CN112505725A - 探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，以H13C14N气体光谱吸收线作为发射激光波长稳定的基准，Online单元和Offline单元1530±0.8nm的DFB半导体连续波激光，分别被声光调制器斩波成为重复频率10kHz量级、宽度1μs以内的脉冲激光；掺铒光纤放大器提高单脉冲能量至15μJ量级，二倍频器将波长减半为765±0.4nm；轴锥体将圆形截面光束转换成环形截面光束，发射和接收光束共用望远镜。接收通道中采用F‑P标准具，on‑off光频率之差等于它的自由光谱范围的整数倍，回波由硅光子计数器所检测。由差分光学厚度反演大气的压力差。本发明优点在于：激光波长稳定；发射脉冲峰值功率小；背景光得到高效率抑制，信噪比由发射脉冲的高重复频率和回波的光子计数检测而得到补偿。

Description

探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成
技术领域
本发明涉及大气压力垂直廓线的光学遥感仪器，涉及大气压力垂直廓线探 测的激光雷达，尤其涉及到探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲差分吸收激 光雷达。
背景技术
在与大气动力学有关的一系列大气过程中，压力扮演了很重要的角色。例 如气压的水平梯度和地球自转偏向力作为基本力作用于气团，用来推演出平衡 风，天气模式通常用气压等高图来描述。如低气压、高气压、低压槽、高压脊 信息都被引入大气模式。1987年Nuss和Brown就已经指出，对天气模型精度 的主要限制是被输入的大气压力数据地理分布的稀疏性。大气压力数据在大面 积的海洋和南半球的平面分布是十分稀疏的。实际上，内陆大面积的沙漠、戈 壁、甚至高原地区大气压力的观测数据也很稀疏。
固定气象台站，定期释放无线电探空气球来业务化探测大气压力，是当前 气象业务部门精度最高、数据最真实的探测手段，然而航空管制部门对释放探 空气球的时间有严格限制，不能允许全天时持续探测。
国际上空间在轨运行可以遥感大气压力的仪器，也只有日本 GOSAT(GreenhouseGases Observing Satellite)卫星上的TANSO-FTS仪器和美 国OCO(Orbiting CarbonObservatory)-2卫星上的仪器，欧洲Envisa卫星的 MERIS(Medium Resolution ImagingSpectrometer)仪器。但是由于太阳天顶角的 变化以及遥感仪器光谱分辨率的限制，其地球表面压力探测精度还不能满足气 象预报的需要，况且晚上没有太阳光亦不能工作，只是为了遥感大气二氧化碳 柱浓度的混合比，而提供大气密度的参考数据。而全球大气研究计划(Global Atmospheric Research Program)要求地球表面大气压力遥感测量精度达到0.1％， 地基自下而上探测大气压力垂直廓线的精度达到0.3％，这是一项十分艰巨的 任务。
我们通常说某个高度大气的压力是多少，实际上是这个高度的单位面积以 上所有大气分子的重量，某个高度大气的压力也可以说，与这个高度的单位面 积以上所有大气分子的总量成比例关系；氧气是大气的主要成分之一，它在整 个大气层中的混合比是不变的百分数20.95％，因此以氧气作为激光雷达探测 的大气压力的状态气体，那么某个高度处的大气压力就与这个高度之上大气氧 气的光学厚度成对应关系。探测某个高度处的大气压力转换为探测这个高度之 上氧气的光学厚度，探测某个高度处的大气压力与地表大气压力之差，转换为 探测从地表到这个高度的氧气的光学厚度差。
为了排除大气压力之外的因素对大气光学厚度的影响，采用差分吸收激光 雷达，探测某个高度处的大气压力与地表大气压力之差，转换为探测从地表到 这个高度的氧气的双波长光学厚度差(the differential optical depth(DOD))。
Laboratory for Atmospheres，NASA戈达德空间飞行中心的C.Lurence Korb 等专家，1983年提出基于氧气A吸收带凹槽的思想，用差分吸收激光雷达探 测大气压力；Schwemmer等人于1987年阐述了差分吸收激光雷达系统原理， 并采用闪光灯泵浦翠宝石(Alexandrite)激光器发射位于13160cm-1附近的两个 波长，以差分吸收激光雷达探测了大气压力。1989年C.Laurence Korb等人报 道在美国东海岸进行的地基或机载实验，据称获得过垂直分辨率30m、水平分 辨率2km，随机误差2mbr的实验结果，看起来这是一次很大的成功。虽然脉 冲能量达到38mJ，甚至150mJ，但是由于采用氧气的光声光谱的吸收池，作 为发射光波长的参考基准，易受机械振动等干扰，波长的长期稳定性难以保证， 所以持续稳定地工作存在困难。
而如今激光单元技术相比于上个世纪80年代、90年代进步了很多，窄线 宽DFB(分布反馈)激光二极管、掺铒光纤放大器和的性能提高了很多，并得 到大量商业化应用。单纵模连续激光器的光频率稳定技术，周期性极化的准相 位匹配的非线性晶体以及低温漂Fabry-Perot标准具的应用，这些进步都为今 天再发展差分吸收激光雷达探测大气压力廓线提供了前所未有的技术基础。
拟将研发的激光雷达探测仪器，在地基条件下工作，激光束自地面向上发 射，接收来自不同高度的大气后向散射回波，可以反演大气压力的垂直分布廓 线。
对天气模型精度的主要限制是被输入的大气压力数据空间分布的稀疏性。 一方面可以通过在卫星上安置大气压力遥感仪器，卫星沿着轨道运行，遥感仪 器能获得不同地区的大气压力数据；另一方面，在地面网络化布置不需人员值 守、人眼安全的大气压力探测仪器，布置的地点覆盖广大的地球表面，对大气 对流层实施不间断(只要不下雨)观测，对改变大气压力数据地理分布上稀疏、 时间上分布上不连续的不利现状十分有意义。微脉冲激光雷达是其中最有潜力 的选项，当代社会人工智能技术的使用越来越普及，物联网技术越来越进步。 在固定气象台站、固定时间段，人工释放无线电探空气球探测对流层大气压力 的工作方式，很可能会发生根本性转变。
为了实现上述目标，探测大气压力的激光雷达必须做到小型化、成本低廉， 才能网络化普及；其次，激光脉冲能量不能大，延长激光脉冲的时间宽度，也 即激光脉冲峰值功率不能高，才能保证人眼安全；微处理器自动处理数据和管 理系统，无需人工值守。
发明内容
鉴于以往探测大气压力光学方法的不足，以及当今激光单元技术的进步， 本发明主要解决的技术问题：(1)降低激光脉冲能量和功耗、缩小体积、压缩 探测系统的成本，便于广覆盖、全球网络化布置，从而可以增加大气压力数据 的地理上分布密度；(2)一定要保持被选择的工作波长对，长期稳定，放弃曾 经采用的氧气分子光声光谱吸收池的方法，重新考虑差分吸收激光雷达双波长 的稳定方法；(3)通过微处理器管理系统，便于智能化无人值守，为替代当前 气象台站需要人工释放无线电探空气球的传统工作方式。
从氧气分子A吸收带(759nm-770nm)吸收线之间的凹槽区，选择合适的 波长对(On波长/Off波长)，它们关于氧气的吸收系数对大气压力敏感、而对 大气温度相对不太敏感，譬如谱线P13Q12(764.6296nm)和谱线 P13P13(764.7407nm)之间凹槽区764.6849nm处(吸收系数1.02×10-6cm-1温度 T＝296K，压力p＝1atm)，或者谱线P14Q13(765.11346nm)和谱线P14P14 (765.22375nm)之间凹槽区765.1662nm处(吸收系数1.06×10-6cm-1温度 T＝296K，压力p＝1atm)，它们可以作为探测波长on波长；764.9031nm处的吸 收系数(3.81×10-9cm-1，T＝296K，p＝1atm)，或者765.3804nm处的吸收系数 (2.85×10-9cm-1，T＝296K，p＝1atm)较小，可以作为比对波长off波长，on激光 和off激光对氧气的吸收系数差别明显，经过一定的相同垂直路径产生的光学 厚度就会有差别，而这种差别就反映了垂直路径的首尾两端的大气压力之差。 连续波on激光波长764.6849nm、或者765.1662nm和off激光波长764.9031nm、 或者765.3804nm是十分不容易被稳定地控制的。
一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成包括：DFB 半导体连续波激光on稳频单元1，DFB半导体连续波激光off稳频单元2，第 一1×1开关3，第二1×1开关4，2×1选通开关5，光隔离器6，声光调制器及 其驱动器7，掺铒光纤放大器8，二倍频器9，扩束器10，轴锥体11，中心过 孔的45°平面反射镜12，会聚透镜13，光阑14，发射/接收望远镜15，输入/ 输出窗口16，带通滤光片17，Fabry-Perot标准具18，窄带滤光片19，场透 镜20，多模光纤21，单光子计数器模块22，多通道数据累积器23，脉冲发生 器24，微处理器25，数字开关驱动器26。
H13C14N气体吸收谱线R22的波长为1529.376588nm，与on波长 764.6849nm波长的两倍1529.3698相比，只相差0.0068nm，相当于后者的激 光频率仅高于前者872.890MHz；另一个选择，谱线R20的波长为1530.3064nm， 与on波长765.1662nm的两倍1530.3324nm相比，也只相差0.026nm，相当于 后者的激光光频仅小于前者3.331GHz；
H13C14N气体吸收谱线R21的波长为1529.836645nm、它与off波长 764.9031nm波长的两倍1529.8062nm相比，前者多0.0300445nm，相当于后者 光频率仅比前者高出3.798GHz；或者R19的波长为1530.7858nm，与off波长 的两倍1530.7608nm相比，后者少0.025nm，相当于后者光频率仅比前者高出 3.213GHz；
当第一DFB激光二极管1-2波长等于H13C14N氰化氢分子吸收线R22、 R20中心波长时，第一低通滤波器1-12输出的误差信号为0.0；一旦当第一DFB 激光二极管1-2波长偏离H13C14N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长 时，第一低通滤波器1-12输出直流误差信号，伺服单元1-13据此误差信号， 去调节第一DFB激光二极管1-2的注入电流，输出补偿信号给热电温度控制 器1-14，改变第一DFB激光二极管1-2的工作温度，使其波长回归H13C14N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长。被锁定的第一DFB激光二极管 1-2的波长，成为第二DFB激光二极管1-16偏频锁定的基准波长。
第一耦合器1-3和第三耦合器1-18分别从第二DFB激光二极管1-16和第 一DFB激光二极管1-2各取样一小部分激光由第一平衡探测器1-19外差检测 出这两个激光的频差信号，此差频信号被第一分频器1-21作8、或32倍分频， 分频以后的射频信号与直接数字频率合成器1-23合成的基准射频信号在相敏 检波器1-24处相遇，相敏检波器1-24输出上面两个射频信号的相位差，第二 伺服单元1-25据此相位差，生成修正信号，调节第二DFB激光二极管1-15的 注入电流，改变第二热电温度控制器1-25工作温度，使得第二DFB激光二极管1-16和第一DFB激光二极管1-2连续波激光之间，频率之差稳定在 872.18MHz、或者3.331GHz，也即它们之间的波长之差稳定在6.8pm、或者26pm。
DFB半导体连续波激光off单元2，包括第三DFB激光二极管稳恒电流 驱动器2-1、第三DFB激光二极管2-2、第四耦合器2-3、第二相位调制器2-4、 第二H13C14N氰化氢气体分子吸收池2-5、第二InGaAs光探测器2-6、第二跨 阻放大器2-7、第二带通滤波器2-8、第二混频器2-9、第二射频移相器2-10、 第二射频振荡器2-11、第二低通滤波器2-12、第三伺服单元2-13、第三热电温 度控制器2-14，以及第四DFB激光二极管稳恒电流驱动器2-15、第四DFB 激光二极管2-16、第五耦合器2-17、第六耦合器2-18、第二平衡探测器组件 2-19、第二限制性放大器2-20、第二分频器2-21、第二基准高频振荡器2-22、 第二直接数字频率合成器2-23、第二相敏检波器2-24、第四伺服单元2-25、第 四热电温度控制器2-26。
第三DFB激光二极管2-2的连续波激光，受到波导相位调制器2-4的调制， 当第三DFB激光二极管2-2激光波长等于氰化氢分子吸收线R21、或者R19 中心波长时，第二低通滤波器2-12输出的误差信号为0.0；一旦当第三DFB 激光二极管2-2波长偏离氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长时，第二 低通滤波器2-12输出误差信号，伺服单元2-13据此误差信号，调节第三DFB 激光二极管2-2注入电流，通过热电温度控制器2-14去调整第三DFB激光二 极管2-2的工作温度，使其波长回归氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波 长。被锁定的第三DFB激光二极管2-2的波长，成为第四DFB激光二极管2-16 偏频锁定的基准波长。
第四耦合器2-3和第六耦合器2-18分别从第三DFB激光二极管2-2和第 四DFB激光二极管2-16各取样一小部分激光，由第二平衡探测器2-19外差检 测出这两个激光的频差信号，差频信号被第二分频器2-21作32倍分频，分频 以后的射频信号与直接数字频率合成器2-23合成的射频在相敏检波器2-24处 相遇，相敏检波器2-24输出两个射频信号间的相位差，第四伺服单元2-25基 于相位差生成修正信号，调节第四DFB激光二极管2-16的注入电流，改变第 四热电温度控制器2-26工作温度，使得第四DFB激光二极管2-16和第三DFB激光二极管2-2连续波激光之间，频率之差稳定在3.897GHz、或者3.213GHz， 也即波长之差稳定在30.04pm、或者25pm。
波长稳定的DFB半导体连续波激光on单元1和DFB半导体连续波激光 off单元2经过1×1开关3和1×1开关4、on-off选通的2×1开关5，分别被声 光调制器7斩波成为重复频率10kHz量级、脉冲宽度1μs以内的脉冲激光，此 小能量的脉冲激光再经过掺铒光纤放大器8提高单脉冲能量，能量提高之后的 脉冲激光，再由二倍频器9转换成764.6849/764.9031nm，或 765.1662/765.3804nm的脉冲激光对，最终脉冲激光能量达15μJ量级；脉冲发 射激光束经过扩束器10变成平行光束，此后的一对轴锥体11将横截面为圆形 斑的平行光束变成横截面为圆环斑的平行光束，平行光束无阻挡地穿过45°平 面反射镜12的中心过孔，而被聚焦透镜13会聚于望远镜15的焦点处，此焦 点处设置光阑14，从焦点处发射的激光束经过接收望远镜15、也是终极扩束 器后，发散角显著地减小了，从窗口16输出。
后向散射回波光束透过窗口16，被望远镜15收集于焦点处，回波光束从 焦点处发散，经过透镜13还原成横截面为环形斑的平行光束，回波光束直径 大于发射光束直径，平行光束被中心过孔的45°平面反射镜12的周边表面反射， 平行光束穿过带通滤波片17、F-P标准具18，窄带滤波片19，on/off光频率之 差等于F-P标准具18的自由光谱范围的整数倍，带通滤波片17的带宽大于窄 带滤波片19，透过来的on/off回波光束被场镜20汇入多模光纤21，由硅雪崩 二极管-单光子计数器模块22探测回波的强度；多个发射脉冲激发的不同高度 的后向散射光被单光子计数器模块22检测的计数被多通道累积器23按不同的 通道累积起来，每个通道代表一个可分辨的时间单元τ(可分辨的垂直距离ΔR)， 最终累积的数据传送给微处理器25。微处理器25处理来自多通道数据累积器 23传来的数据，不同高度氧气吸收截面HITRAN数据库储存在微处理器中， 计算差分光学厚度，反演光柱两端的大气压力差。
脉冲发生器24为声光调制器7的射频驱动器提供斩波脉冲，也为多通道 数据累积器23提供触发脉冲；微处理器25接收来自多通道数据累积器23传 来的数据，并且指令开关驱动器26，开关驱动器26为1×1开关、1×2选通开 关提供必要高电平和低电平。
激光雷达发射系统所用器件都属于光纤通信系统C波段的器件，光纤通信 产业规模压低了激光雷达在该波段的相关器件成本。还因为目标探测激光雷达 (如无人驾驶汽车激光传感器)的开发、乃至逐步走向成熟，单光子计数器也 将不再是价格昂贵的模块。
无论的激光波长的自动控制，还是回波探测的光子计数，都有伺服系统和 微处理器自动处理，为实现无人值守准备了条件。
表1本专利中作为候选的两组on-off波长的有关参数比照
Figure BDA0002700162440000091
以下结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1激光二极管发射online连续波激光波长被锁定在1529.3698nm/或者1530.3324nm上的锁定单元组成路线图。
图2激光二极管发射offline连续波激光波长被锁定在1529.8062nm/或者1530.7608nm上的锁定单元组成路线图。
图3探测对流层大气压力的微脉冲激光雷达系统组成。
图4 764.7nm附近，13km水平距离在不同气压下的光学厚度的线型。
图5氰化氢H13C14N气体2ν3转动–振动谱带。
具体实施方式
如图1下半部分所示，它是DFB(分布反馈)激光二极管1-2(EM253-040-YY1， EM4，Inc.)的波长被锁定在H13C14N气体R22、或者R20吸收谱线上的基准单元。 包括第一DFB(分布反馈)激光二极管的稳恒电流驱动器1-1、第一DFB激光二 极管1-2、第一光纤耦合器1-3、第一波导相位调制器(铌酸锂波导电光相位调制 器，Thorlabs，LN65S-C，含热电温度控制器)1-4、第一H13C14N气体分子吸收 池1-5(Wavelength Reference，USA)、第一InGaAs光探测器1-6(中国电子科技集 团公司44研究所)、第一跨阻放大器1-7、第一带通滤波器(中心频率
Figure BDA0002700162440000101
)1-8、第一 混频器1-9(Mini-Circuits)、第一射频移相器1-10(Mini-Circuits，JSPHS-150+)、 第一射频信号振荡器1-11(频率
Figure BDA0002700162440000102
＝氰化氢气体吸收谱线的频宽)、第一低通滤波 器1-12(Mini-Circuits)、第一伺服单元1-13、第一激光二极管热电温度控制器 1-14部件。
第一DFB激光二极管1-2在第一稳恒电流驱动器1-1和第一温度控制器 1-14的驱动下，发射1529.3698nm、或者1530.3324nm附近的连续波激光，连 续波激光被第一光纤耦合器1-3按90/10的比例分成两部分，其中10％的连续波 激光被送往第二个DFB激光二极管1-16的online稳频单元，作为它的稳频单 元的基准激光。90％的连续波激光用于第一个DFB激光二极管1-2本身的稳频， 通过第一(电光)相位调制器1-4，调制射频信号的频率
Figure BDA0002700162440000103
近似等于气体吸收 池温度压力条件下，基准光谱线R22(或者R20)的线宽，被调制后的连续波激光
Figure BDA0002700162440000104
可以被分解成以贝塞尔级数为振幅的多个单频分量的叠加，一阶分量包括三个单一频率的连续波激光分量，其中间的分量与第一DFB激光二极 管1-2的连续波激光J0(β)eiωt(载波)原频率ω一致，第一个边频激光分量
Figure BDA0002700162440000105
的光频率等于载波角频率ω减去调制波角频率
Figure BDA0002700162440000106
第二个边频激光 分量
Figure BDA0002700162440000107
的光频率等于载波角频率ω加上调制波角频率
Figure BDA0002700162440000108
两个边频的 电场强度振幅相等，调制因子β＝2.5；三个连续波单频激光进入第一H13C14N的 气体分子吸收池1-5(15cm长，气压3.3kPa/25Torr)被H13C14N分子吸收之后， 由第一InGaAs光探测器1-6相干检测，第一光探测器1-6输出三个单频分量之 间、两两相干后的射频电信号，此射频信号被第一跨阻放大器1-7放大后，还 经过第一带通滤波器1-8(通带的中心角频率
Figure BDA0002700162440000109
)。如果第一DFB激光二极管 1-2的连续波激光(载波)波长正好等于H13C14N分子的气体分子R22(或者R20) 吸收线的中心波长，那么被H13C14N分子吸收之后的两个边频分量电场的振幅 相等、方向相反，第一探测器1-6输出两个偏频分量各自与基波分量相干之后 的
Figure BDA0002700162440000111
射频信号，正好抵消了，只会输出振幅很小的
Figure BDA0002700162440000112
的射频信号，经 过第一跨阻放大器1-7和第一带通滤波器1-8剔除振幅很小的
Figure BDA0002700162440000113
的射频信 号，低通滤波器输出的误差信号零；如果第一DFB激光二极管1-2的连续波激 光(载波)波长偏离H13C14N气体分子R22(或者R20)吸收峰中心波长，那么被 吸收之后的两个一阶边频分量电场的方向相反、振幅不再相等，第一光探测器 1-6除了输出
Figure BDA0002700162440000114
的小振幅射频信号，还输出
Figure BDA0002700162440000115
的射频信号，而且此
Figure BDA0002700162440000116
射频信号的振幅，与H13C14N气体分子R22(或者R20)吸收峰波长和第一DFB 激光二极管1-2的连续波激光(载波)波长间的差值相对应；经过第一跨阻放 大器1-7放大、第一带通滤波器1-8，可以剔除其中振幅很小的
Figure BDA0002700162440000117
分量， 剩下的
Figure BDA0002700162440000118
射频信号；原第一射频振荡器1-11生成的调制射频信号(角频率
Figure BDA0002700162440000119
)，经过第一移相器1-10之后，与第一带通滤波器1-8输出的射频信号在第 一混频器1-9处相遇，两个射频信号混频、并且由第一低通滤波器1-12过滤之 后，剩下的直流信号与第一跨阻放大器1-7放大输出的射频信号当中
Figure BDA00027001624400001110
分量 的振幅成正比，剩下的直流信号就可以被看成负反馈控制环的误差信号，它反 映了H13C14N分子的气体分子R22(或者R20)吸收线和第一DFB激光二极管1-2 的连续波激光(载波)间的光频差。误差信号经过第一伺服单元(PI-Proportional Integral(比例积分))1-13生成调整信号，快速(Proportional比例)改变第二 DFB激光二极管1-2的注入电流(由1-1提供的恒定注入电流+由1-13提供的 可调节注入电流)，并通过第一热电温度控制器1-14慢(Integral积分)调节第 一DFB激光二极管1-2的工作温度，使第一DFB激光二极管1-2的连续波激光 频率逼近H13C14N气体分子的R22(或者R20)吸收峰光频率。
如图1所示上半部分，它是第二DFB激光二极管1-16的激光频率与第一 个DFB激光二极管1-2的频率之差872.890MHz/或者3.331GHz被精确锁定的 单元，即第二DFB激光二极管1-16的激光波长与第一DFB激光二极管1-2的 激光波长之差，被精确地锁定在6.8pm/或者26pm的单元。它由第二DFB激光 二极管的稳恒电流驱动器1-15、第二DFB激光二极管1-16、第二光纤耦合器 1-17、第三光纤耦合器1-18、第一平衡探测器(NewFocus1591，DC to4.5Gz带 宽)1-19、第一限制性放大器1-20、第一分频器(8/或者32分频)1-21、第一时钟 振荡器1-22(990MHz)、第一直接数字频率合成器1-23(109.MHz/或者104.09 MHz)、第一相敏检波器1-24(Hittite，Microwave Corporation，HMC984LP4E)、 第二伺服单元1-25、第二激光二极管热电温度控制器1-26组成。
图1上半部分所示的单元，通过第一光纤耦合器1-3和第三光纤耦合器1-18， 由第二DFB二极管激光器1-16与已经被波长锁定的第一个DFB二极管激光器 1-2各取出一小部分激光相混叠，被第一平衡探测器1-19(NewFocus1591，DC to 4.5GHz Bandwidth)所外差检测，输出第二DFB二极管激光器1-16与已经被 锁定的第一DFB二极管激光器1-2之间的差频振荡信号，差频信号经过第一限 制性放大器1-20和第一分频器1-21之后，被分频(8/或者32倍，HITTITE， Microwave Corporation)后的射频信号与第一直接数字频率合成器(AD9858)1-23 生成的射频信号(109MHz/或者104.09MHz)在相敏检波器(HittiteMicrowave Corporation，HMC984LP4E)1-24处相遇，相敏检波器1-24检出这两个射频之 间的相位差信号，并送给伺服单元1-25，伺服单元1-25基于此相位差，输出温 度慢调节信号给第二激光二极管的热电控制器(TEC)1-26，并快速调节第二 个DFB二极管激光器1-16的注入电流(1-15注入的稳恒电流+负反馈电流)， 这样的负反馈控制环将1-2和1-16这两个二极管激光的波长之差6.8pm(光频 差109MHz×8倍＝872MHz)/或者26pm(光频差104.08MHz×32倍＝3.331GHz) 稳定住，那么第二个DFB二极管激光器就可以锁定在氧气的A带764.6849nm(或 者765.1662nm)探测波长(on波长)的两倍1529.3698nm(或者1530.3324nm)。其 中，第一直接数字频率合成器1-23主要以AD9858芯片(AD9858,AnalogDevices, Inc.)为核心，图1当中高频振荡器1-22(990MHz)为直接数字频率合成器 1-23(109MHz/或者104.08MHz)提供参照时钟。
如图2所示的下半部分，它是第三DFB激光二极管2-2的波长锁定在H13C14N 气体分子R21(或者R19)吸收谱线上的基准单元；包括第三激光二极管的稳恒电 流驱动器2-14、第三DFB激光二极管2-2、第三光纤耦合器2-3、第二(电光)波 导相位调制器(Thorlabs，LN65S-C，含热电温度控制器)2-4、第二H13C14N气 体分子吸收池2-5(WavelengthReference，USA)、第二InGaAs光探测器2-6、第二 跨阻放大器2-7、第二带通滤波器2-8、第二混频器2-9、第二射频移相器2-10、 第二射频信号发生器2-11(频率Ω)、第二低通滤波器2-12、第三伺服单元2-13、 第三热电温度控制器2-14组成。
图2所示的下面半部分，第三DFB激光二极管2-2在第三稳恒电流驱动器 2-1和第三温度控制器2-14的驱动下，发射1529.8062nm/或者1530.7608nm附 近的连续波激光，连续波激光被第四光纤耦合器2-3按90/10的比例分成两部分， 其中10％的连续波激光被送往第四个DFB激光二极管2-16的offline稳频单元， 作为它的稳频单元的基准激光。90％的连续波激光通过(电光)相位调制器2-4 (调制波频率Ω)，被调制后的连续波激光，可以被分解成多阶贝塞尔级数为 振幅的单频分量的叠加，三个一阶单一频率的连续波激光分量，中间的分量与 第三DFB激光二极管2-2的连续波激光(载波)原频率ω′一致，第一个边频激光分量的光频率等于载波频率ω′减去调制波频率Ω，第二个边频激光分量的光 频率等于载波频率ω′加上调制波频率Ω；被第二(电光)波导相位调制器2-4 调制后而形成的三个连续波、单频激光进入第二H13C14N的气体分子吸收池2-5 (15cm长，氰化氢气压3.3kPa/25Torr，Reference Wavelength，USA)，三个 单频激光分量被H13C14N分子吸收之后，由第二InGaAs光探测器2-6相干检测， 而第二探测器2-6输出三个单频分量之间、两两相干后的射频电信号，此射频 信号还被第二跨阻放大器2-7放大。如果第三DFB激光二极管2-2的连续波激 光(载波)波长正好等于H13C14N分子的气体分子R21(或者R19)吸收线的中心 波长，那么被H13C14N分子吸收之后的两个一阶边频分量电场的振幅相等、方 向相反，它们与载波相干出来的sinΩt射频信号正好抵消了，第二光探测器2-6 只会输出振幅很小的cos2Ωt的射频信号，射频信号sinΩt的振幅为零，低通滤 波器2-12输出的误差信号为0.0；如果第三DFB激光二极管2-2的连续波激光 (载波)波长偏离H13C14N气体分子R21(或者R19)吸收峰中心波长，那么被吸 收之后的两个一阶边频分量电场的方向相反、振幅不再相等，第二光探测器2-6 除了输出cos2Ωt的小振幅射频信号，还输出sinΩt的射频信号，而且此sinΩt的射频信号的振幅，与H13C14N气体分子R21(或者R19)吸收峰波长和第三DFB 激光二极管2-2的连续波激光(载波)波长间的差值相对应；第二跨阻放大器 2-7放大输出的射频信号当中，包含很小的cos2Ωt分量和sinΩt分量，第二带通 滤波器2-8剔除小振幅的cos2Ωt分量，原第二射频振荡器2-10生成的射频调制 信号(频率Ω)，经过第二移相器2-9之后，与第二带通滤波器2-8输出的射频 信号在第二混频器2-11处混频，混频之后再由第二低通滤波器2-12过滤之后， 剩下的直流信号与第二跨阻放大器2-7放大输出的射频信号当中sinΩt分量的振 幅成正比，剩下的直流信号就可以被看成负反馈控制环的误差信号，它反映了H13C14N分子的气体分子R21(或者R19)吸收线和第三DFB激光二极管2-2的连 续波激光(载波)间的光频差。误差信号经过第三伺服单元2-12，改变第三DFB 激光二极管2-2的注入电流，通过第二热电温度控制器2-13调节第三DFB激光 二极管2-2的被控温度，使第三DFB激光二极管2-2的连续波激光频率逼近 H13C14N分子的气体分子R21(或者R19)吸收峰光频率。
图2所示上半部分是第四个DFB激光二极管2-15的激光频率与第三个DFB 激光二极管2-2的频率之差精确地锁定在3.897GHz/或者3.213GHz，也即第四 DFB激光二极管2-14的激光波长与第三DFB激光二极管2-2的波长之差，精 确地锁定在30.0445pm/或者25pm的单元。它包括第四DFB激光二极管2-16、 第四DFB激光二极管的稳恒电流驱动器2-15，第五耦合器2-17、第六耦合器 2-18、第二平衡探测器2-19(NewFocus1591，DC to 5.5GHzBandwidth)、第二 限制性放大器2-20、第二分频器(32分频，HITTITE，MicrowaveCorporation)2-21、 时钟振荡器2-22(990MHz)、第二直接数字频率合成器2-23(121.78MHz/或者 100.41MHz，AD9858,Analog Devices,Inc.)、第二相敏检波器(HittiteMicrowave Corporation，HMC984LP4E)2-24、第二伺服单元2-25、第二激光二极管热电 温度控制器2-26组成。
如图2上半部分所示，通过第四光纤耦合器2-17和第六光纤耦合器2-18， 由第四DFB二极管激光器2-16与已经被锁定的第三个DFB二极管激光器2-2 各取出一小部分激光混叠，第二平衡探测器2-19(NewFocus1591，DC to 5.5Gz 带宽)外差检测后输出第四DFB二极管激光器2-16与已经被锁定的第三DFB 二极管激光器2-2之间的差频振荡信号，差频振荡信号经过第二限制性放大器 2-20和第二分频器2-21(32分频)之后，被分频后的射频信号与第二直接数字频 率合成器2-23生成的射频信号(121.78MHz/或者100.41MHz)在第二相敏检波器 (Hittite Microwave Corporation，HMC984LP4E)2-24处相遇，第二相敏检波器2-24检出它们的相位差信号送给伺服单元2-25，伺服单元2-25据此相位差信号 输出温度慢调节信号给第四DFB激光二极管的第四热电控制器2-26、并快速调 节第四DFB二极管激光器的注入电流(2-15提供的稳恒注入电流+伺服单元2-25 提供的误差电流)，这样的负反馈控制环将2-2和2-16这两个二极管激光的波 长之差30.0445pm(光频差121.78MHz×32倍＝3.897GHz)/或者25pm(光频差 100.41MHz×32倍＝3.213GHz)稳定住，那么第四DFB二极管激光器就可以锁 定在氧气A带吸收的764.9031nm/或者765.3804nm参考波长off波长的两倍 1529.8062nm/或者1530.7608nm。其中，第二直接数字频率合成器2-23主要以AD9858芯片为核心，图2当中高频振荡器2-22(990MHz)为直接数字频率合成 器2-23(121.78MHz/或者100.41MHz)提供参照时钟。
如图3所示，探测大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达大致包括发射系统、 接收系统和控制系统。
发射系统由1-16DFB二极管激光器的探测波长online的稳定单元1，2-16 DFB二极管激光器的参考波长offline的稳定单元2，1×1开关3，1×1开关4， 2×1选通开关5，光隔离器6、声光调制器及其驱动器7，C波段光纤放大器8、 二倍频器9、第一级扩束器10、一对轴锥体11、中心开孔的45°平面反射镜12、 聚焦透镜13、光阑14、望远镜(也是终级扩束器)15、窗口16。
接收系统包括窗口16、望远镜15、光阑14、会聚透镜13、中心过孔的45° 平面反射镜12、高透过率带通滤波片17、F-P标准具18、窄带滤波片19、场镜 20、多模光纤21、硅雪崩二激光-单光子探测器模块22、多通道数字累计器23。
控制系统，以微处理器25为核心、也包括伺服单元1-13、伺服单元1-25、 伺服单元2-13、伺服单元2-25、数字开关驱动器26、脉冲发生器24，以及多通 道数字累加器23。
1-16第二DFB二极管激光器的on单元1发出连续波激光，2-16第四DFB 二极管激光器的off单元2发出连续波激光，经过1×1开关3、1×1开关4、以 及2×1选通开关5，再经过光隔离器6使得连续波激光只能单向传输，on/off连 续波激光分别传送给声光调制器及其射频驱动器7，连续波激光被斩波成重复 频率10kHz量级、时间宽度不大于1μs的脉冲激光，此脉冲激光被C波段掺铒 光纤放大器8放大其脉冲能量至80μJ，能量提高后的脉冲激光，经过准相位匹 配的非线性晶体倍频器9(周期性极化铌酸锂晶体)后，波长减半；倍频器9 的转换效率20％-40％，不低于15％，因此764.6849/764.9031nm、或者 765.1662/765.3804nm脉冲激光的单脉冲能量一般在15μJ量级。
脉冲激光束经过第一级伽利略扩束器10，变成近乎平行的光束，在一对(两 个)轴锥体11作用下，横截面为圆形光斑的光束变成横截面为环形斑的光束， 近似平行的环形斑光束穿过45°平面反射镜12的中心置孔(孔的正投影是圆环) 之后，被透镜13会聚在牛顿望远镜15的焦点上，光束再由焦点出发进入牛顿 望远镜15，发射光束得到牛顿望远镜15第二级扩束(准直)，最大限度地减 小发散角；轴锥体11和透镜13的表面均镀上，针对765nm附近谱段的减反射 膜；最后光束透过窗口16进入大气。
光束在对流层大气中行进过程中，不断产生Mie后向散射和Rayleigh后向 散射，后向散射光又透过窗口16，被牛顿望远镜15收集于焦点处，焦点外设 置光阑14，调节光阑孔径即可改变接收视场；后向散射光束横截面依然是环形 光斑；从焦点回传的回波光经过透镜13又变成近平行光束，但回波光束直径 大于发射光束直径，这一圆环截面的平行光束被中心过孔的45°反射镜的周边 反射；中心过孔的45°反射镜实现了收/发的完全隔离和切换。
被反射回波依次穿过带通滤光片17、F-P标准具18、窄带滤波片19，平 行光束经过场镜20会聚进入多模光纤21，并导入硅雪崩二极管-单光子探测计 数模块22，光子计数的数据进入多通道数字累计器23，23-1是单光子计数器 的计数进入多通道数字累计器23的输入端，23-2是脉冲发生器的同步信号输 入端，23-3是多通道数字累计器23的数据输出端，此数据送给微处理器25。 接收单元中使用F-P标准具18，接收光on、off光频率之差等于此F-P标准具 18的自由光谱范围的整数倍，λoff-λon＝mλoffλon/(2nh)，n标准具材质的折射率，h 标准具的几何厚度，m是整数。回波激光被多模光纤21传导给以硅雪崩二极 管为核心的单光子计数器22，为单光子计数器22设置合适的电平阈值，当单 光子计数器22生成的脉冲电平大于某个阈值，我们就认为这个电脉冲是由于 光子照射硅雪崩二极管而产生的、并予以记录；当单光子计数器生成的电脉冲 电平明显低于这个阈值，我们就认为这个电脉冲是由于各类噪声而产生的将不 予记录。每一个发射激光脉冲行进至不同高度，都激发出大气后向散射，而来 自不同高度间隔ΔR的光子计数，被送给多通道累计器23的对应通道中，也即 同一个时间段τ内，光脉冲数在同一个通道累积存储而被记录下来。每个通道 代表一个可分辨的时间单元τ，一个可分辨的垂直距离单元ΔR。
单光子计数器模块22探测的多个发射脉冲激发的大气散射回波光子计数 被多通道累积器23按不同的通道(对应光脉冲到达的不同高度/光脉冲到达的 不同时间)累积起来，最终累积的数据传送给微处理器25。
微处理器25处理来自多通道数据累积器23传来的数据，处理的步骤包括 数据预处理(平滑去噪、估计基线、减去基线)、不同高度氧气吸收截面HITRAN 数据库储存在微处理器中，计算差分光学厚度(数值积分)、反演激光脉冲发 射高度-激光后向散射高度之间的大气压力差。
脉冲发生器24为声光调制器7的射频驱动器提供斩波脉冲，也为多通道 数据累积器23提供触发脉冲，使得激光脉冲发射与多通道数据累积器23触发 保持同步；微处理器25接收来自多通道累积器23传来的数据，并且指令开关 驱动器26，开关驱动器26为1×1开关3和1×1开关4、1×2选通开关5提供 必要高电平和低电平。

Claims (3)

1.一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，包括DFB半导体连续波激光on单元(1)，DFB半导体连续波激光off单元(2)，第一1×1开关(3)，第二1×1开关(4)，2×1选通开关(5)，光隔离器(6)，声光调制器及其驱动器(7)，掺铒光纤放大器(8)，二倍频器(9)，扩束器(10)，轴锥体(11)，中心过孔的45°平面反射镜(12)，会聚透镜(13)，光阑(14)，发射/接收望远镜(15)，输入/输出窗口(16)，带通滤光片(17)，F-P标准具(18)，窄带滤光片(19)，场透镜(20)，多模光纤(21)，硅单光子计数器模块(22)，多通道数据累积器(23)，脉冲发生器(24)，微处理器(25)，数字开关驱动器(26)，其特征在于：
以H13C14N氰化氢气体分子的光谱吸收线作为波长锁定的基准，所述的DFB半导体连续波激光on单元(1)当中的DFB半导体连续波激光的波长和DFB半导体连续波激光off单元(2)当中的DFB半导体连续波激光的波长保持着长期稳定；
所述的波长锁定的DFB半导体连续波激光on单元(1)和DFB半导体连续波激光off单元(2)经过1×1开关(3)和1×1开关(4)、on-off选通的2×1开关(5)，分别被声光调制器(7)斩波成为重复频率10kHz量级、脉冲宽度1μs以内的脉冲激光，脉冲激光再经过掺铒光纤放大器(8)提高脉冲能量，能量提高之后的脉冲激光对，再由二倍频器(9)转换成764.6849/764.9031nm，或765.1662/765.3804nm的脉冲激光对，最终脉冲激光能量达15μJ量级；发射激光束经过扩束器(10)变成平行光束，一对轴锥体(11)将横截面为圆形斑的平行光束变成横截面为圆环斑的平行光束，平行光束穿过45°平面反射镜(12)的中心过孔，而被聚焦透镜(13)聚于望远镜(15)的焦点处，此焦点处设置光阑(14)，从焦点处发射的激光束经过望远镜(15)、也是终极扩束(准直)器后，从窗口(16)输出；
所述的后向散射回波光束透过窗口(16)，被接收望远镜(15)收集于焦点处，回波光束从焦点处发散，经过透镜(13)还原成横截面为环形斑的平行光束，回波光束直径大于发射光束直径，回波光束被中心过孔的45°平面反射镜(12)的周边表面反射，被反射光束穿过一个带通滤波片(17)、一个F-P标准具(18)，一个窄带滤波片(19)，on/off光频率之差等于F-P标准具(18)的自由光谱范围的整数倍，透过来的on/off回波光束被场镜(20)汇入多模光纤(21)，由硅雪崩二极管-单光子计数器模块(22)探测回波的强度；多个发射脉冲激发的不同高度的后向散射光由硅单光子计数器模块(22)检测的计数，被多通道数据累积器(23)按不同的通道累积起来，最终累积的数据传送给微处理器(25)；不同高度氧气吸收截面HITRAN数据库储存在微处理器(25)中，微处理器(25)处理来自多通道数据累积器(23)传来的数据，计算差分光学厚度，反演垂直路径两端的大气压力差；
所述的脉冲发生器(24)为声光调制器(7)的驱动器提供斩波脉冲，也为多通道数据累积器(23)提供触发脉冲；微处理器(25)接收来自多通道数据累积器(23)传来的数据，并且指令开关驱动器(26)，为1×1开关(3)和1×1(4)、2×1选通开关(5)提供必要高电平和低电平。
2.根据权利要求1所述的一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，其特征在于：
所述的DFB半导体连续波激光on单元(1)包括第一DFB激光二极管稳恒电流驱动器(1-1)、第一DFB激光二极管(1-2)、第一光纤耦合器(1-3)、第一波导相位调制器(1-4)、第一H13C14N氰化氢气体分子吸收池(1-5)、第一InGaAs光探测器(1-6)、第一跨阻放大器(1-7)、第一带通滤波器(1-8)、第一混频器(1-9)、第一射频移相器(1-10)、第一射频振荡器(1-11)、第一低通滤波器(1-12)、第一伺服单元(1-13)、第一热电温度控制器(1-14)，以及第二DFB激光二极管稳恒电流驱动器(1-15)、第二DFB激光二极管(1-16)、第二光纤耦合器(1-17)、第三光纤耦合器(1-18)、第一平衡探测器组件(1-19)、限制性放大器(1-20)、8或32倍分频器(1-21)、第一基准高频振荡器(1-22)、第一直接数字频率合成器(1-23)、第一相敏检波器(1-24)、第二伺服单元(1-25)、第二热电温度控制器(1-26)；
当第一DFB激光二极管(1-2)波长等于H13C14N氰化氢分子吸收线R22、R20中心波长时，第一低通滤波器(1-12)输出的误差信号为0.0；一旦当第一DFB激光二极管(1-2)波长偏离H13C14N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长时，第一低通滤波器(1-12)输出直流误差信号，伺服单元(1-13)根据此误差信号，调节第一DFB激光二极管(1-2)的注入电流，输出补偿信号给热电温度控制器(1-14)，改变第一DFB激光二极管(1-2)的工作温度，使其波长回归H13C14N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长。被锁定的第一DFB激光二极管(1-2)波长，成为第二DFB激光二极管(1-16)的偏频锁定的基准波长；
第一耦合器(1-3)和第三耦合器(1-18)分别从第二DFB激光二极管(1-16)和第一DFB激光二极管(1-2)各取样一小部分激光由第一平衡探测器(1-19)外差检测出这两个激光的频差射频信号，此差频射频信号被第一分频器(1-21)作8、或32倍分频，分频后的射频信号与直接数字频率合成器(1-23)合成的基准射频信号在相敏检波器(1-24)处相遇，相敏检波器(1-24)输出分频后的射频信号与直接数字合成射频信号的相位差，第二伺服单元(1-25)据此相位差，调节第二DFB激光二极管(1-15)的注入电流，改变第二热电温度控制器(1-25)工作温度，使得第二DFB激光二极管(1-16)和第一DFB激光二极管(1-2)连续波激光之间，光频差稳定在872.18MHz、或者3.331GHz，也即它们之间的波长差稳定在6.8pm、或者26pm。
3.根据权利要求1所述的一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，其特征在于：
所述的DFB半导体连续波激光off单元(2)包括第三DFB激光二极管稳恒电流驱动器(2-1)、第三DFB激光二极管(2-2)、第四耦合器(2-3)、第二波导相位调制器(2-4)、第二H13C14N氰化氢气体分子吸收池(2-5)、第二InGaAs光探测器(2-6)、第二跨阻放大器(2-7)、第二带通滤波器(2-8)、第二混频器(2-9)、第二射频移相器(2-10)、第二射频振荡器(2-11)、第二低通滤波器(2-12)、第三伺服单元(2-13)、第三热电温度控制器(2-14)，以及第四DFB激光二极管稳恒电流驱动器(2-15)、第四DFB激光二极管(2-16)、第五耦合器(2-17)、第六耦合器(2-18)、第二平衡探测器组件(2-19)、第二限制性放大器(2-20)、第二分频器(2-21)、第二基准高频振荡器(2-22)、第二直接数字频率合成器(2-23)、第二相敏检波器(2-24)、第四伺服单元(2-25)、第四热电温度控制器(2-26)；
第三DFB激光二极管(2-2)连续波激光受到波导相位调制器(2-4)的调制，当第三DFB激光二极管(2-2)波长等于氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长时，第二低通滤波器(2-12)输出的误差信号为0.0；一旦当第三DFB激光二极管(2-2)波长偏离氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长时，第二低通滤波器(2-12)输出直流信号作为误差信号，伺服单元(2-13)根据此误差信号，调节第三DFB激光二极管(2-2)注入电流，通过热电温度控制器(2-14)去调整第三DFB激光二极管(2-2)的工作温度，使其波长回归氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长。第三DFB激光二极管(2-2)被锁定的波长，成为第四DFB激光二极管(2-15)偏频锁定的波长基准；
第四耦合器(2-3)和第六耦合器(2-18)分别从第三DFB激光二极管(2-2)和第四DFB激光二极管(2-15)各取样一小部分激光，由第二平衡探测器(2-19)外差检测出这两个激光的频差信号，差频信号被第二分频器(2-21)作32倍分频，分频以后的射频信号与直接数字频率合成器(2-23)合成的射频在相敏检波器(2-24)处相遇，相敏检波器(2-24)输出两个射频信号之间的相位差，第四伺服单元(2-25)基于相位差生成修正信号，调节第四DFB激光二极管(2-16)的注入电流，改变第四热电温度控制器(2-26)工作温度，使得第四DFB激光二极管(2-16)和第三DFB激光二极管(2-2)连续波激光之间，光频之差稳定在3.897GHz、或者3.213GHz，也即波长之差稳定在30.04pm、或者25pm。
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