CN109557557A - 一种软件自定义多功能激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软件自定义多功能激光雷达，包括光源模块、光学收发模块、时分复用模块、波分复用模块、多个功能模块及软件自定义模块。软件自定义模块包括多个软件控制单元，本发明的软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块之间组合；每个软件控制单元根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块、波分复用模块及功能模块发送控制指令，以测量目标参数。本发明采用开放系统架构，支持多个功能模块即插即用、硬件可复用，软件按需加载，能够方便地通过软件重新定义激光雷达功能，不同的测量目标可以共享光学收发组件与部分或全部功能模块组件，具有硬件共享化、系统最小化，软件动态化、功能最大化的优点。

Description

一种软件自定义多功能激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种软件自定义多功能激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光具有高亮度、高方向性、高相干性、高峰值功率的特点。因此，激光雷达具有高角分辨率、高的距离分辨率、高时间分辨率、高测量精度、远探测距离、多目标探测、强抗干扰的优点。通过以激光为信息载体，激光雷达可以用振幅、频率、相位、偏振来搭载信息。因此，其不仅可以精确测距，还可以精确测量频移、角度、姿态、退偏振。继微波雷达之后，激光雷达将辐射源的频率提高到了光频率，比毫米波高出四个数量级，这使之能够探测微小自然目标，如大气中的气溶胶和分子。随着激光技术和光电子学技术的发展，激光雷达已成为重要遥感探测手段。

激光雷达向大气发射激光，激光与大气相互作用后，由光学望远镜收集后向散射信号，并输入光学接收机，经光电探测和数据处理，获得大气参数信息。

但是，本发明的发明人发现，现有的激光雷达一般都是封闭系统架构，其软件与硬件是紧耦合的，硬件难以互换，软件无法复用。每个功能的激光雷达均需要一整套的激光雷达硬件，包括特定波段的激光器、发射光路系统、发射望远镜、接收望远镜、接收光路系统、探测器、数据采集卡和计算机。如果想要测量多个大气参数，需要分别搭建多套激光雷达系统，并为每套激光雷达系统配备配套专门的软件。从而导致激光雷达测量多个参数耗费高昂的成本，且多个硬件各自组成分立的光电系统整体体积庞大，便携性差，严重制约了多种功能的激光雷达在野外或需要移动式测量的场景下的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种软件自定义多功能激光雷达，采用开放系统架构，支持多个功能模块即插即用、应用软件按需加载，能够方便地通过软件重新定义激光雷达功能，不同的测量目标可以共享光学收发组件与部分或全部功能模块组件，其具有硬件共享化、系统最小化，软件动态化、功能最大化的优点。

本发明是这样实现的：

一种软件自定义多功能激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、时分复用模块、波分复用模块、多个功能模块及软件自定义模块，其中：

所述光源模块用于输出多个波长的脉冲光信号；所述光源模块包括若干个光源单元；每个光源单元用于输出至少一个波长的光信号；

所述光学收发模块用于将光源模块输出的信号出射到大气中，并接收出射光信号与大气作用后的大气回波信号；所述光学收发模块包括多个光学收发组件；

所述时分复用模块包括至少一个第一输入端和多个第一输出端，所述第一输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述时分复用模块能够分时选通一个第一输出端，将接收到的信号由选定的第一输出端输出；

所述波分复用模块包括至少一个第二输入端和多个第二输出端，所述第二输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述波分复用模块用于将接收到的信号分为多个不同波长的信号，由第二输出端输出，每个第二输出端输出一个对应波长的信号；

一个功能模块用于测量至少一种目标参数，所述目标参数包括大气风速、大气能见度、大气云层信息、大气气溶胶信息、目标气体成分信息、大气温度信息和大气压强信息；一个功能模块与光学收发组件、第一输出端和第二输出端中的一个或多个耦合，以接收所耦合的光学收发组件、第一输出端和第二输出端输出的光信号；

所述软件自定义模块包括多个软件控制单元，每个软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块的组合相对应；每个软件控制单元用于根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块、波分复用模块及功能模块发送控制指令，以测量目标参数。

进一步的，所述光源模块包括至少一个光源单元，其中，至少一个光源单元为可调谐光源；或者，所述光源模块包括至少两个光源单元；

所述可调谐光源能够输出预定的多种波长的脉冲光信号；

每个光源单元用于输出至少一个波长的脉冲光信号。

进一步的，所述软件自定义单元包括光源控制部分和时分复用模块控制部分；

所述光源控制部分用于控制可调谐光源工作在波长扫描模式，或者控制可调谐光源输出指定波长；

所述光源控制部分还用于控制一个或多个光源单元工作；

所述时分复用模块控制部分用于控制时分复用模块在预定时间选通指定的输出端以选通指定的功能模块。

进一步的，所述光学收发组件包括第一望远镜、第二望远镜、第三望远镜和第四望远镜；

所述第二望远镜用于接收第一望远镜出射光信号的大气回波信号；

所述第四望远镜为反射式望远镜；所述第四望远镜用于接收由第一望远镜和第三发射望远镜出射光信号的大气回波信号。

进一步的，所述光源模块包括至少两个光源单元，所述两个光源单元输出的光信号分别由第一望远镜或第三望远镜出射；

所述时分复用模块的一个输入端与第二望远镜的输出端连接；

所述波分复用模块的至少一个输入端与第四望远镜的输出端耦合。

进一步的，所述光学收发组件还包括若干个环形器；所述环形器用于将光源模块输出的光信号输出到第一望远镜和/或第三望远镜，并输出第一望远镜和/或第三望远镜接收到的大气回波信号；所述环形器的输出端与至少一个功能模块耦合。

进一步的，所述第一望远镜和第二望远镜的光轴平行设置；至少一个第一望远镜和至少一个第二望远镜在垂直于镜片厚度的方向的截面边缘均包括至少一条不经过镜片中心的直线段；第一望远镜和第二望远镜在厚度方向的侧面均至少包括一个平面；所述第一望远镜的一个平面和第二望远镜的一个平面紧贴在一起。

进一步的，所述功能模块包括相干测风模块，所述相干测风模块用于获取待测大气的风速信息；

所述光源模块包括种子激光器、光脉冲发生器、放大器；所述种子激光器为单波长激光器或可调谐激光器；

所述相干测风模块包括分束器、声光调制器AOM、第一耦合器、平衡探测器和相干数据采集单元；

所述分束器用于将种子激光器输出的光信号分为两路，一路作为信号光依次经光脉冲发生器和放大器后输出到光学收发模块，另一路作为本振光输出到AOM；

光学收发模块接收到的大气回波信号与AOM输出的本振光信号经第一耦合器耦合后输出到平衡探测器和相干数据采集单元；

所述第一耦合器用于耦合本振光与信号光，所述本振光由AOM输出；所述信号光由时分复用模块或环形器的一个输出端输出；

所述软件控制单元包括相干控制单元，所述相干控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在信号光由时分复用模块输出时，控制时分复用模块选通相干测风模块。

进一步的，所述功能模块包括气溶胶色比测量模块，所述气溶胶色比测量模块用于获取待测大气的气溶胶色比信息；所述气溶胶色比测量模块包括至少两个色比探测单元，色比探测单元用于检测接收到的光信号，每个色比探测单元与所述波分复用模块的一个输出端耦合；

所述软件控制单元包括色比控制单元，所述色比控制单元用于控制光源模块输出多个预设波长的光信号；

每个色比探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

进一步的，所述功能模块包括偏振测量模块，所述偏振测量模块用于获取待测大气中气溶胶的退偏振比信息；所述偏振测量模块包括偏振分束器和至少两个偏振探测单元，偏振探测单元用于检测接收到的光信号；所述偏振分束器的输入端与时分复用模块或环形器的一个输出端耦合，所述偏振分束器的每个输出端连接一个偏振探测单元；

所述软件控制单元包括偏振控制单元，所述偏振控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在偏振分束器的输入端于时分复用模块的一个输出端耦合时，控制时分复用模块选通偏振分束器的输入端；

每个偏振探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

进一步的，所述功能模块包括直接测风模块，所述直接测风模块用于获取待测大气的风速信息；所述直接测风模块包括光学鉴频器和直接探测单元，所述光学鉴频器的输入端与时分复用模块或环形器的一个输出端耦合，所述光学鉴频器的输出端与直接探测单元耦合，所述直接探测单元用于检测光学鉴频器输出的光信号；

所述软件控制单元包括直接控制单元，所述直接控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在信号光由时分复用模块输出时，控制时分复用模块选通相干测风模块。

所述直接探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

进一步的，所述光学鉴频器为法布里-珀罗干涉仪FPI，所述直接控制单元包括FP风速模式控制单元和FP气溶胶模式控制单元；

所述FP风速模式控制单元用于控制光源模块输出波长为预设的风速模式波长的光信号；所述风速模式波长根据预先获取的所述FPI的透射谱和反射谱的交叉点确定；

所述FP气溶胶模式控制单元用于控制光源模块输出波长为预设的气溶胶模式波长的光信号；所述气溶胶模式波长根据预先获取的所述FPI的反射谱的峰值确定；

当FP风速模式控制单元工作时，所述直接测风模块用于测量大气风速信息；

当FP气溶胶模式控制单元工作时，所述直接测风模块用于测量大气气溶胶信息。

进一步的，所述功能模块包括气体检测模块，所述气体检测模块用于获取目标气体的信息；所述气体吸收线模块包括气体探测单元，所述气体探测单元用于检测接收到的光信号，所述气体探测单元的输入端与时分复用模块的或环形器的一个输出端耦合；

所述光源模块包括可调谐光源单元；

所述软件控制单元包括扫描模式控制单元和差分吸收模式控制单元；

所述扫描模式控制单元用于控制光源模块输出波长在预定范围内连续变化的光信号，并在气体探测单元与时分复用模块耦合时，控制时分复用模块选通气体检测单元；

所述差分吸收模式控制单元用于控制控制光源模块输出波长为预设的强吸收波长和弱吸收波长的光信号；所述强吸收波长和弱吸收波长由目标气体成分确定；

所述气体探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

综上所述，本发明提供了一种软件自定义多功能激光雷达，包括光源模块、光学收发模块、时分复用模块、波分复用模块、多个功能模块及软件自定义模块。本发明的光源模块包括多个光源单元，光学收发模块包括多个光学收发组件，部分光学收发组件之间能够共享和复用，多个功能模块分别与时分复用模块和波分复用模块的多个输出端耦合；软件自定义模块包括多个软件控制单元，本发明的软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块之间组合；每个软件控制单元根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块、波分复用模块及功能模块发送控制指令，以测量目标参数。本发明采用开放系统架构，支持多个功能模块即插即用、硬件可复用，软件按需加载，能够方便地通过软件重新定义激光雷达功能，不同的测量目标可以共享光学收发组件与部分或全部功能模块组件，具有硬件共享化、系统最小化，软件动态化、功能最大化的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。

图1是本发明提供的一种软件自定义多功能激光雷达的结构框图；

图2是本发明提供的一种软件自定义多功能激光雷达的另一结构框图；

图3是一个实施例中，本发明的各功能模块的结构框图。

其中：

1-光源模块，11-可调谐光源，111-可调休激光器，112-分束器，EOM-113，114-放大器；

2-光学收发模块，21-第一望远镜，22-第二望远镜，23-第三望远镜，24-第四望远镜，25-环形器；

3-时分复用模块，31-光开关；

4-波分复用模块，41-波分复用器；

5-功能模块，50-多通道光电探测器，51-相干测风模块，511-平衡探测器，512-相干数据采集单元，513-相干数据处理单元，52-气溶胶色比测量模块，521-色比探测单元，522-色比数据采集单元，523-色比数据处理单元，53-偏振测量模块，531-偏振探测单元，532-偏振数据采集单元，533-偏振数据处理单元，54-直接测风模块，541-直接探测单元，542-直接数据采集单元，543-直接数据处理单元，5431-风速算法单元，5432-气溶胶算法单元，55-气体检测模块，551-气体探测单元，552-气体数据采集单元，553-气体数据处理单元，5531-气体吸收线算法单元，5532-大气温度压强算法单元，5533-差分吸收算法单元；

6-软件自定义模块，61-相干控制单元，62-色比控制单元，63-偏振控制单元，64-直接控制单元，641-FP风速模式控制单元，642-FP气溶胶模式控制单元，65-扫描模式控制单元，66-差分吸收模式控制单元。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

图1是本发明提供的一种软件自定义多功能激光雷达的结构框图；如图1所示，一种软件自定义多功能激光雷达包括：

光源模块1、光学收发模块2、时分复用模块3、波分复用模块4、多个功能模块5及软件自定义模块6，其中：

所述光源模块1用于输出多个波长的脉冲光信号；所述光源模块1包括若干个光源单元；每个光源单元用于输出至少一个波长的光信号；

所述光学收发模块2用于将光源模块1输出的信号出射到大气中，并接收出射光信号与大气作用后的大气回波信号；所述光学收发模块2包括多个光学收发组件；

所述时分复用模块3包括至少一个第一输入端和多个第一输出端，所述第一输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述时分复用模块3能够分时选通一个第一输出端，将接收到的信号由选定的第一输出端输出；

所述波分复用模块4包括至少一个第二输入端和多个第二输出端，所述第二输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述波分复用模块4用于将接收到的信号分为多个不同波长的信号，由第二输出端输出，每个第二输出端输出一个对应波长的信号；

波分复用模块4包括波分复用器41。波分复用器41包括CWDM和DWDM。

一个功能模块5用于测量至少一种目标参数，所述目标参数包括大气风速、大气能见度、大气云层信息、大气气溶胶信息、目标气体成分信息、大气温度信息和大气压强信息；一个功能模块5与光学收发组件、第一输出端和第二输出端中的一个或多个耦合，以接收所耦合的光学收发组件、第一输出端和第二输出端输出的光信号。

每个功能模块5都包括接收光路部分、光电探测部分和数据处理部分；其中，各个功能模块5数据处理部分集成在同一个数据处理设备(例如计算机)上。

需要说明的是，本发明的各光学组件之间均采用光纤连接，光学组件，除了第一望远镜、第二望远镜、第三望远镜和第四望远镜外，优选为光纤器件，这样能够。

所述软件自定义模块6包括多个软件控制单元，每个软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块5的组合相对应；每个软件控制单元用于根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块3、波分复用模块4及功能模块5发送控制指令，以测量目标参数。

所述光源单元包括可调谐光源11、单波长光源12或宽谱光源(如ASE光源)。单波长光源12能够输出特定波长的激光信号。

为了保证光源模块1输出多种波长的光信号，所述光源模块1包括至少一个光源单元，其中，至少一个光源单元为可调谐光源11；或者，所述光源模块1包括至少两个光源单元；

所述可调谐光源11能够输出预定的多种波长的脉冲光信号；

每个光源单元用于输出至少一个波长的脉冲光信号。

在可选的实施例中，所述光源模块1包括可调谐光源11；或者，所述光源模块1包括至少两个单波长光源12；或者，所述光源模块1包括可调谐光源11与至少一个单波长光源12。

所述可调谐光源11能够输出预定的多种波长的脉冲光信号。

在一个实施例中，可调谐光源11能够输出波长范围为1um-2um的光信号。

单波长光源12用于输出预定的单个波长的脉冲光信号。

需要说明的是，多个单波长光源12输出的光信号波长各不相同，例如波长1550nm的激光信号，波长1064nm的激光信号或波长为532nm的激光信号等。

在具体的实施例中，所述软件自定义单元包括光源控制部分和时分复用模块3控制部分。

所述软件自定义单元包括光源控制部分和时分复用模块3控制部分；

所述光源控制部分用于控制可调谐光源11工作在波长扫描模式，或者控制可调谐光源11输出指定波长；

所述光源控制部分还用于控制一个或多个光源单元工作；

所述时分复用模块3控制部分用于控制时分复用模块3在预定时间选通指定的输出端以选通指定的功能模块5。

时分复用模块3可以是光开关31或其他具有时分复用功能的光学器件，光开关31包括至少一个输入端和多个输入端。

光开关31(Optical Switch,OS)是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。

在一个具体的实施例中，如图2所示，所述光学收发组件包括第一望远镜21、第二望远镜22、第三望远镜23和第四望远镜24；

所述第二望远镜22用于接收第一望远镜21出射光信号的大气回波信号；

所述第四望远镜24为反射式望远镜；所述第四望远镜24用于接收由第一望远镜21和第三发射望远镜出射光信号的大气回波信号。

由于反射式望远镜能够将不同波长的入射信号会聚到同一焦点，因此反射式望远镜能够在同一焦点位置接收到多种不同波长的光信号；因此，第四望远镜24能够接收多个波长的光信号。

由于第四望远镜24能够接收第一望远镜21、第三望远镜23的光信号，第一望远镜21与第四望远镜24可组成一个光学收发单元，第三望远镜23与第四望远镜24也能够组成一个光学收发单元，两个光学收发单元共用一个第四望远镜24，从而实现第一望远镜21的复用。

所述光源模块1包括至少两个光源单元，所述两个光源单元输出的光信号分别由第一望远镜21或第三望远镜23出射。

在一个实施例中，如图2所示，光源模块1包括可调谐光源11与至少一个单波长光源12。所述可调谐光源11输出的光信号由第一望远镜21出射；所述单波长光源12输出的信号由第三望远镜23出射。

需要注意的是，多个光源单元可以与第一望远镜21或第三望远镜23自由组合。光源单元也可以是宽谱光源。本实施例仅以可调谐光源11和单波长光源12为例进行阐述，其他形式的光源组合，例如两个以上单波长光源12，或单波长光源12与可调谐光源11及宽谱光源的组合均适用于本发明。

在一个优选的实施例中，所述可调谐光源11输出的光信号由第一望远镜21出射；所述单波长光源12输出的信号由第三望远镜23出射。

所述时分复用模块3的一个输入端与第二望远镜22的输出端连接。由于可调谐光源11能够分时输出多种波长，因此，收发复用模块与可调谐光源11组合，能够分时输出多种波长，从而实现多种目标参数的测量。

所述波分复用模块4的至少一个输入端与第四望远镜24的输出端耦合。由于第四望远镜24能够接收到多个光源发射信号的回波信号，第四望远镜24输出的信号经波分复用模块4后可以分成多个波长的光信号分别输出。

多个功能模块5分别与所述时分复用模块3和所述波分复用模块4的输出端耦合。

为了实现同时测量多个目标参数，所述光学收发组件还包括若干个环形器25；所述环形器25用于将光源模块1输出的光信号输出到第一望远镜21和/或第三望远镜23，并输出第一望远镜21和/或第三望远镜23接收到的大气回波信号；所述环形器25的输出端与至少一个功能模块5耦合。

当单波长光源12的数目为多个时，多个单波长光源12可与一个第三望远镜23耦合，如图2所示，两个或两个以上单波长光源12输出的光信号通过第二耦合器13耦合为一路，经第三望远镜23出射到大气中。通过实现第三望远镜23的共享和复用，节省了系统体积，并很大程度上降低了激光雷达的成本。

第一望远镜21和第二望远镜22形成了一组收发分置式光学收发单元。同时，第一望远镜21和环形器25也能形成一组光学收发单元。两个光学收发单元共用一个第一望远镜21，就实现了第一望远镜21的复用。

由于望远镜都存在焦距，探测能力越强的望远镜焦距越大，且激光雷达中的望远镜对镜片的加工要求非常高，加工周期长，因此，望远镜通常是激光雷达系统中价格昂贵且空间占用很大的组件。本发明通过实现望远镜的共享和复用，节省了系统体积，并很大程度上降低了激光雷达的成本。

进一步的，本发明的发明人发现，对于收发同置结构，由于发射望远镜和接收望远镜分立，发射望远镜的视场和接收望远镜的视场之间不可避免地会存在不重叠的地方，即盲区。盲区内的信号无法被接收望远镜接收到，导致激光雷达存在探测盲区，无法获取盲区内的目标信息。对于收发同置式望远镜，虽然不存在探测盲区，但由于收发同置，镜面反射强，会引起第一个回波信号失真，并有可能损坏探测器，为近场测量带来较大的系统误差。

为了解决上述问题，在一个实施例中，所述光学收发模块2包括至少一个第一望远镜21和至少一个第二望远镜22，所述第一望远镜21和第二望远镜22的光轴平行设置；至少一个第一望远镜21和至少一个第二望远镜22在垂直于镜片厚度的方向的截面边缘均包括至少一条不经过镜片中心的直线段；第一望远镜21和第二望远镜22在厚度方向的侧面均至少包括一个平面；所述第一望远镜21的一个平面和第二望远镜22的一个平面紧贴在一起。

在具体的应用场景中，第一望远镜21的一个平面和第二望远镜22的一个平面可以通过粘胶粘贴在一起。本发明的发明人发现：当第一望远镜21的一个平面和第二望远镜22的一个平面通过粘胶紧贴在一起时，由于平面之间粘贴的稳定性最好，使得激光雷达的整体光学结构最稳固。此外，粘贴后的第一望远镜21和第二望远镜22成为一个整体，可以联动，从而始终保持发射光轴和接收光轴的夹角稳定。同时，相比于机械固定方式，由于玻璃受温度影响发生形变远小于金属，因此，通过粘胶固定的第一望远镜21和第二望远镜22稳定性最好。

当然，还可以通过机械固定的方式使第一望远镜21和第二望远镜22紧贴在一起。

需要说明的是，本发明中的第一望远镜21和第二望远镜22中的横截面均指垂直于光轴方向(或厚度方向)的截面。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第一望远镜21和第二望远镜22的数量均为1个，第一望远镜21和第二望远镜22均呈D字形；第一望远镜21和第二望远镜22的平面部分紧贴在一起。

第一望远镜21包括一个或一组同轴的透镜；当第一望远镜21或第二望远镜22为一个透镜时，其为凸透镜。当第一望远镜21或第二望远镜22为一组透镜时，组合透镜的效果为凸透镜。

在具体的实现过程中，第一望远镜21和第二望远镜22可通过对用作第一望远镜21和第二望远镜22的透镜(或透镜组)沿不经过透镜(或透镜组)圆心的直线切割获得；具体的，用作第一望远镜21和第二望远镜22的透镜(或透镜组)在垂直于光轴方向为圆形截面。切割后形成的第一望远镜21和第二望远镜22呈D字形，具体的：第一望远镜21和第二望远镜22在垂直于镜片厚度的方向(即垂直于透光方向)的截面均呈D字形，第一望远镜21和第二望远镜22在垂直于镜片厚度方向的形状(或轮廓)由直线与圆弧包围而成，且圆弧的圆心落在镜片内。也就是说，第一望远镜21和第二望远镜22是对圆形的透镜切割后较大的一块。这样能够保证激光信号尽可能多地经第一望远镜21发射输出到大气中；同时，也能够保证第二望远镜22尽可能多地接收到激光雷达的回波信号。

本发明的发明人经研究发现，当第一望远镜21和第二望远镜22的横截面面积与其所在的完整圆的面积的比值为8:2时，激光雷达能够实现总体最优的信噪比。

由于沿直线切割，第一望远镜21和第二望远镜22在厚度方向(即透光方向)的侧面均包括一个平面；所述第一望远镜21的一个平面和第二望远镜22的一个平面紧贴在一起，形成类似阿拉伯数字“8”字形结构，或者类似葫芦形结构。

第一望远镜21和第二望远镜22的镜片大小可以相同，也可以不同。作为优选的方案，第二望远镜22的横截面面积大于第一望远镜21的横截面面积；从而使得第二望远镜22接收到更多的回波信号，提高激光雷达的信噪比。

作为优选的方案，第一望远镜21和第二望远镜22的平面紧贴在一起时，第一望远镜21的圆心与第二望远镜22的圆心连线垂直于第一望远镜21和第二望远镜22的平面。这样的好处是：第二望远镜22能够尽可能多地接收到第一望远镜21所发射信号的回波信号。

图3是一个实施例中，本发明的各功能模块5的结构框图。需要说明的是，在具体的应用场景中，激光雷达可以仅包括下述功能模块5中的几个。

在一个实施例中，所述功能模块5包括相干测风模块51，所述相干测风模块51用于获取待测大气的风速信息。

所述光源模块1包括种子激光器、光脉冲发生器、放大器114；所述种子激光器为单波长激光器或可调谐激光器111。

在图2给出的实施方式中，种子激光器为可调谐激光器111。当然，种子激光器还可以是单波长激光器，如1550nm激光器。本发明不做限制。

所述相干测风模块51包括分束器112、声光调制器AOM514、第一耦合器515、平衡探测器511和相干数据采集单元512。

所述分束器112用于将种子激光器输出的光信号分为两路，一路作为信号光依次经光脉冲发生器和放大器114后输出到光学收发模块2，另一路作为本振光输出到AOM514。光脉冲发生器可以是电光调制器EOM113，光脉冲发生器用于将入射的连续光信号调制为脉冲光。

光学收发模块2接收到的大气回波信号与AOM514输出的本振光信号经第一耦合器515耦合后输出到平衡探测器511和相干数据采集单元512。

所述第一耦合器515用于耦合本振光与信号光，所述本振光由AOM514输出；所述信号光由时分复用模块3或环形器25的一个输出端输出。

在一个实施例中，如图2所示，所述信号光由环形器25的一个输出端输出。

所述软件控制单元包括相干控制单元61，所述相干控制单元61用于控制光源模块1输出预定波长的光信号；并用于在信号光由时分复用模块3输出时，控制时分复用模块3选通相干测风模块51。

预定的波长可以是1550nm，放大器114可以是掺铒光纤放大器(Erbium-dopedOptical Fiber Amplifier，即EDFA。1550nm波段为光通信波段，且对人眼安全。

数据采集和处理模块还包括相干数据处理单元513，所述相干数据采集单元512用于将平衡探测器511输出的信号转换为数字信号后输出到相干数据处理单元513，所述相干数据处理单元513用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测的大气风速信息。

所述功能模块5包括气溶胶色比测量模块52，所述气溶胶色比测量模块52用于获取待测大气的气溶胶色比信息。

光源模块1包括一个宽谱光源和多个单波长光源12。所述气溶胶色比测量模块52包括至少两个色比探测单元521，色比探测单元521用于检测接收到的光信号，每个色比探测单元521与所述波分复用模块4的一个输出端耦合；

所述软件控制单元包括色比控制单元62，所述色比控制单元62用于控制光源模块1输出多个预设波长的光信号。

在一个具体的应用场景中，光源模块1能够输出1.5um波长、1.0um波长和0.532um波长的光信号。这三个波长的光信号对应的大气回波信号均能够被气溶胶色比测量模块52接收到，并通过波分复用器41分离开，输出到对应的色比探测单元521中；气溶胶色比测量模块52根据1.5um波长、1.0um波长和0.532um波长信号对应的大气后向散射系数的比值信息反演大气气溶胶信息。

每个色比探测单元521为一个光电探测器或多通道光电探测器50的一个探测通道。

图2中给出了多通道光电探测器50；多通道光电探测器50具有多个探测通道，每个色比探测单元521为多通道光电探测器50的一个探测通道。当然，每个色比探测单元521也可以是一个独立的光电探测器。

当每个色比探测单元521为多通道光电探测器50的一个探测通道时，能够有效地减小系统的硬件数量，减小系统体积，减少系统成本；同时，由于光电探测器工作过程中会发热，减少光电探测器的数量，能够有效减少系统的供电功耗和温控功耗。

需要说明的是，功能模块5还包括数据采集和处理模块，数据采集和处理模块用于根据预设的算法对输入的信号进行处理，得到目标参数。

在一个实施例中，所述数据采集和处理模块还包括色比数据采集单元522和色比数据处理单元523，所述色比数据采集单元522用于将色比探测单元521输出的信号转换为数字信号后输出到色比数据处理单元523，所述色比数据处理单元523用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测的气溶胶色比信息。色比数据采集单元522为一个数据采集卡或多通道数据采集卡的一个采集通道。

所述功能模块5包括偏振测量模块53，所述偏振测量模块53用于获取待测大气中气溶胶的退偏振比信息。根据气溶胶的退偏振比信息就能得到大气气溶胶的成分信息。

所述偏振测量模块53包括偏振分束器PBS534和两个偏振探测单元531，偏振探测单元531用于检测接收到的光信号；所述偏振分束器的输入端与时分复用模块3或环形器25的一个输出端耦合，所述偏振分束器的每个输出端连接一个偏振探测单元531。

偏振分束器PBS534(polarization beam splitter)能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。

所述软件控制单元包括偏振控制单元63，所述偏振控制单元63用于控制光源模块1输出预定波长的光信号；并用于在偏振分束器的输入端于时分复用模块3的一个输出端耦合时，控制时分复用模块3选通偏振分束器的输入端；

每个偏振探测单元531为一个光电探测器或多通道光电探测器50的一个探测通道。

图2中给出了多通道光电探测器50；多通道光电探测器50具有多个探测通道，每个偏振探测单元531为多通道光电探测器50的一个探测通道。当然，每个偏振探测单元531也可以是一个独立的光电探测器。

当每个偏振探测单元531为多通道光电探测器50的一个探测通道时，能够有效地减小系统的硬件数量，减小系统体积，减少系统成本；同时，由于光电探测器工作过程中会发热，减少光电探测器的数量，能够有效减少系统的供电功耗和温控功耗。

在一个实施例中，所述数据采集和处理模块还包括偏振数据采集单元532和偏振数据处理单元533，所述偏振数据采集单元532用于将偏振探测单元531输出的信号转换为数字信号后输出到偏振数据处理单元533，所述偏振数据处理单元533用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测的气溶胶退偏振信息，从而确定气溶胶的成分。偏振数据采集单元532为一个数据采集卡或多通道数据采集卡的一个采集通道。

在一个实施例中，所述功能模块5包括直接测风模块54，所述直接测风模块54用于获取待测大气的风速信息；所述直接测风模块54包括光学鉴频器544和直接探测单元541，所述光学鉴频器544的输入端与时分复用模块3或环形器25的一个输出端耦合，所述光学鉴频器544的输出端与直接探测单元541耦合，所述直接探测单元541用于检测光学鉴频器544输出的光信号。

光学鉴频器544用于检测大气回波信号的频率信息，光学鉴频器包括法布里-珀罗干涉仪FPI、斐索干涉仪、马赫泽德干涉仪等。

在一个实施例中，所述光学鉴频器544为法布里-珀罗干涉仪FPI，所述直接控制单元64包括FP风速模式控制单元641和FP气溶胶模式控制单元642。所述FP风速模式控制单元641用于控制光源模块1输出波长为预设的风速模式波长的光信号；所述风速模式波长根据预先获取的所述FPI的透射谱和反射谱的交叉点确定。

所述FP气溶胶模式控制单元642用于控制光源模块1输出波长为预设的气溶胶模式波长的光信号；所述气溶胶模式波长根据预先获取的所述FPI的反射谱的峰值确定。

图2给出的实施例中，直接探测单元541与时分复用模块3耦合。

当FP风速模式控制单元641工作时，所述直接测风模块54用于测量大气风速信息；

当FP气溶胶模式控制单元642工作时，所述直接测风模块54用于测量大气气溶胶信息。

所述直接探测单元541为一个光电探测器或多通道光电探测器50的一个探测通道。

当然，直接测风模块54还包括直接数据采集单元542和直接数据处理单元543，所述直接数据采集单元542用于将直接探测单元541输出的信号转换为数字信号后输出到直接数据处理单元543。所述直接数据处理单元543用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测大气的风速信息和气溶胶信息。

所述直接数据处理单元543包括风速算法单元5431和气溶胶算法单元5432。

所述风速算法单元5431用于在FP风速模式控制单元641工作时，根据预设的算法计算大气风速。

所述气溶胶算法单元5432用于在FP气溶胶模式控制单元642工作时，根据预设的算法计算大气气溶胶信息。

图2中给出了多通道光电探测器50；多通道光电探测器50具有多个探测通道，直接探测单元541为多通道光电探测器50的一个探测通道。当然，直接探测单元541也可以是一个独立的光电探测器。

当直接探测单元541为多通道光电探测器50的一个探测通道时，能够有效地减小系统的硬件数量，减小系统体积，减少系统成本；同时，由于光电探测器工作过程中会发热，减少光电探测器的数量，能够有效减少系统的供电功耗和温控功耗。

所述数据采集和处理模块还包括直接数据采集单元542和直接数据处理单元543，所述直接数据采集单元542用于将偏振探测单元531输出的信号转换为数字信号后输出到直接数据处理单元543，所述直接数据处理单元543用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测大气的风速信息。直接数据采集单元542为一个数据采集卡或多通道数据采集卡的一个采集通道。

在一个实施例中，所述功能模块5包括气体检测模块55，所述气体检测模块55用于获取目标气体的信息；所述气体吸收线模块包括气体探测单元551，所述气体探测单元551用于检测接收到的光信号，所述气体探测单元551的输入端与时分复用模块3的或环形器25的一个输出端耦合；

所述软件控制单元包括扫描模式控制单元65和差分吸收模式控制单元66；

所述扫描模式控制单元65用于控制光源模块1输出波长在预定范围内连续变化的光信号，并在气体探测单元551与时分复用模块3耦合时，控制时分复用模块3选通气体检测单元；光源模块1包括可调谐光源11。

具体地，当扫描模式控制单元65工作时，气体检测模块55实现大气成分探测的过程如下：

步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；

步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；

步骤3、调节可调谐光源11激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；

步骤4、通过对获取的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。

所述差分吸收模式控制单元66用于控制控制光源模块1输出波长为预设的强吸收波长和弱吸收波长的光信号；所述由目标气体成分确定。

强吸收波长一般由λon表示，弱吸收波长一般由λoff表示。

光源模块1中对应的光源单元可以是可调谐光源11，也可以是分别输出λon和λoff光信号的两个单波长光源12。

通过改变可调谐光源11输出激光的波长，分别选取在不同种气体各自的强/弱吸收波长，即可实现对多种气体浓度分布的混合探测。例如，二氧化碳常用的探测波长为1.57微米，2.05微米两个波段；甲烷有1.6微米和3.4微米等；水汽0.8微米和2微米左右，臭氧位于紫外的0.3微米波段等等。使用可调谐范围较大的可调谐光源11，选取合适的吸收波长，可实现多种气体的混合探测。

气体探测单元551为多通道光电探测器50的一个探测通道。当然，气体探测单元551也可以是一个独立的光电探测器。

需要说明的是，由于要对光源进行波长扫描，因此，光电探测器或多通道光电探测器50为宽谱响应的探测器。宽谱响应探测器的谱宽由波长扫描的谱宽确定。

当然，气体检测模块55还包括气体数据采集单元552和气体数据处理单元，所述气体数据采集单元552用于将气体探测单元551输出的信号转换为数字信号后输出到气体数据处理单元，所述气体数据处理单元用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测的气体信息。气体数据采集单元552为一个数据采集卡或多通道数据采集卡的一个采集通道。

当气体探测单元551为多通道光电探测器50的一个探测通道时，能够有效地减小系统的硬件数量，减小系统体积，减少系统成本；同时，由于光电探测器工作过程中会发热，减少光电探测器的数量，能够有效减少系统的供电功耗和温控功耗。

在一个实施例中，所述数据采集和处理模块还包括气体数据采集单元552和气体数据处理单元，所述气体数据采集单元552用于将气体探测单元551输出的信号转换为数字信号后输出到气体数据处理单元。所述气体数据处理单元用于根据预设的算法处理获取的数据，得到待测的气体信息。

气体数据处理单元包括气体吸收线算法单元5531、差分吸收算法单元5533和大气温度压强算法单元5532。其中，

气体吸收线算法单元5531用于在扫描模式控制单元65工作时，对获取的数据进行处理，根据预存在数据库中的多种气体的特征吸收曲线，得到多种气体的信息。

大气温度压强算法单元5532用于在扫描模式控制单元65工作时，根据预先标定的不同温度、压强与目标气体吸收线的对应关系，反演大气温度和压强信息。

差分吸收算法单元5533用于根据光源模块1输出的强吸收波长λon和弱吸收波长λoff的光信号时获取的大气回波信息，计算目标气体的成分信息。

气体数据采集单元552为一个数据采集卡或多通道数据采集卡的一个采集通道。

需要说明的是，本发明的各个探测单元(例如色比探测单元521、偏振探测单元531、直接探测单元541、气体探测单元551)中的两个或多个可以为多通道光电探测器50的探测通道，在不需要同时测量的场景中，上述探测单元中的两个或多个可以共用一个光电探测器。

本发明的各个数据采集单元(例如色比数据采集单元522、偏振数据采集单元532、直接数据采集单元542、气体数据采集单元552)中的两个或多个可以为多通道数据采集卡的数据采集通道，在不需要同时测量的场景中，上述数据采集单元中的两个或多个可以共用一个数据采集卡。

本发明的相干数据处理单元513、气体数据处理单元553、偏振数据处理单元533、直接数据处理单元543、气体数据处理单元553均集成到计算机或具有计算能力的设备中。

综上所述，本发明提供了一种软件自定义多功能激光雷达，包括光源模块、光学收发模块、时分复用模块、波分复用模块、多个功能模块及软件自定义模块。本发明的光源模块包括多个光源单元，光学收发模块包括多个光学收发组件，部分光学收发组件之间能够共享和复用，多个功能模块分别与时分复用模块和波分复用模块的多个输出端耦合；软件自定义模块包括多个软件控制单元，本发明的软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块之间组合；每个软件控制单元根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块、波分复用模块及功能模块发送控制指令，以测量目标参数。本发明采用开放系统架构，支持多个功能模块即插即用、硬件可复用，软件按需加载，能够方便地通过软件重新定义激光雷达功能，不同的测量目标可以共享光学收发组件与部分或全部功能模块组件，具有硬件共享化、系统最小化，软件动态化、功能最大化的优点。

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 (13)

1.一种软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、光学收发模块、时分复用模块、波分复用模块、多个功能模块及软件自定义模块，其中：

所述光源模块用于输出多个波长的脉冲光信号；所述光源模块包括若干个光源单元；每个光源单元用于输出至少一个波长的光信号；

所述光学收发模块用于将光源模块输出的信号出射到大气中，并接收出射光信号与大气作用后的大气回波信号；所述光学收发模块包括多个光学收发组件；

所述时分复用模块包括至少一个第一输入端和多个第一输出端，所述第一输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述时分复用模块能够分时选通一个第一输出端，将接收到的信号由选定的第一输出端输出；

所述波分复用模块包括至少一个第二输入端和多个第二输出端，所述第二输入端用于接收一个或多个光学收发组件输出的大气回波信号；所述波分复用模块用于将接收到的信号分为多个不同波长的信号，由第二输出端输出，每个第二输出端输出一个对应波长的信号；

一个功能模块用于测量至少一种目标参数，所述目标参数包括大气风速、大气能见度、大气云层信息、大气气溶胶信息、目标气体成分信息、大气温度信息和大气压强信息；一个功能模块与光学收发组件、第一输出端和第二输出端中的一个或多个耦合，以接收所耦合的光学收发组件、第一输出端和第二输出端输出的光信号；

所述软件自定义模块包括多个软件控制单元，每个软件控制单元与预定的光源单元、光学收发组件及功能模块的组合相对应；每个软件控制单元用于根据预设的测量策略，向对应的光源单元、时分复用模块、波分复用模块及功能模块发送控制指令，以测量目标参数。

2.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括至少一个光源单元，其中，至少一个光源单元为可调谐光源；或者，所述光源模块包括至少两个光源单元；

所述可调谐光源能够输出预定的多种波长的脉冲光信号；

每个光源单元用于输出至少一个波长的脉冲光信号。

3.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述软件自定义单元包括光源控制部分和时分复用模块控制部分；

所述光源控制部分用于控制可调谐光源工作在波长扫描模式，或者控制可调谐光源输出指定波长；

所述光源控制部分还用于控制一个或多个光源单元工作；

所述时分复用模块控制部分用于控制时分复用模块在预定时间选通指定的输出端以选通指定的功能模块。

4.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述光学收发组件包括第一望远镜、第二望远镜、第三望远镜和第四望远镜；

所述第二望远镜用于接收第一望远镜出射光信号的大气回波信号；

所述第四望远镜为反射式望远镜；所述第四望远镜用于接收由第一望远镜和第三发射望远镜出射光信号的大气回波信号。

5.根据权利要求4所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括至少两个光源单元，所述两个光源单元输出的光信号分别由第一望远镜或第三望远镜出射；

所述时分复用模块的一个输入端与第二望远镜的输出端连接；

所述波分复用模块的至少一个输入端与第四望远镜的输出端耦合。

6.根据权利要求4或5所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述光学收发组件还包括若干个环形器；所述环形器用于将光源模块输出的光信号输出到第一望远镜和/或第三望远镜，并输出第一望远镜和/或第三望远镜接收到的大气回波信号；所述环形器的输出端与至少一个功能模块耦合。

7.根据权利要求5所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述第一望远镜和第二望远镜的光轴平行设置；至少一个第一望远镜和至少一个第二望远镜在垂直于镜片厚度的方向的截面边缘均包括至少一条不经过镜片中心的直线段；第一望远镜和第二望远镜在厚度方向的侧面均至少包括一个平面；所述第一望远镜的一个平面和第二望远镜的一个平面紧贴在一起。

8.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述功能模块包括相干测风模块，所述相干测风模块用于获取待测大气的风速信息；

所述光源模块包括种子激光器、光脉冲发生器、放大器；所述种子激光器为单波长激光器或可调谐激光器；

所述相干测风模块包括分束器、声光调制器AOM、第一耦合器、平衡探测器和相干数据采集单元；

所述分束器用于将种子激光器输出的光信号分为两路，一路作为信号光依次经光脉冲发生器和放大器后输出到光学收发模块，另一路作为本振光输出到AOM；

光学收发模块接收到的大气回波信号与AOM输出的本振光信号经第一耦合器耦合后输出到平衡探测器和相干数据采集单元；

所述第一耦合器用于耦合本振光与信号光，所述本振光由AOM输出；所述信号光由时分复用模块或环形器的一个输出端输出；

所述软件控制单元包括相干控制单元，所述相干控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在信号光由时分复用模块输出时，控制时分复用模块选通相干测风模块。

9.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述功能模块包括气溶胶色比测量模块，所述气溶胶色比测量模块用于获取待测大气的气溶胶色比信息；所述气溶胶色比测量模块包括至少两个色比探测单元，色比探测单元用于检测接收到的光信号，每个色比探测单元与所述波分复用模块的一个输出端耦合；

所述软件控制单元包括色比控制单元，所述色比控制单元用于控制光源模块输出多个预设波长的光信号；

每个色比探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

10.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述功能模块包括偏振测量模块，所述偏振测量模块用于获取待测大气中气溶胶的退偏振比信息；所述偏振测量模块包括偏振分束器和至少两个偏振探测单元，偏振探测单元用于检测接收到的光信号；所述偏振分束器的输入端与时分复用模块或环形器的一个输出端耦合，所述偏振分束器的每个输出端连接一个偏振探测单元；

所述软件控制单元包括偏振控制单元，所述偏振控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在偏振分束器的输入端于时分复用模块的一个输出端耦合时，控制时分复用模块选通偏振分束器的输入端；

每个偏振探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

11.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述功能模块包括直接测风模块，所述直接测风模块用于获取待测大气的风速信息；所述直接测风模块包括光学鉴频器和直接探测单元，所述光学鉴频器的输入端与时分复用模块或环形器的一个输出端耦合，所述光学鉴频器的输出端与直接探测单元耦合，所述直接探测单元用于检测光学鉴频器输出的光信号；

所述软件控制单元包括直接控制单元，所述直接控制单元用于控制光源模块输出预定波长的光信号；并用于在信号光由时分复用模块输出时，控制时分复用模块选通相干测风模块；

所述直接探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。

12.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，所述光学鉴频器为法布里-珀罗干涉仪FPI，所述直接控制单元包括FP风速模式控制单元和FP气溶胶模式控制单元；

所述FP风速模式控制单元用于控制光源模块输出波长为预设的风速模式波长的光信号；所述风速模式波长根据预先获取的所述FPI的透射谱和反射谱的交叉点确定；

所述FP气溶胶模式控制单元用于控制光源模块输出波长为预设的气溶胶模式波长的光信号；所述气溶胶模式波长根据预先获取的所述FPI的反射谱的峰值确定；

当FP风速模式控制单元工作时，所述直接测风模块用于测量大气风速信息；

当FP气溶胶模式控制单元工作时，所述直接测风模块用于测量大气气溶胶信息。

13.根据权利要求1所述的软件自定义多功能激光雷达，其特征在于，

所述功能模块包括气体检测模块，所述气体检测模块用于获取目标气体的信息；所述气体吸收线模块包括气体探测单元，所述气体探测单元用于检测接收到的光信号，所述气体探测单元的输入端与时分复用模块的或环形器的一个输出端耦合；

所述光源模块包括可调谐光源单元；

所述软件控制单元包括扫描模式控制单元和差分吸收模式控制单元；

所述扫描模式控制单元用于控制光源模块输出波长在预定范围内连续变化的光信号，并在气体探测单元与时分复用模块耦合时，控制时分复用模块选通气体检测单元；

所述差分吸收模式控制单元用于控制控制光源模块输出波长为预设的强吸收波长和弱吸收波长的光信号；所述强吸收波长和弱吸收波长由目标气体成分确定；

所述气体探测单元为一个光电探测器或多通道光电探测器的一个探测通道。