CN109946267B - 气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 - Google Patents
气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109946267B CN109946267B CN201910311287.2A CN201910311287A CN109946267B CN 109946267 B CN109946267 B CN 109946267B CN 201910311287 A CN201910311287 A CN 201910311287A CN 109946267 B CN109946267 B CN 109946267B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- brillouin scattering
- rayleigh
- spectral line
- counting card
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种气体瑞利‑布里渊散射谱线的测量装置及方法，第一激光器与光束扩展器之间依次设置有二分之一波片、偏振分光棱镜和四分之一波片；偏振分光棱镜与光子探测器之间依次设置有合束器和聚焦透镜；光子探测器与光子计数卡之间依次设置有中频滤波器和中频放大器；函数信号发生器分别连接有光子计数卡和示波器，光子计数卡分别连接有示波器和计算机。本发明实现了高分辨率的大气瑞利‑布里渊散射谱线的测量，并提高了测量的稳定性。解决了大气后向散射信号难以探测、响应速率以及谱线信噪比低的问题，实现了高效率、高精度和高稳定性的信号探测。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测技术，具体地涉及一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法。
背景技术
自20世纪60年代布里渊散射被提出用于海洋监测以来，各研究学者通过对布里渊散射谱的准确测量实现了海水中声速、温度及水的体粘滞系数等参数的测量。而用于大气风场测量的激光雷达都是基于大气分子瑞利散射高斯分布谱的多普勒频移，忽略了大气分子的布里渊散射，结果导致了3%-10%的系统误差。并且早在1968年，就有研究学者指出在大气环境监测中考虑布里渊散射的必要性，于是对瑞利-布里渊散射的研究日益增多，并取得了具有实际意义的成果。
瑞利-布里渊散射谱的测量方法分为两类：直接探测和光外差探测。直接探测是直接探测散射光的频率，通过利用光子探测器将信号解调，响应的是信号的光强度信息。虽然直接探测的系统结构简单、可靠，在激光测距、红外探测以及光通讯等领域得到广泛的应用，但该探测方法仅响应光波功率的时变信息，而不响应光波的相位信息，因此只适用于强度调制的信息检测。另一种光外差探测，即利用光的干涉原理，将本征光和信号光在探测器进行混频，形成拍频信号，因此更适用于光调频和调相类系统。与直接探测相比，光外差探测方式不仅转换增益和光谱分辨率高、滤波和鉴别性能好，对微弱信号光具有放大作用，而且还可以响应信号的振幅、频率和相位信息，所以光外差探测在弱信号探侧、光雷达、遥测传感技术以及光谱学等领域有很广泛的应用前景。
发明内容
本发明目的是利用光外差原理，解决现有大气遥感探测中存在的瑞利-布里渊信号较弱，难以实现高信噪比和高光谱分辨率的问题，提供一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置与方法，达到高精度、高效率以及实时性探测的目的。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置，包括第一激光器，第一激光器的一侧设置有第二激光器；第一激光器与光束扩展器之间依次设置有二分之一波片、偏振分光棱镜和四分之一波片；偏振分光棱镜与光子探测器之间依次设置有合束器和聚焦透镜；光子探测器与光子计数卡之间依次设置有中频滤波器和中频放大器；函数信号发生器分别连接有光子计数卡和示波器，光子计数卡分别连接有示波器和计算机。
进一步，所述第一激光器为Nd:YAG多纵模脉冲激光器，纵模间隔为375MHz，辐射线宽为30GHz，纵模个数为80，并作为探测光。
进一步，所述第二激光器为连续窄带激光器，输出波长为355nm，并作为参考光。
进一步，所述偏振分光棱镜透射端面镀有透过率99%的增透膜，反射端面镀有偏振膜。
一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置的测量方法，第一激光器在相同时间间隔内依次发出不同频率的脉冲激光，经二分之一波片后，由竖直偏振光转变为水平偏振光，依次经偏振分光棱镜和四分之一波片进入，再经光束扩展器扩束后进入大气，所产生的后向散射光依次经光束扩展器和四分之一波片返回，其中竖直偏振光被偏振分光棱镜反射，并与第二激光器发出的连续激光在合束器上合束，合束后的光束经聚焦透镜聚焦于光子探测器进行混频，得到的混频信号经由中频滤波器和中频放大器进行差频信号的选频和放大，得到的外差信号经光子计数卡进行实时记录，并由计算机显示；函数信号发生器触发光子计数卡进行数据采集，同时将光子计数卡和函数信号发生器的信息在示波器实时显示。
本发明装置与方法利用Nd:YAG多纵模脉冲激光器作为探测光，与大气分子相互作用产生的后向瑞利-布里渊散射信号与波长为355nm的连续激光产生外差信号，消除了共模干扰，提高了测量的稳定性，并根据实际需要设置Nd:YAG多纵模脉冲激光器的各纵模的中心频率以及纵模个数，实现了高分辨率的大气瑞利-布里渊散射谱线的测量。采用355nm连续激光器作为参考光源，有利于在实际大气中的外差探测，紫外域波长355nm 相比于常用的1064nm和532nm，太阳背景光的强度更弱，因此更容易实现全天时探测。采用的光子探测器，具有无闪动噪声，动态范围宽，稳定性高，体积小，使用方便，可快速响应等优点。采用的中频滤波器，能有效抑制无用噪声，提高光谱的信噪比。综上，本发明解决了大气后向散射信号难以探测、响应速率以及谱线信噪比低的问题，实现了高效率、高精度和高稳定性的信号探测。
附图说明
图1为本发明一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置原理图；
图2为本发明装置探测到的不同强度的外插信号；
图3为本发明装置探测到的瑞利-布里渊散射谱；
图中：1.第一激光器，2.第二激光器，3.二分之一波片，4.偏振分光棱镜，5.四分之一波片，6.光束扩展器，7.合束镜，8.聚焦透镜，9.光子探测器，10.中频滤波器，11.中频放大器，12.光子计数卡，13.函数信号发生器，14.示波器，15.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1，一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置，包括第一激光器1、第二激光器2、二分之一波片3、偏振分光棱镜4、四分之一波片5、光束扩展器6、合束器7、聚焦透镜8、光子探测器9、中频滤波器10、中频放大器11、光子计数卡12、函数信号发生器13、示波器14、计算机15，其中所述第一激光器1与光束扩展器6之间依次设置有二分之一波片3、偏振分光棱镜4、四分之一波片5；第一激光器1的一侧设置有第二激光器2；偏振分光棱镜4与光子探测器9之间依次设置有合束器7、聚焦透镜8；光子探测器9与光子计数卡12之间依次设置有中频滤波器10、中频放大器11；函数信号发生器13分别连接有光子计数卡12和示波器14，其中光子计数卡12还连接有计算机15。
第一激光器1为Nd:YAG多纵模脉冲激光器，纵模间隔为375MHz，辐射线宽为30GHz，纵模个数为80，并作为探测光。第二激光器2为连续窄带激光器，输出波长为355nm，并作为参考光。偏振分光棱镜4透射端面镀有透过率99%的增透膜，而反射端面镀有偏振膜，起到偏振隔离的作用，并且由于其输入和输出端面之间存在夹角，有效的避免了因激光在镜片端面上多次反射造成的噪声干扰。
一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量方法，第一激光器1在相同时间间隔内依次发出不同频率的脉冲激光，经二分之一波片3后由竖直偏振光转变为水平偏振光，依次经偏振分光棱镜4和四分之一波片5进入，再经光束扩展器6扩束后进入大气，所产生的后向散射光依次经光束扩展器6和四分之一波片5返回，其中竖直偏振光被偏振分光棱镜4反射，并与第二激光器2发出的连续激光在合束器7上合束，合束后的光束经聚焦透镜8聚焦于光子探测器9进行混频，得到的混频信号经由中频滤波器10和中频放大器11进行差频信号的选频和放大，得到的外差信号经光子计数卡12进行实时记录，并由计算机15显示；函数信号发生器13触发光子计数卡12进行数据采集，同时将光子计数卡12和函数信号发生器13的信息在示波器14实时显示。
本发明根据大气分子散射强度与波长的四次方成反比的关系以及对太阳背景光的抑制，采用355nm的连续激光波长作为参考光，多纵模脉冲激光作为探测光，可获得具体的探测高度，并基于光外差原理，利用激光的高度相干性和探测器的平方律特性，实现了将极其微弱的信号光从功率较高的本振光中提取出来，以及根据瑞利-布里渊散射理论从谱线中获得大气温度、压强和密度等相关参数。
实施例：以下列举本发明的一个较佳实施案例（参见图1）。一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置，其中的第一激光器1（Nd:YAG多纵模脉冲激光器）在相同时间间隔内依次发出不同频率的脉冲激光，经二分之一波片3后由竖直偏振光转变为水平偏振光，依次经偏振分光棱镜4和四分之一波片5进入，再经光束扩展器6扩束后进入大气，所产生的后向散射光依次经光束扩展器6和四分之一波片5返回，其中竖直偏振光被偏振分光棱镜4反射，并与第二激光器2发出的连续激光在合束器7上合束，合束后的光束经聚焦透镜8聚焦于光子探测器9进行混频，得到的混频信号经由中频滤波器10（LT6237, Analog Device）和中频放大器11（AD603, Analog Device）进行差频信号的选频和放大，得到的外差信号经光子计数卡12进行实时记录，并由计算机15显示；函数信号发生器13（33522B，Agilent）触发光子计数卡12进行数据采集，同时将光子计数卡12和函数信号发生器13的信息在示波器14（WAVEPRO7Zi-A, LeCroy）实时显示。
图2是本发明装置以Nd:YAG种子注入式连续激光器发出的355nm波长的激光作为参考光，Nd:YAG多纵模脉冲激光器发出的不同波长探测光与大气分子相互作用返回的散射信号对355nm波长的激光进行扫描，混频之后得到差分信号。如图2所示，图中标记a处是第一激光器1发出激光的返回散射信号与第二激光器2发出的激光混频，在355nm处探测到的第一次外差信号。第一激光器1在原频率的基础上间隔375MHz产生激发光，返回的散射信号再次与第二激光器2发出的激光混频，得到第二次外差信号，并标记为b，因此，依次可得如图2所示的a-g离散信号强度点。
图3是本发明装置最终获得的瑞利-布里渊散射谱。利用混频之后得到的差分信号强度，再结合相应的中心频率，即可获得如图3所示的瑞利-布里渊散射信号的右半边谱线。同理可得瑞利-布里渊散射谱的左半边谱线，最终即可获得整体的谱线。
Claims (3)
1. 一种气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置，包括第一激光器，其特征在于，第一激光器的一侧设置有第二激光器；第一激光器与光束扩展器之间依次设置有二分之一波片、偏振分光棱镜和四分之一波片；偏振分光棱镜与光子探测器之间依次设置有合束器和聚焦透镜；光子探测器与光子计数卡之间依次设置有中频滤波器和中频放大器；函数信号发生器分别连接有光子计数卡和示波器，光子计数卡分别连接有示波器和计算机；所述第一激光器为Nd:YAG多纵模脉冲激光器，纵模间隔为375MHz，辐射线宽为30GHz，纵模个数为80，并作为探测光，所述第二激光器为连续窄带激光器，输出波长为355nm，并作为参考光，利用Nd:YAG多纵模脉冲激光器作为激发光，在相同时间间隔内依次发出不同频率的脉冲激光，与大气分子相互作用产生的后向瑞利-布里渊散射信号与波长为355 nm的连续激光产生外差信号；利用混频之后得到的外差信号，再结合相应的中心频率，依次得到a-g离散信号强度点；获得瑞利-布里渊散射信号的右半边谱线；同理可得瑞利-布里渊散射信号的左半边谱线，最终即可获得完整的瑞利-布里渊散射谱线。
2.根据权利要求1所述的气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜透射端面镀有透过率99%的增透膜，反射端面镀有偏振膜。
3.一种根据权利要求1所述的气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置的测量方法，其特征在于，第一激光器在相同时间间隔内依次发出不同频率的脉冲激光，经二分之一波片后，由竖直偏振光转变为水平偏振光，依次经偏振分光棱镜和四分之一波片进入，再经光束扩展器扩束后进入大气，所产生的后向散射光依次经光束扩展器和四分之一波片返回，其中竖直偏振光被偏振分光棱镜反射，并与第二激光器发出的连续激光在合束器上合束，合束后的光束经聚焦透镜聚焦于光子探测器进行混频，得到的混频信号经由中频滤波器和中频放大器进行差频信号的选频和放大，得到的外差信号经光子计数卡进行实时记录，并由计算机显示；函数信号发生器触发光子计数卡进行数据采集，同时将光子计数卡和函数信号发生器的信息在示波器实时显示，所述第一激光器为Nd:YAG多纵模脉冲激光器，纵模间隔为375MHz，辐射线宽为30GHz，纵模个数为80，并作为探测光，所述第二激光器为连续窄带激光器，输出波长为355nm，并作为参考光。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910311287.2A CN109946267B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910311287.2A CN109946267B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109946267A CN109946267A (zh) | 2019-06-28 |
| CN109946267B true CN109946267B (zh) | 2022-02-25 |
Family
ID=67014384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910311287.2A Active CN109946267B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109946267B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110456383B (zh) * | 2019-08-28 | 2021-12-14 | 中国科学技术大学 | 一种分子散射相干激光雷达系统 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102053073A (zh) * | 2010-11-10 | 2011-05-11 | 南昌航空大学 | 一种测量氮气布里渊散射信号的方法及装置 |
| CN102128639A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-07-20 | 中国计量学院 | 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪 |
| CN102288973A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-12-21 | 华中科技大学 | 基于频谱特征信号的多气象参数同步测量方法及激光雷达 |
| CN103149769A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-06-12 | 华北电力大学（保定） | 布里渊散射装置 |
| CN103175629A (zh) * | 2013-03-11 | 2013-06-26 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种快速测量海水温度的方法 |
| CN104180833A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-12-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 温度和应变同时传感的光时域反射计 |
| CN107462899A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-12-12 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种大气环境参数的测量方法及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10359302B2 (en) * | 2015-12-18 | 2019-07-23 | Schlumberger Technology Corporation | Non-linear interactions with backscattered light |
-
2019
- 2019-04-18 CN CN201910311287.2A patent/CN109946267B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102053073A (zh) * | 2010-11-10 | 2011-05-11 | 南昌航空大学 | 一种测量氮气布里渊散射信号的方法及装置 |
| CN102128639A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-07-20 | 中国计量学院 | 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪 |
| CN102288973A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-12-21 | 华中科技大学 | 基于频谱特征信号的多气象参数同步测量方法及激光雷达 |
| CN103149769A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-06-12 | 华北电力大学（保定） | 布里渊散射装置 |
| CN103175629A (zh) * | 2013-03-11 | 2013-06-26 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种快速测量海水温度的方法 |
| CN104180833A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-12-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 温度和应变同时传感的光时域反射计 |
| CN107462899A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-12-12 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种大气环境参数的测量方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109946267A (zh) | 2019-06-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109143263B (zh) | 一种混合型测风激光雷达 | |
| CN101764646B (zh) | 利用波长编码的光时域反射测试装置对光纤链路进行的测量方法 | |
| CN110749872A (zh) | 一种相干差分吸收激光雷达与一种检测气体浓度的方法 | |
| JPS62502355A (ja) | 二重変調分光の方法および装置 | |
| CN103175629B (zh) | 一种快速测量海水温度的方法 | |
| CN107290063B (zh) | 一种海水温度测量方法及系统 | |
| CN110441792B (zh) | 同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法 | |
| CN101614820A (zh) | 一种基于改进型f-p标准具的信号增强激光雷达系统 | |
| CN109186739B (zh) | 一种具有多空间分辨率性能的分布式光纤传感装置及方法 | |
| CN115326186A (zh) | 基于相移双脉冲探测技术的ф-otdr系统及其解调方法 | |
| CN114637030A (zh) | 一种双偏振接收的气体探测激光雷达及气体探测方法 | |
| Sun et al. | Comparison of IPDA lidar receiver sensitivity for coherent detection and for direct detection using sine-wave and pulsed modulation | |
| CN109946267B (zh) | 气体瑞利-布里渊散射谱线的测量装置及方法 | |
| CN110456383B (zh) | 一种分子散射相干激光雷达系统 | |
| Shang et al. | Laser Doppler vibrometer for real-time speech-signal acquirement | |
| CN115267828A (zh) | 基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统 | |
| CN217605113U (zh) | 基于相移双脉冲探测技术的ф-otdr系统 | |
| CN115290599B (zh) | 一种测量温室气体浓度的激光雷达系统 | |
| James et al. | Fibre optic based reference beam laser Doppler velocimetry | |
| US4962319A (en) | Remote subsurface water temperature measuring apparatus with Brillouin scattering | |
| CN113607277B (zh) | 一种窄线宽激光器线宽测量系统的解调方法 | |
| CN113340563B (zh) | 声光调制器动态消光比的测试方法 | |
| CN113114350B (zh) | 一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置及方法 | |
| CN111624614B (zh) | 一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统 | |
| JPH08313600A (ja) | 光化学ホールバーニング測定装置及び光偏波ホールバーニング測定装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |