CN112099047A - 基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于全光纤声光调制的钠温风‑瑞利激光雷达系统，包括：半导体激光器、第一放大光纤激光器、第一泵浦激光器、光纤分束器、光纤声光调制单元、光纤合束器、第二光纤放大激光器、第二泵浦激光器、第一倍频模块、第二倍频模块、频率锁定模块、百毫焦级的脉冲泵浦激光器、脉冲染料放大器、精密平移台驱动的532nm反射镜、扩束单元、发射光路单元、接收望远镜单元、后继光路单元、采集单元和控制单元。本发明实现测量80‑105km高度大气温度、风速、钠原子密度和30‑70km的大气温度。

Description

基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种激光雷达，尤其涉及一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统及方法，用于中间层顶和低热层区域大气温度廓线、风速廓线和钠原子密度廓线、平流层到中间层顶区域大气分子瑞利温度。
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，其发射激光作为系统光源，有着高时空分辨率的特点。近几十年来，激光雷达发展迅速，从最初的大气密度激光雷达，到现在各种功能的激光雷达，例如测温激光雷达，测风激光雷达，原子密度激光雷达，二氧化碳激光雷达，痕量气体激光雷达等等。
对流层大气以上的中高层大气是各种大气波动的活跃区域，像各种类型的大气重力波、大气潮汐波和行星波等，这些大气波动会影响大气的能量平衡和动量平衡，从而驱动大气环流变化和影响空间天气环境变化。为研究这些问题，需通过探测大气要素的垂直分布廓线，来提取大气波动信息，从而进一步研究空间环境变化和气候变化。探测平流层和中间层大气温度廓线的一种有效手段是瑞利激光雷达。目前，世界各地已部署有很多瑞利激光雷达，用于探测大气温度和风场，其中较多的是瑞利测温激光雷达，瑞利测风激光雷达相对较少。探测中间层顶和低热层区域大气温度和风速探测主要利用窄带钠温风激光雷达。美国科罗拉多州立大学和科罗拉多大学合作率先基于染料种子激光器、空间声光调制结合光斩波器实现了钠激光雷达的温度和风速测量。国内中国科学技术大学、中国科学院空间科学应用中心和武汉数学物理研究所都相继研制出了钠温风激光雷达。在这些窄带钠温风激光雷达系统中，其中一个重要的问题是如何实现发射三个频率的激光。声光调制是实现频率变化的器件，而对于声光调制跳频实现方式和变频后的激光发射方式，目前技术上可以分为三种：第一种是空间光跳频结合光闸陷阱方式实现三个频率分时发射，第二种是空间光跳频结合斩光盘方式实现三个频率分时发射，第三种是利用光纤声光调制结合磁光开关实现三个频率分时发射。第一种方式采用空间光的耦合方式受环境条件影响大，振动、温度和气流都会影响调制部分的稳定性，光闸陷阱由于机械零件的动作时间和振荡的影响，其工作频率不能很快，通常只能几秒打开关闭切换一次，对于三个频率的切换时间间隔偏大。第三种光纤声光调制结合磁光开关的方式的稳定性要比前两种高，但磁开关的切换速度一般是毫秒量级，对于激光脉冲频率高的场合快速切换适用性不好，另外磁开关用的比较多场合是光通信方面，常规产品的工作波长不适合钠温风激光雷达，定制适合钠温风激光雷达的费用较高，且光效率不高。此外，在激光雷达系统层面而言，目前都是独立工作的钠温风激光雷达和瑞利激光雷达系统，还没有整体性的钠温风-瑞利激光雷达。
发明内容
本发明技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，实现测量80-105km高度大气温度、风速、钠原子密度和30-70km的大气温度。
系统采用半导体激光器输出1178nm种子激光，种子激光通过一级光纤放大分成两路，一路倍频后用于激光频率锁定，一路经过全光纤声光调制实现测量80-105km高度钠层温度和风速所需的三个频率激光的微秒甚至纳秒级的快速切换，利用钠层温度风速所用到的532nm泵浦光源，通过分时切换方式实现30-70km的温度探测，从而最终实现一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，满足探测中间层顶和低热层区域80-105km高度大气温度、风速和钠原子密度，以及30-70km高度范围的大气温度的需要，实现单发脉冲切换激光频率的和快速切换波长钠温风激光雷达-瑞利激光雷达系统。
本发明提出的一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，包括：半导体激光器、第一放大光纤激光器、第一泵浦激光器、光纤分束器、光纤声光调制单元、光纤合束器、第二光纤放大激光器、第二泵浦激光器、第一倍频模块、第二倍频模块、频率锁定模块、百毫焦级的脉冲泵浦激光器、脉冲染料放大器、精密平移台驱动的532nm反射镜、扩束单元、发射光路单元、接收望远镜单元、后继光路单元、采集单元和控制单元；
所述半导体激光器，用于输出几十mW的KHz量级窄线宽1178nm连续种子激光；
所述第一放大光纤激光器，在所述第一泵浦激光器输出的1120nm激光泵浦下，在光纤工作物质中初步放大所述半导体激光器输出的1178nm连续种子激光的功率，输出放大后的1178nm激光；
所述保偏光纤分束器，将所述第一放大光纤激光器放大后1178nm激光分成两路，一路为总功率的10％-20％的1178nm激光用于激光频率锁定，另一路为总功率的90％-80％的1178nm激光用于输入给光纤声光调制部分，用于频率变换；
所述第一倍频晶体，将所述保偏光纤分束器分出的为总功率的10％-20％的1178nm激光倍频为589nm激光，通过钠原子的饱和荧光光谱或吸收光谱由所述激光频率锁定单元精确锁定所述半导体激光器的激光波长；
所述光纤声光调制单元，通过光波和声波相互作用的光纤声光调制器件将较强的1178nm激光序列调制为1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光，序列后的激光脉冲宽度为毫秒级；光纤声光调制单元具体包括：第一光纤声光调制器，第二光纤声光调制器，第一光纤衰减器，第三光纤声光调制器，第二光纤衰减器；
所述第一保偏光纤声光调制器，通过外加射频调制器信号，实现声波对光波频率的调制；第一保偏光纤声光调制器工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，两路端口输出，调制状态改变光波频率+315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一个端口输出，第一保偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第二保偏光纤声光调制器，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，调制状态改变光波频率-315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一端口输出，该第二偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第三保偏光纤声光调制器，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，调制状态改变光波频率-315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一端口输出，但不使用，该第三偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第一保偏光纤衰减器，连接于所述第二保偏光纤声光调制器的非调制端口，通过调节改变光功率信号强度；
所述第二保偏光纤衰减器，为手动或电动衰减器，连接于所述第三保偏光纤声光调制器的调制端口，通过手动或电压调节改变光功率信号强度；
所述光纤耦合器，用于将所述第一保偏光纤衰减器的输出、第二保偏光纤衰减器的输出和所述第二保偏光纤声光调制器耦合为一路输出；
所述第二放大光纤激光器，在所述第二泵浦激光器输出的1120nm激光泵浦下，在光纤工作物质中初步放大所述光纤耦合器输出的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光功率；
所述第二倍频晶体，用于将放大后的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光倍频为589.158nm、589.158nm+630MHz、589.158nm-630MHz激光，倍频后的589.158nm及其侧翼三个频率激光作为种子激光输入至所述脉冲染料放大器；
所述脉冲染料放大器，将第二倍频晶体输出的毫秒级的宽脉冲589.158nm及其侧翼的三个频率种子激光，在百毫焦级的脉冲泵浦激光器输出的532nm激光泵浦下，放大为峰值功率兆瓦级的10纳秒级脉冲589.158.158nm及其侧翼的三个频率窄脉冲激光；
所述精密平移台驱动的532nm反射镜，设置于所述泵浦脉冲染料放大器的光路上，进行钠温风探测时，将532nm反射镜快速挪开，使百毫焦级的的脉冲泵浦激光器泵浦所述脉冲染料放大器；进行瑞利温度探测时，将532nm反射镜快速移到光路上，45度角转折到532nm的发射光路上；
所述激光扩束镜，采用伽利略式结构，改变激光雷达的发射激光发散角，使发射激光发散角满足所述接收望远镜视场角要求，532nm和589nm分别设置一个激光扩束镜；
所述发射光路单元，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589.158nm附近三个频率激光光束和532nm激光发射到大气中；
所述接收望远镜单元，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瑞利散射信号共振钠荧光后向散射信号；
所述后继光路单元，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；532nm和589nm回波信号分别通过两路独立探测；所述后继光路单元包含有斩光盘、准直透镜、532nm滤光器、589nm滤光器，汇聚透镜和光电倍增管；
所述采集单元，将电信号采集记录为数字回波信号，并存储在采集计算机的存储硬盘上，通过分析处理采集的回波信号，得到温度、风速和钠原子密度；
所述控制单元，包含工作时序控制部分和部件动作控制部分，所述工作时序控制部分用于协调钠温风-瑞利激光雷达系统中泵浦激光器、声光调制单元、激光锁频单元、脉冲染料放大器、发射耦合单元和所述采集装置按序进行工作；所述部件动作控制部分，用于控制发射耦合光路中的光束发射天线。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用全光纤声光调制结合光纤衰减器，实现该激光雷达系统光纤声光调制单元，产生系统所需的三个频率种子激光，大大提高三个频率的切换速度，切换的时间可以达到纳秒级，可满足中间层顶和低热层区域小尺度大气波动探测需求；此外，光纤耦合方式可以很大程度提高系统稳定性，使系统更加紧凑，缩小系统体积，减轻系统质量；结合衰减器，可以使得三个频率的激光发射功率基本一致，减少系统因三个频率功率不同引起的系统探测误差；采用精密平移台驱动532nm反射镜改变光路，可以实现一台脉冲532nm激光器完成泵浦染料放大器和瑞利温度探测两种功能，大幅降低系统成本。
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是基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统原理图；
其中：半导体激光器1，第一放大光纤激光器2，第一泵浦激光器3，光纤分束器4，光纤声光调制单元5，光纤合束器6，第二光纤放大激光器7，第二泵浦激光器8，第一倍频模块9，第二倍频模块10，频率锁定模块11，百毫焦级的脉冲532nm激光器12，脉冲染料放大器13，高稳平移台驱动的532nm反射镜14，扩束单元15，发射光路单元16，接收望远镜单元17，后继光路单元18，采集处理单元19，控制单元20，电机驱动器21。
图2是光纤声光调制单元的内部组成图；
其中：第一光纤声光调制器101，第二光纤声光调制器102，第一光纤衰减器103，第三光纤声光调制器104，第二光纤衰减器105。
图3是光纤声光调制单元的时序控制图；
其中：201是给所述第一保偏光纤声光调制器101所配套控制器的TTL电平控制信号，202是所配套控制器输出给所述第一保偏光纤声光调制器101声光器件的射频控制信号；同样，203和204是分别给所述第二保偏光纤声光调制器102所配套控制器的TTL电平控制信号和配套控制器输出给声光器件的射频信号；205和206是分别给所述第二保偏光纤声光调制器104所配套控制器的TTL电平控制信号和配套控制器输出给声光器件的射频信号。
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。
如图1所示，本发明一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，用于探测中间层顶-低热层区域80-105km高度大气温度、风速和钠原子密度，所述基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统包括：半导体激光器1，第一放大光纤激光器2，第一泵浦激光器3，光纤分束器4，光纤声光调制单元5，光纤合束器6，第二光纤放大激光器7，第二泵浦激光器8，第一倍频模块9，第二倍频模块10，频率锁定模块11，百毫焦级的脉冲532nm激光器12，脉冲染料放大器13，高稳平移台驱动的532nm反射镜14，扩束单元15，发射光路单元16，接收望远镜单元17，后继光路单元18，采集处理单元19，控制单元20，电机驱动器21。
所述半导体激光器1，用于输出几十mW的频率带宽为KHz量级的窄线宽1178nm连续种子激光，其波长调节可以通过调节内部的光栅和改变二极管电压和温度方式进行精确调整，最终工作波长在1178.316nm附近，其激光输出通过光纤耦合方式输出。
所述第一放大光纤激光器2，在所述第一泵浦激光器3输出的1120nm连续激光泵浦下，在光纤工作物质中初步放大所述半导体激光器输出的1178nm种子激光的功率。
所述保偏光纤分束器4，将所述第一放大光纤激光器2放大后1178nm激光分成两路，分数比为10/90,10％用于激光频率锁定，90％用于输入给光纤声光调制部分，用于频率变换。
所述第二倍频模块10，通常采用周期极化铌酸锂PPLN晶体，将所述保偏光纤分束器4分出的10％1178nm激光倍频为589nm激光，倍频后的589nm激光小于1mW，由所述激光频率锁定模块11通过钠原子的饱和荧光光谱或吸收光谱和调制正弦波或三角波信号相乘获得误差信号，反馈给所述半导体激光器1配套的控制器，从而调节所述半导体激光器1输出的激光波长，使得倍频后激光波长锁定在钠原子饱和光谱的D2a峰值589.158nm处，对应所述半导体激光器1的精确激光波长为1178.316nm。
所述光纤声光调制单元5，通过光波和声波相互作用将1178nm激光序列调制为1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光。
如图2所示，光纤声光调制单元5，具体包括：第一光纤声光调制器101，第二光纤声光调制器102，第一光纤衰减器103，第三光纤声光调制器104，第二光纤衰减器105。
所述第一保偏光纤声光调制器101，通过外加射频调制器信号，实现声波对光波频率的调制，其工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，两种状态分别由两路端口输出。调制状态改变光波频率+315MHz，第一个端口光纤耦合输出；非调制状态不改变光波频率，第二个端口光纤耦合输出。射频调制器的射频信号输出状态通过外部TTL电平控制实现，TTL高电平时，调制激光频率+315MHz，TTL低电平时，不调制激光频率。第一个端口输出给所述第二保偏光纤声光调制器102；第二个端口输出给第三保偏光纤声光调制器104。
所述第二保偏光纤声光调制器102，和第一保偏光纤声光调制器101类似，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态。与第一保偏光纤声光调制器101不同的是，调制状态改变光波频率为-315MHz，第一个端口光纤耦合输出；非调制状态不改变光波频率，第二个端口光纤耦合输出。射频调制器的射频信号输出状态通过外部TTL电平控制实现，TTL高电平时，调制激光频率-315MHz，TTL低电平时，不调制激光频率。第一个端口输出给所述光纤合束器6；第二个端口输出给第一保偏光纤衰减器103。
所述第三保偏光纤声光调制器104，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态。调制状态改变光波频率-315MHz，第一个端口光纤耦合输出；非调制状态不改变光波频率，第二个端口光纤耦合输出，本发明不使用。其工作状态同样通过外部TTL电平实现。第一个端口输出给所述第二保偏光纤衰减器105。
所述第一保偏光纤衰减器103，可以为手动或电动衰减器，连接于所述第二保偏光纤声光调制器102的第二端口，通过手动或电压调节改变光功率信号强度，使得信号强度接近于所述第二保偏光纤声光调制器102的第一端口输出。
所述第二保偏光纤衰减器105，可以为手动或电动衰减器，连接于所述第三保偏光纤声光调制器104的第一端口，通过手动或电压调节改变光功率信号强度接近于所述第二保偏光纤声光调制器102的第一端口输出。
图3是所述光纤声光调制单元5的工作时序图，201是给所述第一保偏光纤声光调制器101所配套控制器的TTL电平控制信号，202是所配套控制器输出给所述第一保偏光纤声光调制器101声光器件的射频控制信号；同样，203和204是分别给所述第二保偏光纤声光调制器102所配套控制器的TTL电平控制信号和配套控制器输出给声光器件的射频信号；205和206是分别给所述第三保偏光纤声光调制器104所配套控制器的TTL电平控制信号和配套控制器输出给声光器件的射频信号。表1给出了声光调制单元5的工作状态。第一状态是当所述第一保偏光纤声光调制器101调制频率+315MHz，所述第二保偏光纤声光调制器102调制频率-315MHz，第三保偏光纤声光调制器104不调制频率，最终光纤合束器6输出为f0(f0为1178nm激光波长对应的频率)。第二种状态是当所述第一保偏光纤声光调制器101调制频率+315MHz，所述第二保偏光纤声光调制器102不调制频率，第三保偏光纤声光调制器104不调制频率，最终光纤合束器6输出为f0+315MHz。第三种状态是当所述第一保偏光纤声光调制器101不调制频率，所述第二保偏光纤声光调制器102不调制频率，第三保偏光纤声光调制器104调制频率-315MHz，最终光纤合束器6输出为f0-315MHz。
表1声光调制单元5的工作状态
Figure BDA0002686999580000081
所述光纤合束器6，用于将所述第一保偏光纤衰减器103的输出、第二保偏光纤衰减器105的输出和所述第二保偏光纤声光调制器102的第一输出耦合为一路输出，并保证偏振状态不变。
所述第二放大光纤激光器7，在所述第二泵浦激光器8输出的1120nm激光泵浦下，在光纤工作物质中进一步放大所述光纤合束器输出的三个频率激光1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光功率。
所述第一倍频模块9，用于将第二放大光纤激光器7放大后的1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光倍频为589.158nm,589.158nm+630MHz,589.158nm-630MHz激光，倍频后的589.158nm及其侧翼三个频率激光作为种子激光输入给所述的脉冲染料放大器13。
所述脉冲染料放大器13，通过三级染料放大，将第一倍频晶体输出的毫秒级的宽脉冲589.158nm及其两个侧翼的三个频率种子激光，在高功率的脉冲532nm激光器12的泵浦下，放大为峰值功率很高的10纳秒级脉冲589.158.158nm及其两个侧翼的三个频率窄脉冲激光。
所述精密平移台驱动的532nm反射镜14，以45度角设置于所述百毫焦级的脉冲532nm激光器泵浦脉冲染料放大器13的光路上，进行钠温风探测时，将532nm反射镜快速挪开，使高功率的脉冲532nm激光器泵浦所述脉冲染料放大器；进行瑞利温度探测时，将532nm反射镜快速移到光路上，45度角转折到532nm的发扩束单元上。
所述扩束单元15，采用伽利略式结构，由负透镜和正透镜组成，用于改变532nm和589nm发射激光发散角，使其发散角满足所述接收望远镜视场角要求。包含532nm和589nm两个激光扩束镜。532nm激光扩束镜扩束倍率可以为5倍-8倍，589nm激光扩束镜可以为2倍～5倍。
所述发射光路单元16，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589.158nm附近三个频率激光光束和532nm激光发射到大气中。所述电机驱动器21控制带有电机驱动的发射反射镜可以在天顶角和方位角方向改变激光光束指向，通过程序控制可以扫描激光光束，是的回波信号以最优被望远镜接收。
所述接收望远镜单元17，用于接收激光和大气相互作用后的后向散射回波信号，钠温风-瑞利激光雷达系统后向散射回波信号包含有瑞利散射信号共振那荧光后向散射信号。在进行高空探测钠温风-瑞利激光雷达系统，接收望远镜类型通常采用反射式望远镜，可以为牛顿式和卡塞格林式，接收的回波信号通过光纤耦合方式传输。设置三个望远镜，分别为第一望远镜，第二望远镜和第三望远镜，望远镜指向可以调整。第一望远镜指向朝东，天顶角20°或30°方向；第二望远镜垂直指向天顶角方向；第三望远镜指向朝南，天顶角20°或30°方向。第一望远镜在焦平面中心设置一根光纤，用于传输589nm回波信号；第二望远镜的焦平面设置两根光纤，一根设置于中心位置，用于传输589nm的瑞利散射信号，另一根设置于旁边，用于传输532nm的回波信号。进行更多方向探测，可以设置更多的望远镜接收回波信号。
所述后继光路单元18，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。532nm回波信号一路，和589nm回波信号三路，共四路独立探测。每一路光纤输出先经过斩光盘，然后由各自准直透镜准直，经各路设置的滤光器滤除背景噪声光后由汇聚透镜汇聚于光电倍增管探测。各路滤光器中心波长由探测的波长决定，即：532nm通道滤光器中心波长为532nm，589nm通道滤光器中心波长为589nm。
所述采集处理单元19，包含有信号采集装置、计算机和数据处理分析部分。采集装置用于将电信号采集记录为数字回波信号，所述钠温风-瑞利激光雷达系统选用光子计数卡，其通过USB接口或者PCI接口等常用接口和计算机连接；计算机用于记录回波信号并存储内部硬盘介质上；所述数据处理分析部分，分析处理采集的回波信号，反演得到温度、风速和钠原子密度。
所述控制单元20，包含有系统工作时序控制部分系统部件动作控制和环境控制部分。所述系统工作时序控制部分用于协调系统中各个部件，协调钠温风-瑞利激光雷达系统中泵浦激光器、声光调制单元、激光锁频单元、脉冲染料放大器、发射光路单元和所述采集装置按序进行工作；所述系统部件动作控制部分，用于控制发射耦合光路中的光束发射天线和激光波长的闭环控制；环境控制部分，用于控制激光雷达系统所处的温度环境、湿度环境等。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，其特征在于，包括：半导体激光器、第一放大光纤激光器、第一泵浦激光器、光纤分束器、光纤声光调制单元、光纤合束器、第二光纤放大激光器、第二泵浦激光器、第一倍频模块、第二倍频模块、频率锁定模块、百毫焦级的脉冲泵浦激光器、脉冲染料放大器、精密平移台驱动的532nm反射镜、扩束单元、发射光路单元、接收望远镜单元、后继光路单元、采集单元和控制单元；
所述半导体激光器，用于输出几十mW的KHz量级窄线宽1178nm连续种子激光；
所述第一放大光纤激光器，在所述第一泵浦激光器输出的1120nm激光泵浦下，在光纤工作物质中初步放大所述半导体激光器输出的1178nm连续种子激光的功率，输出放大后的1178nm激光；
所述保偏光纤分束器，将所述第一放大光纤激光器放大后1178nm激光分成两路，一路为总功率的10％-20％的1178nm激光用于激光频率锁定，另一路为总功率的90％-80％的1178nm激光用于输入给光纤声光调制部分，用于频率变换；
所述第一倍频晶体，将所述保偏光纤分束器分出的为总功率的10％-20％的1178nm激光倍频为589nm激光，通过钠原子的饱和荧光光谱或吸收光谱由所述激光频率锁定单元精确锁定所述半导体激光器的激光波长；
所述光纤声光调制单元，通过光波和声波相互作用的光纤声光调制器件将较强的1178nm激光序列调制为1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光，序列后的激光脉冲宽度为毫秒级；光纤声光调制单元具体包括：第一光纤声光调制器，第二光纤声光调制器，第一光纤衰减器，第三光纤声光调制器，第二光纤衰减器；
所述第一保偏光纤声光调制器，通过外加射频调制器信号，实现声波对光波频率的调制；第一保偏光纤声光调制器工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，两路端口输出，调制状态改变光波频率+315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一个端口输出，第一保偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第二保偏光纤声光调制器，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，调制状态改变光波频率-315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一端口输出，该第二偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第三保偏光纤声光调制器，同样工作在两种状态，一种是调制状态，另一种是非调制状态，调制状态改变光波频率-315MHz，一个端口输出；非调制状态不改变光波频率，另一端口输出，但不使用，该第三偏光纤声光调制器工作状态通过外部TTL电频控制声光驱动器来实现；
所述第一保偏光纤衰减器，连接于所述第二保偏光纤声光调制器的非调制端口，通过调节改变光功率信号强度；
所述第二保偏光纤衰减器，为手动或电动衰减器，连接于所述第三保偏光纤声光调制器的调制端口，通过手动或电压调节改变光功率信号强度；
所述光纤耦合器，用于将所述第一保偏光纤衰减器的输出、第二保偏光纤衰减器的输出和所述第二保偏光纤声光调制器耦合为一路输出；
所述第二放大光纤激光器，在所述第二泵浦激光器输出的1120nm激光泵浦下，在光纤工作物质中初步放大所述光纤耦合器输出的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光功率；
所述第二倍频晶体，用于将放大后的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光倍频为589.158nm、589.158nm+630MHz、589.158nm-630MHz激光，倍频后的589.158nm及其侧翼三个频率激光作为种子激光输入至所述脉冲染料放大器；
所述脉冲染料放大器，将第二倍频晶体输出的毫秒级的宽脉冲589.158nm及其侧翼的三个频率种子激光，在百毫焦级的脉冲泵浦激光器输出的532nm激光泵浦下，放大为峰值功率兆瓦级的10纳秒级脉冲589.158.158nm及其侧翼的三个频率窄脉冲激光；
所述精密平移台驱动的532nm反射镜，设置于所述泵浦脉冲染料放大器的光路上，进行钠温风探测时，将532nm反射镜快速挪开，使百毫焦级的的脉冲泵浦激光器泵浦所述脉冲染料放大器；进行瑞利温度探测时，将532nm反射镜快速移到光路上，45度角转折到532nm的发射光路上；
所述激光扩束镜，采用伽利略式结构，改变激光雷达的发射激光发散角，使发射激光发散角满足所述接收望远镜视场角要求，532nm和589nm分别设置一个激光扩束镜；
所述发射光路单元，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589.158nm附近三个频率激光光束和532nm激光发射到大气中；
所述接收望远镜单元，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瑞利散射信号共振钠荧光后向散射信号；
所述后继光路单元，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；532nm和589nm回波信号分别通过两路独立探测；所述后继光路单元包含有斩光盘、准直透镜、532nm滤光器、589nm滤光器，汇聚透镜和光电倍增管；
所述采集单元，将电信号采集记录为回波信号，并存储在采集计算机的硬盘上，通过分析处理采集的回波信号，得到温度、风速和钠原子密度；
所述控制单元，包含工作时序控制部分和部件动作控制部分，所述工作时序控制部分用于协调钠温风-瑞利激光雷达系统中泵浦激光器、声光调制单元、激光锁频单元、脉冲染料放大器、发射耦合单元和所述采集装置按序进行工作；所述部件动作控制部分，用于控制发射耦合光路中的光束发射天线。
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