CN111538036A - 一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统 - Google Patents

一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统，包括泵浦激光器，固态可调谐紫外激光模块，多波长激光扩束镜，发射耦合光路，接收望远镜，后继光路，采集计算机和控制单元，固态可调谐紫外激光模块实现可调谐紫外激光震荡级和放大级，在泵浦激光器的激光泵浦作用下，通过电动调节腔长，产生全固态臭氧激光雷达系统所需的差分吸收波长对，调节腔长和泵浦激光脉冲同步，可以一个或几个脉冲切换一次激光波长；可以实现臭氧激光雷达系统的全固态化，避免需要定期更换非固态激光雷达系统的气体或染料耗材，并增加激光雷达系统稳定性，大大缩小体积，减轻系统质量，从而使系统更加易于搭载于飞机平台、气球或飞艇平台和卫星平台。

Description

一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统，用于探测与人类生活息息相关的对流层区域臭氧浓度廓线的探测。
背景技术
激光雷达是一种探测大气参数廓线的不可替代的主动光学遥感手段，其发射光波作为系统光源，有着高时空分辨率的特点。近几十年来，激光雷达发展迅速，从最初的的大气密度激光雷达，到现在各种各样的激光雷达，包括测温激光雷达，测风激光雷达，原子密度激光雷达，二氧化碳激光雷达，痕量污染物气体激光雷达等等。
目前，环境问题是全球各国政府关心的重点问题，其中涉及雾霾污染和臭氧污染等。过高的对流层臭氧会造成中毒，视力下降，诱发皮肤疾病，心肺功能衰竭，破坏人体免疫功能等等，极大的威胁了人类的健康。为此，我们需采取有效的对策来治理臭氧的污染问题，其中对流层臭氧的探测是治理环境污染问题必不可少的环节。我国政府已加大在此方面的投入，臭氧激光雷达的建设迎来了以往前所没有的机遇。但是，目前对流层臭氧激光雷达主要采用拉曼光源作为差分吸收波长，其主要原理是利用气体对激光的拉曼频移作用产生斯托克斯激光，例如通过YAG(或者YLF)激光器四倍频后的266nm(或者262nm)激光泵浦氘气或氢气的拉曼管，产生拉曼频移后的激光，组成探测对流层臭氧所需的差分吸收波长对，例如266nm 作为泵浦光情况下的波长对：266nm/289nm,289nm/316nm,或者289nm/299nm等等。由于使用了气体作为工作介质，一方面，气体产生的拉曼激光的形状和发散角很难控制；另一方面，气体作为工作物质，需要较长的工作长度，占用空间大；再者，气体工作物质需要定期更换，不利于长时间稳定工作，对于空间平台也不适合。这些都是以气体拉曼光作为系统光源的固有缺陷。不能满足长期稳定工作，以及空载探测平台的需求。
发明内容
本发明的目的是利用掺铈氟铝酸钙锂晶体，产生一种可调谐的紫外激光光源，通过腔长调节，得到探测大气中对流层臭氧所需差分吸收激光光源波长对，结合接收部分和采集控制部分，实现一种全固态臭氧探测激光雷达系统，满足探测对流层臭氧廓线的需要，实现臭氧激光雷达系统全固态化和小型化，延长系统寿命，增强了系统稳定性，进一步为机载化和星载化提供技术基础。
为解决上述问题，本发明提出了一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统，其包括：泵浦激光器，固态可调谐紫外激光模块，激光扩束镜，发射耦合光路，接收望远镜，后继光路，采集计算机和控制单元。其中：
所述泵浦激光器基于YAG(或YLF)的激光器四倍频产生短波紫外266nm(或262nm)激光，用于泵浦可调谐紫外激光器。
所述固态可调谐紫外激光模块，基于掺铈氟铝酸钙锂晶体，实现可调谐紫外激光震荡级和放大级，在所述泵浦激光器的激光泵浦作用下，通过电动调节腔长，产生所述全固态臭氧激光雷达系统所需的差分吸收波长对，调节腔长和泵浦激光脉冲同步，可以一个或几个脉冲切换一次激光波长。
所述激光扩束镜，采用消色差扩束镜，可为反射式扩束镜或透射式扩束镜，可同时工作与所述全固态激光雷达工作的几个波长激光，具有相同的放大倍率，实现改变激光发散角，使其发散角满足所述接收望远镜视场角要求。
所述发射耦合光路，包含光路转折反射镜和带有电机驱动的发射反射镜，用于将所述激光扩束镜扩束后的激光光束发射到所需探测的目标对象大气中。
所述接收望远镜，用于接收激光和大气相互作用后的后向散射回波信号，后向散射回波信号包含有米散射和瑞利散射信号。接收望远镜类型可为透射式望远镜和反射式望远镜，接收的回波信号通过空间耦合方式或光纤耦合方式传输。
所述后继光路，包含有准直透镜、分色镜、滤光器、汇聚透镜和光电倍增管，用于将所述接收望远镜接收的回波信号提取出有效回波信号，并转换为电信号，供采集装置采集。内部通过一个探测器实现多个波长的时空复用探测。
所述采集计算机，内部含有信号采集装置、存储硬盘和数据处理分析模块。用于将电信号采集记录为数字信号，并存储在采集计算机的存储硬盘上。所述数据分析模块，分析处理采集的回波信号，得到臭氧浓度廓线。
所述控制单元，包含有系统工作时序控制部分和系统部件动作控制部分。所述系统工作时序控制部分用于协调系统中各个部件，协调激光雷达系统中泵浦激光器、固态可调谐紫外激光模块、发射耦合光路和所述采集计算机按序进行工作；所述系统部件动作控制部分，用于控制发射耦合单元中的光束发射天线和扫描单元。
本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：
基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统可以实现臭氧激光雷达系统的全固态化，避免需要定期更换非固态激光雷达系统的气体或染料耗材，并增加激光雷达系统稳定性，另外可以大大缩小臭氧激光雷达系统体积，减轻系统质量，免于定期维护，解放工作人员，可使系统实现全自动化工作，从而使系统更加易于搭载于飞机平台、气球或飞艇平台和卫星平台。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统原理图；
图2是可调谐激光光源的内部组成图；
图3是系统后继光路图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例提供一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统，用于探测大气中臭氧的浓度廓线，所述全固态臭氧激光雷达系统包括：泵浦激光器1，基于掺铈的氟铝酸钙锂的晶体的固态可调谐紫外激光模块2，多波长激光扩束镜3，发射耦合光路4，信号接收望远镜5，后继光路6，采集计算机7，控制单元8。
所述泵浦激光器1，由带有四倍频功能的Nd:YAG或Nd:YLF激光器组成，用于输出266nm激光或262nm激光，作为所述全固态激光雷达系统的泵浦光源。所述泵浦激光器1 工作脉冲频率不做限定，可以为10Hz到几KHz。单脉冲能量也不做限定，根据实际应用场合选择，从几毫焦和几十毫焦。在近地面供电能力足够情况下，可以选择闪光灯泵浦类型的激光器；而对于空间平台应用场合，优先选择二极管泵浦类型的激光器。
所述可调谐紫外激光模块2，其核心部件是掺铈的氟铝酸钙锂的晶体，在所述泵浦激光器输出的激光泵浦作用下，该晶体部件可输出一段光谱范围(280-320nm)的紫外激光，可通过腔长设置选择我们所需的激光波长。
所述多波长激光扩束镜3，用于改善所述可调谐紫外激光模块2输出激光的光束发散角，满足系统接收要求，此外降低光束的功率密度，降低对所述发射耦合光路中的光学器件的损伤阈值要求。多波长激光扩束镜3需能够满足多波长应用要求，可采用反射式扩束镜或消色差透射式扩束镜，具体结构类型可不做限定。
所述发射耦合光路4，用于将所述多波长激光扩束镜3扩束后的激光光束发射到所需探测的目标对象大气中。发射耦合光路4主要由改变光束位置方向的的多个全反射反射镜组成，最后一个发射反射镜的光束指向调整带有电机驱动，可以由应用程序指令控制反射镜在至少二个维度方向的角度，从而可以该表发射光束指向的二维调整。
所述接收望远镜5，用于接收发射耦合光路4发射的激光和大气相互作用后的后向散射回波信号，后向散射回波信号包含有米散射和瑞利散射信号。接收望远镜可谓透射式望远镜和反射式望远镜，接收的回波信号通过空间耦合方式或光纤耦合的方式传输到所述后继光路 6。
所述后继光路6，包含有准直透镜、分色镜、滤光器、汇聚透镜和光电倍增管，用于将所述接收望远镜5接收的回波信号提取出有效回波信号，并转换为电信号，供采集装置采集。所述准直透镜采用紫外波段消色差透镜，将所述望远镜5的多个波长回波信号准直为准平行光束；所述分色镜，用于准直后的多个波段平行光束分离为多路单个波长的光束；所述滤光器，用于提取多路单个波长光束中的有效回波信号，而抑制带外的天空背景信号。若滤光器选定为滤光片，则每一路都各自设置一个滤光片；所述汇聚透镜，用于将经过滤光器的回波信号汇聚缩小到适合光电倍增管探测的靶面上；所述光电倍增管，通过光电感应材料将微弱的光信号变为电信号，并由内部的光电倍增放大级将电信号放大。
所述采集计算机7，内部含有信号采集装置、存储硬盘和数据处理分析模块。所述采集装置为采集卡或光子计数卡，用于将电信号采集记录为数字信号，并存储在采集计算机的存储硬盘上；所述数据分析模块，用于对采集的回波信号进行分析处理，得到臭氧浓度廓线。
所述控制单元8，包含有系统工作时序控制部分和系统部件动作控制部分。所述系统工作时序控制部分用于协调系统中各个部件按序进行工作，协调的各个部件泵浦激光器1、固态可调谐紫外激光模块2、发射耦合光路4和所述采集计算机7；所述系统部件动作控制部分，用于控制发射耦合光路4中的光束发射天线和扫描单元。
如图2所示，为可调谐紫外激光模块图，包含有输入窗口101，偏振器102，激光扩束镜103，第一反射镜104，分光镜105，第一掺铈的氟铝酸钙锂的晶体106，色散棱镜107，第二反射镜108，输出耦合镜109，第三反射镜110，第四反射镜111，第五反射镜112，第二掺铈的氟铝酸钙锂的晶体113，第三掺铈的氟铝酸钙锂的晶体114和第六反射镜115。所述泵浦激光器1输出激光经所述输入窗口101输入到所述可调谐紫外激光模块中，由所述偏振器102选择对应偏正的激光，再经过所述激光扩束镜103改善激光发散角和光束功率密度。所述第一反射镜104和分光镜105改变光束方向将泵浦激光输入到所述掺铈的氟铝酸钙锂的晶体106，产生所需的紫外宽光谱激光。所述第一掺铈的氟铝酸钙锂的晶体106，所述色散棱镜107、所述第二反射镜108和所述输出耦合镜109构成谐振腔，完成激光的震荡放大，电动改变所述第二反射镜108的位置可以改变谐振腔长，从而动态选择所需的激光波长。在本发明所述的全固态臭氧激光雷达系统中，我们可以设置三个波长(定义为波长A，波长B 和波长C)分时切换输出或者两个波长(定义为波长A和波长B)分时切换输出。所述输出耦合镜109为部分反射镜，透射输出的光为激光雷达所需紫外激光。输出的紫外激光经所述第三反射镜110和第五反射镜112出入到所述第二掺铈氟铝酸钙锂晶体113和第三掺铈的氟铝酸钙锂的晶体114，在另一部分泵浦激光经第四反射镜111反射输入到所述第二掺铈氟铝酸钙锂晶体113和第三掺铈的氟铝酸钙锂的晶体114共同作用下，实现所需紫外激光的两级放大。
如图3所示，为所述全固态臭氧激光雷达系统后继光路图，包含准直透镜201，第一分色镜202，第一滤光片203，第二分色镜204，第三分色镜205，第二滤光片206，第四分色镜207，第七反射镜208，第三滤光片209，第八反射镜210，汇聚透镜211，探测器212。所述准直透镜201为消色差透镜，可以适用于266-320nm波长，将望远镜接收的回波信号准直为准平行光束，所述第一分色镜202用于分离全固态臭氧激光雷达系统发射的不同波长激光和大气相互作用后的后向散射信号(对应波长A光信号，波长B光信号和波长C光信号)。前文已经描述，不同波长激光是通过调节可调谐紫外激光器的腔长实现的。第一分色镜202 实现反射波长A光信号和波长B光信号，透射波长C光信号。所述第三分色镜205反射波长A光信号，透射波长B光信号。第七反射镜208反射波长B光信号。第一滤光片203透过波长C光信号，带外的背景光或其他波长光全部被高抑制。第二滤光片206透过波长A 光信号，带外的背景光或其他波长光全部被高抑制。第三滤光片209透过波长B光信号，带外的背景光或其他波长光全部被高抑制。第八反射镜210高反波长B光信号。第四分色镜 207高反波长A光信号，透射波长B光信号。第二分色镜204反射波长A光信号和波长B 光信号，透射波长C光信号。汇聚透镜211为消色差透镜，其参数可以和所述准直透镜201 一样。所述探测器212，为紫外波段响应灵敏的探测器，用于将回波光信号转换为电信号，放大后供所述采集装置采集。

Claims (1)

1.一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达系统，其特征在于：包括泵浦激光器，固态可调谐紫外激光模块，多波长激光扩束镜，发射耦合光路，接收望远镜，后继光路，采集计算机和控制单元，其中：
所述泵浦激光器基于YAG或YLF的激光器四倍频产生短波紫外266nm或262nm激光，用于泵浦可调谐紫外激光器；
所述固态可调谐紫外激光模块，基于掺铈氟铝酸钙锂晶体，实现可调谐紫外激光震荡级和放大级，在所述泵浦激光器的激光泵浦作用下，通过电动调节腔长，产生所述全固态臭氧激光雷达系统所需的差分吸收波长对，调节腔长和泵浦激光脉冲同步，可以一个或几个脉冲切换一次激光波长；
所述多波长激光扩束镜，采用消色差扩束镜，可为反射式扩束镜或透射式扩束镜，可同时工作与所述全固态激光雷达工作的几个波长激光，具有相同的放大倍率，实现改变激光发散角，使其发散角满足所述接收望远镜视场角要求；
所述发射耦合光路，包含光路转折反射镜和带有电机驱动的发射反射镜，用于将所述激光扩束镜扩束后的激光光束发射到所需探测的目标对象大气中；
所述接收望远镜，用于接收激光和大气相互作用后的后向散射回波信号，后向散射回波信号包含有米散射和瑞利散射信号，接收望远镜类型可为透射式望远镜和反射式望远镜，接收的回波信号通过空间耦合方式或光纤耦合方式传输；
所述后继光路，包含有准直透镜、分色镜、滤光器、汇聚透镜和光电倍增管，用于将所述接收望远镜接收的回波信号提取出有效回波信号，并转换为电信号，供采集装置采集，内部通过一个探测器实现多个波长的时空复用探测；
所述采集计算机，内部含有信号采集装置、存储硬盘和数据处理分析模块，用于将电信号采集记录为数字信号，并存储在采集计算机的存储硬盘上，所述数据分析模块，分析处理采集的回波信号，得到臭氧浓度廓线；
所述控制单元，包含有系统工作时序控制部分和系统部件动作控制部分，所述系统工作时序控制部分用于协调系统中各个部件，协调激光雷达系统中泵浦激光器、固态可调谐紫外激光模块、发射耦合光路和所述采集计算机按序进行工作；所述系统部件动作控制部分，用于控制发射耦合单元中的光束发射天线和扫描单元。
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