CN112180392B - 一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达，该大气成分探测激光雷达通过色散将飞秒激光在时域上拉伸成宽脉冲的激光，飞秒光谱由于群速度色散映射到展宽的激光脉冲中，经强度调制器时域选通后，完成对预设波长激光的选取，而通过调节强度调制器电驱动信号的延时实现激光波长的扫描。通过激光波长扫描获得特定大气成分的吸收光谱，从而测量获得大气气体成分的浓度。该大气成分探测激光雷达可精确对出射激光的波长任意选通，其选择波长的精度高，并且通过调节滤波器中心波长，可实现多种气体的扫描探测。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达。
背景技术
大气成分的探测在气候学、气象学研究、生化武器的释放、森林火灾的预防以及大气污染的防治等方面具有重要的作用。
目前的探测手段中，单点的探测技术手段包括：差分光学吸收光谱仪(Differential Optical Absorption Spectroscopy，简称DOAS)、非分光气体分析仪(Non-Dispersive Infrared，简称NDIR)、光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-down Spectroscopy，简称CRDS)、非相干宽带腔增强吸收光谱仪(Incoherent Broadband Cavity-EnhancedAbsorption Spectroscopy，简称IBBCEAS)、激光诱导荧光技术(Laser-inducedFluorescence，简称LIF)、紫外-可见分光光度法(Ultraviolet–visible spectroscopy，简称UV-Vis)、可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，简称TDLAS)等等技术，虽然可实现多类气体成分的高精度探测，但是，无法获得气体浓度的空间分布，激光雷达是获得气体浓度高时空分布的有效技术手段。
根据探测机制的不同，气体探测激光雷达可分为差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达等。
目前，最常用的差分吸收激光雷达，其通常采用两个波长的激光，其中一个波长的激光在待测气体上的吸收截面强，另外一个波长的激光在待测气体上的吸收截面弱，通过探测这两路激光回波信号的比值，可确定不同距离处待测气体的成分。
目前，差分吸收激光雷达已实现H2O、CO2、CO、HCI、NH3、NO2、SO2和O3等气体成分的探测，但是，差分吸收激光雷达的缺点在于仅可实现单种气体的成分探测。
基于高光谱分辨的波长扫描激光雷达，通过扫描光谱，可获得不同气体的成分信息，但是，其缺点在于，通过PZT或者马达进行的波长调谐导致出射激光波长需要实时校准和锁定，其系统结构复杂。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达，技术方案如下：
一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达，所述大气成分探测激光雷达包括：飞秒激光器、色散选通装置、激光脉冲放大装置、激光收发装置、大气背景噪声滤波模块、探测装置、信号采集装置和数据处理装置；
其中，所述飞秒激光器用于输出飞秒激光脉冲；
所述色散选通装置用于对所述飞秒激光脉冲进行时域色散，并在时域上对其光谱进行选通，以输出预设波长的第一目标激光脉冲；
所述激光脉冲放大装置用于对所述第一目标激光脉冲的功率进行放大处理，形成第二目标激光脉冲；
所述激光收发装置用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中，并接收大气回波信号；
所述大气背景噪声滤波模块用于对所述大气回波信号进行噪声处理；
所述探测装置用于探测所述大气回波信号，并输出相应的电信号；
所述信号采集装置用于采集所述电信号；
所述数据处理装置用于对所述电信号进行处理，以获得大气气体成分的浓度信息。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述色散选通装置包括：第一光学滤波器、第一强度调制器、色散器件、前置激光放大器、第二光学滤波器和第二强度调制器；
其中，所述第一光学滤波器用于对所述飞秒激光脉冲进行滤波处理，以选择位于气体吸收谱内的飞秒激光；
所述第一强度调制器用于降低所述飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲的重复频率，以提高所述大气成分探测激光雷达的有效探测距离；
所述色散器件用于对所述飞秒激光在时域上进行色散，以实现光谱至脉冲的映射；
所述前置激光放大器用于对色散后的宽脉冲激光进行放大处理，以补偿所述滤波器和所述色散器件所导致的损耗；
所述第二光学滤波器用于对所述宽脉冲激光的光谱进行整形；
所述第二强度调制器用于对整形后的宽脉冲激光在时域上选择预设波长的激光脉冲，即所述第一目标激光脉冲。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述第二光学滤波器为可编程的光学滤波器。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述大气成分探测激光雷达还包括：参数优化装置；
其中，所述参数优化装置用于优化所述第一强度调制器、所述色散器件和所述第二强度调制器的参数，以对选通的激光脉冲的中心波长和光谱宽度进行调控。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述大气成分探测激光雷达还包括：调节装置；
其中，所述调节装置用于调节所述第二强度调制器的延时，实现激光器的扫描，以获得待测气体的吸收谱线，实现气体成分的浓度测量。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述第一光学滤波器还用于对所述飞秒激光的光谱进行选通，以实现不同气体成分的探测。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述飞秒激光器的波长为紫外波段至红外波段。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述探测装置为单光子探测器。
优选的，在上述大气成分探测激光雷达中，所述激光收发装置包括：扩束器和光学望远镜；
其中，所述扩束器用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中；
所述光学望远镜用于接收大气回波信号。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该大气成分探测激光雷达通过色散将飞秒激光在时域上拉伸成宽脉冲的激光，飞秒光谱由于群速度色散映射到展宽的激光脉冲中，经强度调制器时域选通后，完成对预设波长激光的选取，而通过调节强度调制器电驱动信号的延时实现激光波长的扫描。通过激光波长扫描获得特定大气成分的吸收光谱，从而测量获得大气气体成分的浓度。
该大气成分探测激光雷达可精确对出射激光的波长任意选通，其波长选择的精度高、速度快，并且通过滤波器的中心波长，可实现多种气体的扫描探测。
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，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发明的实施例，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为本发明实施例提供的一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的某一位置的时域和频域信号示意图；
图4为本发明实施例提供的另一位置的时域和频域信号示意图；
图5为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图；
图6为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图；
图7为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达的结构示意图，所述大气成分探测激光雷达包括：飞秒激光器1、色散选通装置2、激光脉冲放大装置3、激光收发装置4、大气背景噪声滤波模块5、探测装置6、信号采集装置7和数据处理装置8；
其中，所述飞秒激光器1用于输出飞秒激光脉冲；
所述色散选通装置2用于对所述飞秒激光脉冲进行时域色散，并在时域上对其光谱进行选通，以输出预设波长的第一目标激光脉冲；
所述激光脉冲放大装置3用于对所述第一目标激光脉冲的功率进行放大处理，形成第二目标激光脉冲；
所述激光收发装置4用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中，并接收大气回波信号；
所述大气背景噪声滤波模块5用于对所述大气回波信号进行噪声处理；(具体用于将太阳背景噪声和天空背景噪声滤除，以提高探测的信噪比)。
所述探测装置6用于探测所述大气回波信号，并输出相应的电信号；
所述信号采集装置7用于采集所述电信号；
所述数据处理装置8用于对所述电信号进行处理，以获得大气气体成分的浓度信息。
在该实施例中，该大气成分探测激光雷达通过色散将飞秒激光在时域上拉伸成宽脉冲的激光，飞秒光谱由于群速度色散映射到展宽的激光脉冲中，经强度调制器时域选通后，完成对预设波长激光的选取，而通过调节强度调制器电驱动信号的延时实现激光波长的扫描。通过激光波长扫描获得特定大气成分的吸收光谱，从而测量获得大气气体成分的浓度。
该大气成分探测激光雷达可精确对出射激光的波长任意选通，其波长选择的精度高、速度快，并且通过调节滤波器中心波长，可实现多种气体的扫描探测。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述色散选通装置2包括：第一光学滤波器21、第一强度调制器22、色散器件23、前置激光放大器24、第二光学滤波器25和第二强度调制器26；
其中，所述第一光学滤波器21用于对所述飞秒激光脉冲进行滤波处理，以选择位于气体吸收谱内的飞秒激光；
所述第一强度调制器22用于降低所述飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲的重复频率，以提高所述大气成分探测激光雷达的有效探测距离；
所述色散器件23用于对所述飞秒激光在时域上进行色散，以实现光谱至脉冲的映射；
所述前置激光放大器24用于对色散后的宽脉冲激光进行放大处理，以补偿所述滤波器和所述色散器件所导致的损耗；
所述第二光学滤波器25用于对所述宽脉冲激光的光谱进行整形；
所述第二强度调制器26用于对整形后的宽脉冲激光在时域上选择预设波长的激光脉冲，即所述第一目标激光脉冲。
在该实施例中，通过色散将飞秒激光在时域上拉伸成宽脉冲的激光，宽脉冲的激光经强度调制器时域选通后，完成对特定波长激光的选取，激光的中心波长和带宽由色散量和强度调制器的驱动信号确定。通过扫描出射激光的波长实现对大气气体的吸收谱的测量，从而获得大气气体成分的浓度。该实施例可实现对出射激光中心波长和线宽进行精确控制，从而测量获得气体吸收谱。
可选的，所述第二光学滤波器25为可编程的光学滤波器。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述激光收发装置4包括：扩束器41和光学望远镜42；
其中，所述扩束器41用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中；
所述光学望远镜42用于接收大气回波信号。
在该实施例中，所述光学望远镜42用于接收激光与大气相互作用后的大气回波信号。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达的结构示意图，所述大气成分探测激光雷达还包括：参数优化装置9；
其中，所述参数优化装置9用于优化所述第一强度调制器22、所述色散器件23和所述第二强度调制器26的参数，以对选通的激光脉冲的中心波长和光谱宽度进行调控。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，所述大气成分探测激光雷达还包括：调节装置10；
其中，所述调节装置10用于调节所述第二强度调制器26的延时，实现激光器的扫描，以获得待测气体的吸收谱线，实现气体成分的浓度测量。
进一步的，所述第一光学滤波器21还用于对所述飞秒激光脉冲进行选通，以实现不同气体成分的探测。
进一步的，所述飞秒激光器1的波长为紫外波段至红外波段。
进一步的，所述探测装置6为单光子探测器。
基于本发明上述全部实施例，下面对其具体的工作原理进行阐述说明。
参考图3，图3为本发明实施例提供的某一位置的时域和频域信号示意图。
如图3所示，其相对应图1中的a点，位于第一光学滤波器21和第一强度调制器22之间，其时域上激光脉冲的强度减低了，并且在频域上，激光的光谱范围受到滤波器的调制，用于选出气体吸收谱所对应的波长。
参考图4，图4为本发明实施例提供的另一位置的时域和频域信号示意图。
如图4所示，其相对应图1中的b点，位于第一强度调制器22和色散器件23之间，其频谱没有发生变化，但是飞秒激光脉冲的重复频率降低了，从而有利于激光雷达的长距离探测。
参考图5，图5为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图。
如图5所示，其相对应图1中的c点，位于所述色散器件23之后，其频谱没有发生变化，但是在时域上，由于群速度色散，其脉冲宽度变宽，飞秒光谱在时域上分开，光谱和脉冲形成映射。
参考图6，图6为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图。
如图6所示，其相对应图1中的d点，位于第二光学滤波器25之后，由于激光放大器24对不同波长的响应差异和不同时域信号的响应差异，导致脉冲激光经过激光放大器之后，光谱和脉冲形状发生变化，因此，利用第二光学滤波器25可实现对激光脉冲的光谱进行整形，以便于气体吸收谱线的探测。
参考图7，图7为本发明实施例提供的又一位置的时域和频域信号示意图。
如图7所示，其相对应图1中的e点，位于第二强度调制器26之后，由于脉冲激光在不同时间对应的中心波长不同(λ0、λ1……λn)，因此，通过第二强度调制器26在时域上选通后，可依次选出预设波长的激光脉冲。
目前，强度调制器调制速度在不断提升，特别是基于铌酸锂的强度调制器速度可达到几十GHz，因此，只要输入给强度调制器的驱动足够快，飞秒脉冲的色散足够大，就可以将预设波长的激光选择出来，甚至将飞秒激光脉冲的每个单纵模选择出来。
基于本发明上述全部实施例，该大气成分探测激光雷达通过色散将飞秒激光在时域上拉伸成宽脉冲的激光，宽脉冲的激光经强度调制器时域选通后，完成对特定波长激光的选取，激光的中心波长和带宽由色散量和强度调制器的驱动信号确定，激光波长的扫描则通过调节强度调制器电驱动信号的延时实现。通过扫描出射激光的波长实现对大气气体的吸收谱的测量，从而获得大气气体成分的浓度。该大气成分探测激光雷达可实现对出射激光中心波长和线宽进行精确控制，从而测量获得气体吸收谱。
以上对本发明所提供的一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于色散选通的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述大气成分探测激光雷达包括：飞秒激光器、色散选通装置、激光脉冲放大装置、激光收发装置、大气背景噪声滤波模块、探测装置、信号采集装置和数据处理装置；
其中，所述飞秒激光器用于输出飞秒激光脉冲；
所述色散选通装置用于对所述飞秒激光脉冲进行时域色散，并在时域上对其光谱进行选通，以输出预设波长的第一目标激光脉冲；
所述激光脉冲放大装置用于对所述第一目标激光脉冲的功率进行放大处理，形成第二目标激光脉冲；
所述激光收发装置用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中，并接收大气回波信号；
所述大气背景噪声滤波模块用于对所述大气回波信号进行噪声处理；
所述探测装置用于探测所述大气回波信号，并输出相应的电信号；
所述信号采集装置用于采集所述电信号；
所述数据处理装置用于对所述电信号进行处理，以获得大气气体成分的浓度信息。
2.根据权利要求1所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述色散选通装置包括：第一光学滤波器、第一强度调制器、色散器件、前置激光放大器、第二光学滤波器和第二强度调制器；
其中，所述第一光学滤波器用于对所述飞秒激光脉冲进行滤波处理，以选择位于气体吸收谱内的飞秒激光；
所述第一强度调制器用于降低所述飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲的重复频率，以提高所述大气成分探测激光雷达的有效探测距离；
所述色散器件用于对所述飞秒激光在时域上进行色散，以实现光谱至脉冲的映射；
所述前置激光放大器用于对色散后的宽脉冲激光进行放大处理，以补偿所述滤波器和所述色散器件所导致的损耗；
所述第二光学滤波器用于对所述宽脉冲激光的光谱进行整形；
所述第二强度调制器用于对整形后的宽脉冲激光在时域上选择预设波长的激光脉冲，即所述第一目标激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述第二光学滤波器为可编程的光学滤波器。
4.根据权利要求2所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述大气成分探测激光雷达还包括：参数优化装置；
其中，所述参数优化装置用于优化所述第一强度调制器、所述色散器件和所述第二强度调制器的参数，以对选通的激光脉冲的中心波长和光谱宽度进行调控。
5.根据权利要求2所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述大气成分探测激光雷达还包括：调节装置；
其中，所述调节装置用于调节所述第二强度调制器的延时，实现激光器的扫描，以获得待测气体的吸收谱线，实现气体成分的浓度测量。
6.根据权利要求2所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述第一光学滤波器还用于对所述飞秒激光的光谱进行选通，以实现不同气体成分的探测。
7.根据权利要求1所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述飞秒激光器的波长为紫外波段至红外波段。
8.根据权利要求1所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述探测装置为单光子探测器。
9.根据权利要求1所述的大气成分探测激光雷达，其特征在于，所述激光收发装置包括：扩束器和光学望远镜；
其中，所述扩束器用于将所述第二目标激光脉冲的发散角进行压缩处理后出射至大气中；
所述光学望远镜用于接收大气回波信号。
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