的雷达系统，其特征在于，每个外差单元按光路方向包括依次设置分光镜、可变光阑，外差单元的设置符合公式
其中fs(t)和fL(t)为信号光波和本征光波度，As和AL为信号光和本征光振幅，ωs和ωL为信号光和本征光频率，φs和φL为信号光和本征光相位，t为时间，α表示光电变换比例常数。
10.根据权利要求9所述的雷达系统，其特征在于，所述第一滤波片(422)、第二滤波片(432)、第三滤波片(442)均为窄带滤波片。
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