CN111736134A - 基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，包括种子激光器、吸收光谱稳频系统、第一分光光纤、电光调制器、光纤放大器、脉冲激光器、激光发射系统、接收望远镜、信号检测系统、数据采集系统和时序同步系统，本发明通过电光调制实现了单一种子激光器产生第一波长和第二波长的交替激光，降低成本，对第一波长和第二波长均具有稳频的效果，提高了系统的精度。

Description

基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达

技术领域

本发明涉大气与光电探测领域，具体涉及基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达。

背景技术

全球变化每年对人类社会造成巨大的经济损失，对环境造成的各方面影响更是直接危及了人类的生存。目前已经形成共识，人类活动引起的化石燃料使用和土地利用变化改变了地球原有的碳循环过程，使得大气中的含碳温室气体持续、快速累积，造成了更强的温室效应，从而导致了地球能量收支失衡，进而引起了在全球变化中最重要的气候变化。

激光雷达是目前探测温室气体廓线的有效手段，其中以差分吸收激光雷达为主，差分吸收激光雷达是通过发射两个波长的脉冲激光一个波长在温室气体的吸收峰上称为on波长，一个在温室气体的吸收谷底称为off波长，来进行探测反演。这两个波长的位置直接影响这反演的精度，要获得高精度的反演结果就需要对这两个波长进行锁频。

目前主要有两种方式可以获得on波长和off波长的激光：一种是通过差频的方式，如文献1(马昕、龚威、马盈盈等，“基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究”，物理学报，64(15),154215-1-154215-11,2015)中所述，这种方式得到的激光只能对输出的脉冲on波长进行锁频，而不能对off波长进行锁频，这种脉冲锁频方式技术难度大且精度比较低。另一种方式是用两个连续波激光器分别输出on波长和off波长的种子激光，再分别注入到两个脉冲激光器，分别产生所需要的脉冲on波长激光和脉冲off波长激光，如文献2(洪光烈、王钦、肖春雷等“探测大气压力的差分吸收激光雷达的一种光发射机”，红外与毫米波学报，38(4),451-458,2019)中所述，这不仅需要两台种子激光器进行注入，而且在利用标准光源对激光进行稳频时，只能对on波长激光锁频，无法实现对off波长的激光锁频。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，利用一台种子激光器和一个电光调制器，产生第一波长和第二波长的交替激光，第一波长和第二波长可以快速切换，并且都可以利用原子分子光谱实现绝对锁定。该方法只需要一台种子激光器不仅降低了成本，而且，本发明中激光频率的稳定是对连续光进行稳频来实现的。由于连续光可以持续采样，使得本发明的激光稳频技术稳定可靠，并可以确保每一个发射的光脉冲的频率都被锁定在指定的频率上。种子激光器的频率长期稳定度优于2MHz。然后采用连续种子注入技术，把连续种子激光注入到脉冲激光器中，实现脉冲激光的频率的高精确度稳定。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，包括种子激光器，所述的种子激光器输出的激光入射第一分光光纤的输入端，第一分光光纤的第一输出端出射的激光进入吸收光谱稳频系统的输入端，吸收光谱稳频系统的输出端与种子激光器的频率控制端连接，第一分光光纤的第二输出端出射的激光进入电光调制器的输入端，电光调制器的输出端通过光纤放大器与脉冲激光器的种子激光输入端连接，脉冲激光器输出的脉冲激光由激光发射系统发射到大气中，脉冲激光在大气中的散射回波光经由接收望远镜进行接收并由信号检测系统进行光电探测获得散射回波电信号，散射回波电信号由数据采集系统采集，时序同步系统分别输出两路相同的方波到电光调制器的时序控制端和数据采集系统的同步触发端。

如上所述的吸收光谱稳频系统包括第二分光光纤、第一聚焦透镜、第一光电探测器、准直镜、长光程气体吸收池、第二聚焦透镜、第二光电探测器和稳频控制器，

第一分光光纤的第一输出端出射的激光入射第二分光光纤的输入端，第二分光光纤的第一输出端出射的激光经第一聚焦透镜聚焦到第一光电探测器进行光电探测得到参考信号，第二分光光纤的第二输出端出射的激光经准直镜准直后穿过长光程气体吸收池，再经第二聚焦透镜聚焦到第二光电探测器上进行光电探测得到探测气体的吸收光谱信号，长光程气体吸收池中充有探测气体，第一光电探测器探测的参考信号和第二光电探测器探测得到的吸收光谱信号输入到稳频控制器的输入端，稳频控制器的输出端与种子激光器的频率控制端连接。

如上所述的电光调制器包括电光晶体、偏压控制器、第一射频放大器、第二射频放大器和射频信号源，

第一分光光纤的第二输出端输出的激光入射电光晶体的输入端，偏压控制器的输出端与电光晶体的偏压输入端连接，射频信号源的两个输出端分别经第一射频放大器、第二射频放大器放大后与电光晶体的两个射频信号输入端连接，电光晶体的输出端作为电光调制器的输出端。

如上所述的方波处于高电平时，电光调制器输出激光的波长为第一波长，同时触发数据采集系统对散射回波电信号进行采集，并标记为第一波长对应的散射回波电信号数据；

所述的方波处于低电平时，电光调制器输出激光的波长为第二波长，同时触发数据采集系统对散射回波电信号进行采集，并标记为第二波长对应的散射回波电信号数据。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

通过电光调制实现了单一种子激光器产生第一波长(on波长)和第二波长(off波长)的交替激光，相较于传统方法通过两台种子激光器来产生第一波长(on波长)和第二波长(off波长)的激光，节约一台种子激光器降低成本，更为重要的是对第一波长(on波长)进行了稳频，经电光调制后的第二波长(off波长)也具有稳频的效果，而传统的方式中第二波长(off波长)是无法进行稳频的，所以本发明不仅降低了成本，还提高了系统的精度。

附图说明

图1为基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达的结构示意图。

图2为吸收光谱稳频系统的结构示意图。

图3为电光调制器的结构示意图。

图中：1-种子激光器；2-吸收光谱稳频系统；3-第一分光光纤；4-电光调制器；5-光纤放大器；6-脉冲激光器；7-激光发射系统；8-接收望远镜；9-信号检测系统；10-数据采集系统；11-时序同步系统；

21-第二分光光纤；22-第一聚焦透镜；23-第一光电探测器；24-准直镜；25-长光程气体吸收池；26-第二聚焦透镜；27-第二光电探测器；28-稳频控制器；

41-电光晶体；42-偏压控制器；43-第一射频放大器；44-第二射频放大器；45-射频信号源。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的结构示意图，基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达装置，包括种子激光器1、吸收光谱稳频系统2、第一分光光纤3、电光调制器4、光纤放大器5、脉冲激光器6、激光发射系统7、接收望远镜8、信号检测系统9、数据采集系统10、和时序同步系统11，实现对大气中的温室气体差分激光雷达高精度探测。

其中，种子激光器1采用半导体连续激光光纤输出，种子激光器1输出的激光入射第一分光光纤3的输入端，经第一分光光纤3进行分光后分别通过第一输出端和第二输出端出射，其中第一分光光纤3的第一输出端出射的激光进入吸收光谱稳频系统2，第一分光光纤3的第二输出端出射的激光进入电光调制器4的输入端。

吸收光谱稳频系统2的结构如图2所示，包括第二分光光纤21、第一聚焦透镜22、第一光电探测器23、准直镜24、长光程气体吸收池25、第二聚焦透镜26、第二光电探测器27、和稳频控制器28。

第一分光光纤3的第一输出端出射的激光入射第二分光光纤21的输入端，经第二分光光纤21进行分光后分别通过第一输出端和第二输出端出射，第二分光光纤21的第一输出端出射的激光经第一聚焦透镜22聚焦到第一光电探测器23进行光电探测得到参考信号。第二分光光纤21的第二输出端出射的激光经准直镜24准直后入射到长光程气体吸收池25的入射端，长光程气体吸收池25中充有探测气体，激光在长光程气体吸收池25中经多次反射后从长光程气体吸收池25的出射端输出，再经第二聚焦透镜26聚焦到第二光电探测器27上进行光电探测得到探测气体的吸收光谱。将第一光电探测器23探测的参考信号和第二光电探测器27探测得到的吸收光谱信号输入到稳频控制器28的输入端进行处理，稳频控制器28的输出端与种子激光器1的频率控制端连接，来实现对种子激光器1的波长锁定在探测气体的吸收光谱的峰值上(只要能通过差分吸收来探测的气体皆可以采用此方法来实现，例如探测气体可以是二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、甲烷等)。

电光调制器4的结构如图3所示，电光调制器4包括电光晶体41、偏压控制器42、第一射频放大器43、第二射频放大器44、和射频信号源45。第一分光光纤3的第二输出端输出的激光入射电光晶体41的输入端，电光晶体41需要偏置电压和射频信号控制，因此偏压控制器42的输出端与电光晶体41的偏压输入端连接，射频信号源45的两个输出端分别经第一射频放大器43、第二射频放大器44放大后分别接入电光晶体41的两个射频信号输入端，电光晶体41的输出端作为电光调制器4的输出端。

电光调制器4的输出端接光纤放大器5的输入端，光纤放大器5的输出端接脉冲激光器6的种子激光输入端，光纤放大器5输出的连续种子激光经脉冲激光器6脉冲放大后得到大功率窄脉冲激光。脉冲激光经由激光发射系统7发射到大气中，脉冲激光在大气中的散射回波光经由接收望远镜8进行接收，接收望远镜8接收到的回波信号经由信号检测系统9进行光电探测获得散射回波电信号，获得的散射回波电信号由信号检测系统9的输出端经电缆接至数据采集系统10的输入端进行数据采集和处理。由于本发明中第一波长(on波长)和第二波长(off波长)的激光分时交替进行探测，所以需要对时序进行同步。时序同步系统11产生两路相同的方波，一路输出端接到电光调制器4的时序控制端，另一路输出端接数据采集系统10的同步触发端，方波处于高电平的时候控制电光调制器4输出激光的波长为第一波长(on波长)，同时触发数据采集系统10进行散射回波电信号的采集并将采集的数据标记为第一波长(on波长)对应的散射回波电信号数据。方波处于低电平的时候控制电光调制器4输出激光的波长为第二波长(off波长)，同时触发数据采集系统10进行散射回波电信号的采集并将采集的数据标记为第二波长(off波长)对应的散射回波电信号数据。

所述的吸收光谱稳频系统2，由于温室气体在近红外的吸收很弱所以采用增加光程的方式来获得连续种子激光的吸收峰。通过吸收光谱稳频系统2将种子激光器的波长精确的稳定在温室气体的吸收峰上。

所述的电光调制器4，将经过稳频的种子激光，耦合进入电光调制器4。电光调制器4根据时序控制端输入的方波来控制调制电压，从而实现种子激光的频率变换。电光调制器4可以把第一波长(on波长)的激光的频率移动到第二波长(off波长)。由于第一波长(on波长)经过稳频了的激光波长，经电光调制器4移到了第二波长(off波长)也具有频率稳定的特点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，包括种子激光器(1)，其特征在于，所述的种子激光器(1)输出的激光入射第一分光光纤(3)的输入端，第一分光光纤(3)的第一输出端出射的激光进入吸收光谱稳频系统(2)的输入端，吸收光谱稳频系统(2)的输出端与种子激光器(1)的频率控制端连接，第一分光光纤(3)的第二输出端出射的激光进入电光调制器(4)的输入端，电光调制器(4)的输出端通过光纤放大器(5)与脉冲激光器(6)的种子激光输入端连接，脉冲激光器(6)输出的脉冲激光由激光发射系统(7)发射到大气中，脉冲激光在大气中的散射回波光经由接收望远镜(8)进行接收并由信号检测系统(9)进行光电探测获得散射回波电信号，散射回波电信号由数据采集系统(10)采集，时序同步系统(11)分别输出两路相同的方波到电光调制器(4)的时序控制端和数据采集系统(10)的同步触发端。

2.根据权利要求1所述的基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，其特征在于，所述的吸收光谱稳频系统(2)包括第二分光光纤(21)、第一聚焦透镜(22)、第一光电探测器(23)、准直镜(24)、长光程气体吸收池(25)、第二聚焦透镜(26)、第二光电探测器(27)和稳频控制器(28)，

第一分光光纤(3)的第一输出端出射的激光入射第二分光光纤(21)的输入端，第二分光光纤(21)的第一输出端出射的激光经第一聚焦透镜(22)聚焦到第一光电探测器(23)进行光电探测得到参考信号，第二分光光纤(21)的第二输出端出射的激光经准直镜(24)准直后穿过长光程气体吸收池(25)，再经第二聚焦透镜(26)聚焦到第二光电探测器(27)上进行光电探测得到探测气体的吸收光谱信号，长光程气体吸收池(25)中充有探测气体，第一光电探测器(23)探测的参考信号和第二光电探测器(27)探测得到的吸收光谱信号输入到稳频控制器(28)的输入端，稳频控制器(28)的输出端与种子激光器(1)的频率控制端连接。

3.根据权利要求2所述的基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，其特征在于，所述的电光调制器(4)包括电光晶体(41)、偏压控制器(42)、第一射频放大器(43)、第二射频放大器(44)和射频信号源(45)，

第一分光光纤(3)的第二输出端输出的激光入射电光晶体(41)的输入端，偏压控制器(42)的输出端与电光晶体(41)的偏压输入端连接，射频信号源(45)的两个输出端分别经第一射频放大器(43)、第二射频放大器(44)放大后与电光晶体(41)的两个射频信号输入端连接，电光晶体(41)的输出端作为电光调制器(4)的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于电光调制单种子注入差分吸收激光雷达，其特征在于，所述的方波处于高电平时，电光调制器(4)输出激光的波长为第一波长，同时触发数据采集系统(10)对散射回波电信号进行采集，并标记为第一波长对应的散射回波电信号数据；

所述的方波处于低电平时，电光调制器(4)输出激光的波长为第二波长，同时触发数据采集系统(10)对散射回波电信号进行采集，并标记为第二波长对应的散射回波电信号数据。

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