CN113433570A - 一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、望远镜收发子系统，相干探测子系统和信号采集处理和控制子系统。本发明创新性地采用可在on‑line波长和off‑line波长之间切换的2μm捷变单频脉冲激光器作为探测光源，实现On和Off种子激光分时注入锁频，从而实现On和Off种子激光输出快速切换，最大限度地遏制了大气湍流带来的误差；相干外差检测和注入锁频的配合使用，稳定off光源波长与on光源波长之间的差值，提高二氧化碳浓度探测精度；采用MOPA放大技术实现高功率激光的输出，提高二氧化碳浓度探测距离；共用望远镜减少了激光雷达的体积，采用相干探测体制提高激光雷达探测精度，可高分辨率地获取0～3km高度范围内二氧化碳浓度廓线。

Description

一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统。
背景技术
激光雷达因具有测量范围大、时空分辨率高、实时性等特点，成为二氧化碳气体测量的极具有效的手段之一。相比于N2、H2O探测来说，CO2的散射截面小，在大气中的含量较小，具有一定的探测难度。国际上，应用于CO2探测的激光雷达主要有差分吸收雷达和Raman散射激光雷达。Raman散射雷达具有激光波长无严格选择、系统结构相对简单的优点，但探测灵敏度较低。而差分吸收原理则依赖待测气体的吸收光谱，要求选择特定的激光波长、发射系统较复杂，但是灵敏度相对较高。因此CO2差分吸收激光雷达技术已经成为CO2等温室气体检测技术发展的主流方向。
与传统的点测量技术比较，CO2差分吸收激光雷达技术具有精度高、能连续测量和进行三维测量、且无干扰等特点。因此，CO2探测激光雷达系统化学毒剂侦测的主要手段广泛运用在大气污染气体浓度测量、天气预报和油气勘查等方面，因而具有重要研究价值。
现有的CO2差分吸收激光雷达存在体积大、精度有待提高的问题亟待解决。
发明内容
本发明是为了解决二氧化碳浓度廓线测量精度的问题，创新性地采用可在on-line波长和off-line波长之间切换的2μm捷变单频脉冲激光器作为探测光源，实现On和Off种子激光分时注入锁频，从而实现On和Off种子激光输出快速切换，最大限度地遏制了大气湍流带来的误差；同时相干外差检测和注入锁频的配合使用，可稳定off光源波长与on光源波长之间的差值，提高二氧化碳浓度探测精度；采用MOPA放大技术可实现高功率激光的输出，提高二氧化碳浓度探测距离；通过共用望远镜减少了激光雷达的体积，采用相干探测体制解决了激光雷达探测精度的问题，可高分辨率地获取0～3km高度范围内的二氧化碳浓度廓线。
本发明提供一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、设置在激光发射子系统输出端的望远镜收发子系统，与望远镜收发子系统光连接的相干探测子系统和与激光发射子系统、相干探测子系统均电连接的信号采集处理和控制子系统，激光发射子系统包括波长捷变模块；
激光发射子系统用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过波长捷变模块分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并输出至望远镜收发子系统，望远镜收发子系统用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至相干探测子系统，相干探测子系统用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与交替发射的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至信号采集处理和控制子系统，信号采集处理和控制子系统用于接收拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；
波长捷变模块用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，激光发射子系统包括并列设置的On种子激光系统、Off种子激光系统，与On种子激光系统、Off种子激光系统均光连接的波长捷变模块和与波长捷变模块依次光连接的声光调制器、激光振荡器、激光放大器、激光扩束镜；
On种子激光系统用于发射CO2强吸收的on-line连续种子光，Off种子激光系统用于发射CO2弱吸收的off-line连续种子光,波长捷变模块用于通过偏振控制元件实现on-line连续种子光和off-line连续种子光的不同时序的可控注入锁频，声光调制器用于进行on-line连续种子光和off-line连续种子光的频移以进行拍频外差探测，激光振荡器用于采用注入锁定设计对交替切换的on-line连续种子光和off-line连续种子光注入进行脉冲放大并输出on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光，激光放大器用于接收on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光进行准直扩束后输出on-line波长探测光源和off-line波长探测光源，激光扩束镜用于对on-line波长探测光源和off-line波长探测光源进行准直扩束并输出至望远镜收发子系统。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，波长捷变模块包括设置在Off种子激光系统输出端依次光连接的第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、RTP电光调制器、第二偏振分光棱镜和依次设置在On种子激光系统输出端的第二1/2波片、全反射镜，全反射镜的输出端与第一偏振分光棱镜的另一个输入端光连接，第一偏振分光棱镜与第二偏振分光棱镜轴向相同，RTP电光调制器中设置RTP晶体，RTP晶体的晶体轴向设置在未施加电场时不改变入射光偏振态的位置上；
第一1/2波片用于调节off-line连续种子光的偏振态，第二1/2波片用于调节on-line连续种子光的偏振态，on-line连续种子光的偏振态与off-line连续种子光的偏振态互相垂直，反射镜用于将第二1/2波片输出的on-line连续种子光反射至第一偏振分光棱镜的另一个输入端，第一偏振分光棱镜用于将输入的on-line连续种子光和off-line连续种子光耦合成一束种子激光，RTP晶体用于在未通电时将第一偏振分光棱镜输出的种子激光输出至第二偏振分光棱镜，RTP晶体用于在通电时将第一偏振分光棱镜输出的种子激光的偏振态旋转90°后输出至第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜用于对RTP晶体输出的激光进行检偏以使偏振态与第二偏振分光棱镜相同的种子激光输出至声光调制器、偏振与第二偏振分光棱镜不同的种子激光反射。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，激光发射子系统还包括与激光振荡器电连接的注入锁定模块，激光振荡器用于在注入锁定模块的控制下对交替切换输入的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行脉冲放大并交替输出on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光；
On种子激光系统包括电连接的On种子激光器、On种子激光控制器，设置在On种子激光器一侧的第一水冷机和与On种子激光器、第一种子激光控制器、第一水冷机均电连接的第一电源；
Off种子激光系统包括电连接的Off种子激光器、Off种子激光控制器，设置在Off种子激光器一侧的第二水冷机和与Off种子激光器、Off种子激光控制器、第二水冷机均电连接的第二电源。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，RTP晶体可周期性充放电；
on-line波长探测光源为2064.414nm激光，off-line波长探测光源为2064.049nm激光；
激光振荡器为2μm激光振荡器，激光放大器为MOPA主控振荡器的功率放大器。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，激光发射子系统还包括依次设置在On种子激光系统输出方向的CO2吸收池和探测器；
CO2吸收池用于吸收on-line连续种子光并投射聚焦至探测器，探测器用于将on-line连续种子光的光信号转为电信号并锁定on-line连续种子光的波长。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，望远镜收发子系统包括与激光扩束镜依次光连接的第三偏振分光棱镜、1/4波片、望远镜和与第三偏振分光棱镜另一输出端光连接的光纤耦合镜，望远镜为收发同置设计离轴反射式望远镜，光纤耦合镜与相干探测子系统连接，第三偏振分光棱镜和1/4波片用于进行光束的收发分离。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，相干探测子系统包括与On种子激光器、Off种子激光器通过光纤连接的耦合光纤、与耦合光纤依次电连接的光纤衰减器、2×2保偏光纤分束器和平衡探测器，2×2保偏光纤分束器另一端与光纤耦合镜电连接，平衡探测器与信号采集处理和控制子系统连接；
耦合光纤用于接收on-line连续种子光和off-line连续种子光并耦合进光纤输出至光纤衰减器，光纤衰减器用于调试on-line连续种子光和off-line连续种子光的光功率性能、调试光纤仪表的定标校正和光纤信号衰减，2×2保偏光纤分束器用于接收相干探测回波信号、on-line连续种子光和off-line连续种子光产生拍频光信号输出至平衡探测器，平衡探测器用于接收拍频光信号并去除直流部分转换为拍频电信号输出至信号采集处理和控制子系统。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，信号采集处理和控制子系统包括与平衡探测器依次电连接的AD采样卡、工控机系统；
AD采样卡用于对拍频电信号进行数据采集并通过PCIe接口输出至工控机系统，工控机系统用于将数据进行快速傅里叶变换，得到信号频谱图并分别对on/off脉冲进行频谱图积累，提高信噪比；工控机系统用于对积累后的频谱图重光谱范围的信号进行积分得到on/off脉冲在不同距离门的信号强度并反演得到CO2浓度廓线，同时将结果显示在屏幕上并转换成数据进行保存。
本发明所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，工控机系统与第一种子激光控制器、第一电源、第二种子激光控制器和第二电源均电连接；
On种子激光器、Off种子激光器向耦合光纤输出1mW连续种子光，并在激光振荡器发射激光脉冲后的0.01s内保持种子光波长不切换，光路切换控制器与工控机系统通过RS232相互通信，工控机系统接收光路切换控制器反馈的on/off切换状态，第一电源、第二电源与工控机系统相互通信以进行激光器的控制与状态监视并为信号采集处理和控制子系统提供激光脉冲发射的TTL触发。
将激光入射到CO2吸收池内，从CO2吸收池投射出来的光聚焦到红外探测器上，红外探测信号将光信号转为电信号，由数据采集卡记录并输入到数据处理系统中进行处理和存储，得到数据输出信号。
采用波长捷变系统，通过偏振控制元件实现On和Off单纵模种子激光的不同时序的可控注入锁频，实现On和Off种子激光分时注入锁频，从而实现On和Off种子激光输出快速切换。
2μm注入锁频激光器系统采用两台单纵模种子激光器作为主激光器，通过波长捷变技术分时注入到同一台从激光器中，利用注入锁频技术结合MOPA放大技术实现单频激光输出，所述激光器放大模块采用MOPA放大技术。
波长捷变模块通过偏振控制元件实现On和Off单纵模种子激光的不同时序的可控注入锁频。中心波长为2051nm的On和Off种子激光器首先1/2波片调节偏振态，使得两束种子光的偏振态互相垂直，利用偏振分光棱镜耦合成一束激光后，通过RTP(磷酸钛氧铷)电光调制器，考虑到RTP晶体的双折射效应，需仔细调节RTP晶体轴向，使其在未施加电场情况下，对入射激光的偏振态没有影响。经过RTP晶体合束的种子激光通过另一个偏振分光棱镜进行检偏，如果两个偏振分光棱镜的放置轴向一致，则当RTP晶体未施加电场时，p偏振光的种子激光将透过捷变系统的检偏器棱镜，而s偏振光的种子激光将被检偏棱镜反射，如果利用透射光作为注入锁频光源，则此时初始偏振态为p光的种子激光将注入；如果在RTP晶体上施加1/2λ电压，根据晶体光学理论，出射激光的偏振态将旋转90度，即s偏振变为p偏振，而p偏振变为s偏振，此时则此时初始偏振态为s光的种子激光将注入，而初始偏振态为p光的种子激光将被棱镜检偏器反射，因此通过控制是否在RTP晶体上施加1/2λ电压就可以实现On和Off种子激光分时注入锁频，从而实现On和Off种子激光输出快速切换。
On种子光激光系统和Off种子光激光系统是一个模块级的产品，直接分出两根光纤，一根光纤通过FC/APC连接到相干探测模块的耦合光纤。
2μm注入锁频激光器系统采用两台单纵模种子激光器作为主激光器，通过波长捷变技术分时注入到同一台从激光器中，利用注入锁频技术结合MOPA放大(激光振荡放大)技术实现单频激光输出。所述激光器放大模块采用MOPA放大技术。
本发明具有以下优点：
(1)本发明可实现On和Off种子激光输出快速切换，可简化激光系统结构和激光发射接收同轴问题，缩小雷达体积；可缩短on-line/off-line脉冲间隔时间，最大限度地遏制了大气湍流带来的误差；同时相干外差检测和注入锁频的配合使用，可稳定off光源波长与on光源波长之间的差值，提高二氧化碳浓度探测精度；采用MOPA放大技术可实现高功率激光的输出，提高二氧化碳浓度探测距离。
(2)通过共用望远镜减少了激光雷达的体积，采用相干探测体制解决了激光雷达探测精度的问题，可高分辨率地获取0～3km高度范围内的二氧化碳浓度廓线。
附图说明
图1为一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统框图；
图2为一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统激光发射子系统框图；
图3为一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统波长捷变模块框图；
图4为一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统RTP晶体轴向示意图。
附图标记：
1、激光发射子系统；11、波长捷变模块；111、第一1/2波片；112、第一偏振分光棱镜；113、RTP晶体；114、第二偏振分光棱镜；115、第二1/2波片；116、全反射镜；12、On种子激光系统；121、On种子激光器；122、On种子激光控制器；123、第一水冷机；124、第一电源；13、Off种子激光系统；131、Off种子激光器；132、Off种子激光控制器；133、第二水冷机；134、第二电源；14、声光调制器；15、激光振荡器；16、激光放大器；17、激光扩束镜；18、注入锁定模块；19、CO2吸收池；19、探测器；2、望远镜收发子系统；21、第三偏振分光棱镜；22、1/4波片；23、望远镜；24、光纤耦合镜；3、相干探测子系统；31、耦合光纤；32、光纤衰减器；33、2×2保偏光纤分束器；34、平衡探测器；4、信号采集处理和控制子系统；41、AD采样卡；42、工控机系统。
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。
实施例1
一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统1、设置在激光发射子系统1输出端的望远镜收发子系统2，与望远镜收发子系统2光连接的相干探测子系统3和与激光发射子系统1、相干探测子系统3均电连接的信号采集处理和控制子系统4，激光发射子系统1包括波长捷变模块11；
激光发射子系统1用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过波长捷变模块11分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并输出至望远镜收发子系统2，望远镜收发子系统2用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统2用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至相干探测子系统3，相干探测子系统3用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与交替发射的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至信号采集处理和控制子系统4，信号采集处理和控制子系统4用于接收拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；
波长捷变模块11用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频。
实施例2
如图1所示，一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统1、设置在激光发射子系统1输出端的望远镜收发子系统2，与望远镜收发子系统2光连接的相干探测子系统3和与激光发射子系统1、相干探测子系统3均电连接的信号采集处理和控制子系统4，激光发射子系统1包括波长捷变模块11；
激光发射子系统1用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过波长捷变模块11分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并输出至望远镜收发子系统2，望远镜收发子系统2用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统2用于接收on-line波长探测光源和off-line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至相干探测子系统3，相干探测子系统3用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与交替发射的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至信号采集处理和控制子系统4，信号采集处理和控制子系统4用于接收拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；
波长捷变模块11用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频；
如图2所示，激光发射子系统1包括并列设置的On种子激光系统12、Off种子激光系统13，与On种子激光系统12、Off种子激光系统13均光连接的波长捷变模块11，与波长捷变模块11依次光连接的声光调制器14、激光振荡器15、激光放大器16、激光扩束镜17，与激光振荡器15电连接的注入锁定模块18和依次设置在On种子激光系统12输出方向的CO2吸收池19和探测器1a；
On种子激光系统12用于发射CO2强吸收的on-line连续种子光，Off种子激光系统13用于发射CO2弱吸收的off-line连续种子光,波长捷变模块11用于通过偏振控制元件实现on-line连续种子光和off-line连续种子光的不同时序的可控注入锁频，声光调制器14用于进行on-line连续种子光和off-line连续种子光的频移以进行拍频外差探测，激光振荡器15用于采用注入锁定设计对交替切换的on-line连续种子光和off-line连续种子光注入进行脉冲放大并输出on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光，激光放大器16用于接收on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光进行准直扩束后输出on-line波长探测光源和off-line波长探测光源，激光扩束镜17用于对on-line波长探测光源和off-line波长探测光源进行准直扩束并输出至望远镜收发子系统2；
如图3所示，波长捷变模块11包括设置在Off种子激光系统13输出端依次光连接的第一1/2波片111、第一偏振分光棱镜112、RTP电光调制器113、第二偏振分光棱镜114和依次设置在On种子激光系统12输出端的第二1/2波片115、全反射镜116，全反射镜116的输出端与第一偏振分光棱镜112的另一个输入端光连接，第一偏振分光棱镜112与第二偏振分光棱镜114轴向相同，RTP电光调制器113中设置RTP晶体，如图4所示，RTP晶体的轴向设置在未施加电场时不改变入射光偏振态的位置上；
第一1/2波片111用于调节off-line连续种子光的偏振态，第二1/2波片115用于调节on-line连续种子光的偏振态，on-line连续种子光的偏振态与off-line连续种子光的偏振态互相垂直，反射镜114用于将第二1/2波片115输出的on-line连续种子光反射至第一偏振分光棱镜112的另一个输入端，第一偏振分光棱镜112用于将输入的on-line连续种子光和off-line连续种子光耦合成一束种子激光，RTP电光调制器113用于在未通电时将第一偏振分光棱镜112输出的种子激光输出至第二偏振分光棱镜114，RTP电光调制器113用于在通电时将第一偏振分光棱镜112输出的种子激光的偏振态旋转90°后输出至第二偏振分光棱镜114，第二偏振分光棱镜114用于对RTP电光调制器113输出的激光进行检偏以使偏振态与第二偏振分光棱镜114相同的种子激光输出至声光调制器14、偏振与第二偏振分光棱镜114不同的种子激光反射；
激光发射子系统1还包括，激光振荡器15用于在注入锁定模块18的控制下对交替切换输入的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行脉冲放大并交替输出on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光；
On种子激光系统12包括电连接的On种子激光器121、On种子激光控制器122，设置在On种子激光器121一侧的第一水冷机123和与On种子激光器121、第一种子激光控制器122、第一水冷机123均电连接的第一电源124；
Off种子激光系统13包括电连接的Off种子激光器131、Off种子激光控制器132，设置在Off种子激光器131一侧的第二水冷机133和与Off种子激光器131、Off种子激光控制器132、第二水冷机133均电连接的第二电源134；
RTP晶体可周期性充放电；
on-line波长探测光源为2064.414nm激光，off-line波长探测光源为2064.049nm激光；
激光振荡器15为2μm激光振荡器，激光放大器16为MOPA主控振荡器的功率放大器；
CO2吸收池19用于吸收on-line连续种子光并投射聚焦至探测器1a，探测器1a用于将on-line连续种子光的光信号转为电信号并锁定on-line连续种子光的波长；
望远镜收发子系统2包括与激光扩束镜17依次光连接的第三偏振分光棱镜21、1/4波片22、望远镜23和与第三偏振分光棱镜21另一输出端光连接的光纤耦合镜24，望远镜23为收发同置设计离轴反射式望远镜，光纤耦合镜24与相干探测子系统3连接，第三偏振分光棱镜21和1/4波片22用于进行光束的收发分离；
相干探测子系统3包括与On种子激光器121、Off种子激光器131通过光纤连接的耦合光纤31、与耦合光纤31依次电连接的光纤衰减器32、2×2保偏光纤分束器33和平衡探测器34，2×2保偏光纤分束器33另一端与光纤耦合镜24电连接，平衡探测器34与信号采集处理和控制子系统4连接；
耦合光纤31用于接收on-line连续种子光和off-line连续种子光并耦合进光纤输出至光纤衰减器32，光纤衰减器32用于调试on-line连续种子光和off-line连续种子光的光功率性能、调试光纤仪表的定标校正和光纤信号衰减，2×2保偏光纤分束器33用于接收相干探测回波信号、on-line连续种子光和off-line连续种子光产生拍频光信号输出至平衡探测器34，平衡探测器34用于接收拍频光信号并去除直流部分转换为拍频电信号输出至信号采集处理和控制子系统4；
信号采集处理和控制子系统4包括与平衡探测器34依次电连接的AD采样卡41、工控机系统42；
AD采样卡41用于对拍频电信号进行数据采集并通过PCIe接口输出至工控机系统42，工控机系统42用于将数据进行快速傅里叶变换，得到信号频谱图并分别对on/off脉冲进行频谱图积累，提高信噪比；工控机系统42用于对积累后的频谱图重光谱范围的信号进行积分得到on/off脉冲在不同距离门的信号强度并反演得到CO2浓度廓线，同时将结果显示在屏幕上并转换成数据进行保存；
工控机系统42与第一种子激光控制器122、第一电源124、第二种子激光控制器132和第二电源134均电连接；
On种子激光器121、Off种子激光器131向耦合光纤31输出1mW连续种子光，并在激光振荡器15发射激光脉冲后的0.01s内保持种子光波长不切换，光路切换控制器与工控机系统42通过RS232相互通信，工控机系统42接收光路切换控制器反馈的on/off切换状态，第一电源124、第二电源134与工控机系统42相互通信以进行激光器的控制与状态监视并为信号采集处理和控制子系统4提供激光脉冲发射的TTL触发。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射子系统(1)、设置在所述激光发射子系统(1)输出端的望远镜收发子系统(2)，与所述望远镜收发子系统(2)光连接的相干探测子系统(3)和与所述激光发射子系统(1)、所述相干探测子系统(3)均电连接的信号采集处理和控制子系统(4)，所述激光发射子系统(1)包括波长捷变模块(11)；
所述激光发射子系统(1)用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过所述波长捷变模块(11)分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on-line波长探测光源和off-line波长探测光源并输出至所述望远镜收发子系统(2)，所述望远镜收发子系统(2)用于接收所述on-line波长探测光源和所述off-line波长探测光源并发送至大气，所述望远镜收发子系统(2)用于接收所述on-line波长探测光源和所述off-line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至所述相干探测子系统(3)，所述相干探测子系统(3)用于接收所述相干探测回波信号并将所述相干探测回波信号与交替发射的on-line连续种子光和off-line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至所述信号采集处理和控制子系统(4)，所述信号采集处理和控制子系统(4)用于接收所述拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；
所述波长捷变模块(11)用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频。
2.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统(1)包括并列设置的On种子激光系统(12)、Off种子激光系统(13)，与所述On种子激光系统(12)、所述Off种子激光系统(13)均光连接的波长捷变模块(11)和与所述波长捷变模块(11)依次光连接的声光调制器(14)、激光振荡器(15)、激光放大器(16)、激光扩束镜(17)；
所述On种子激光系统(12)用于发射CO2强吸收的所述on-line连续种子光，所述Off种子激光系统(13)用于发射CO2弱吸收的所述off-line连续种子光,所述波长捷变模块(11)用于通过偏振控制元件实现所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光的不同时序的可控注入锁频，所述声光调制器(14)用于进行所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光的频移以进行拍频外差探测，所述激光振荡器(15)用于采用注入锁定设计对交替切换的所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光注入进行脉冲放大并输出on-line波长单频脉冲激光和off-line波长单频脉冲激光，所述激光放大器(16)用于接收所述on-line波长单频脉冲激光和所述off-line波长单频脉冲激光进行准直扩束后输出所述on-line波长探测光源和所述off-line波长探测光源，所述激光扩束镜(17)用于对所述on-line波长探测光源和所述off-line波长探测光源进行准直扩束并输出至所述望远镜收发子系统(2)。
3.根据权利要求2所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：
所述波长捷变模块(11)包括设置在所述Off种子激光系统(13)输出端依次光连接的第一1/2波片(111)、第一偏振分光棱镜(112)、RTP电光调制器(113)、第二偏振分光棱镜(114)和依次设置在所述On种子激光系统(12)输出端的第二1/2波片(115)、全反射镜(116)，所述全反射镜(116)的输出端与所述第一偏振分光棱镜(112)的另一个输入端光连接，所述第一偏振分光棱镜(112)与所述第二偏振分光棱镜(114)轴向相同，所述RTP电光调制器(113)中设置RTP晶体，所述RTP晶体的轴向设置在未施加电场时不改变入射光偏振态的位置上；
所述第一1/2波片(111)用于调节所述off-line连续种子光的偏振态，所述第二1/2波片(115)用于调节所述on-line连续种子光的偏振态，所述on-line连续种子光的偏振态与所述off-line连续种子光的偏振态互相垂直，所述反射镜(114)用于将所述第二1/2波片(115)输出的所述on-line连续种子光反射至所述第一偏振分光棱镜(112)的另一个输入端，所述第一偏振分光棱镜(112)用于将输入的所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光耦合成一束种子激光，所述RTP电光调制器(113)用于在未通电时将所述第一偏振分光棱镜(112)输出的所述种子激光输出至所述第二偏振分光棱镜(114)，所述RTP电光调制器(113)用于在通电时将所述第一偏振分光棱镜(112)输出的所述种子激光的偏振态旋转90°后输出至所述第二偏振分光棱镜(114)，所述第二偏振分光棱镜(114)用于对所述RTP电光调制器(113)输出的激光进行检偏以使偏振态与所述第二偏振分光棱镜(114)相同的所述种子激光输出至所述声光调制器(14)、偏振与所述第二偏振分光棱镜(114)不同的所述种子激光反射。
4.根据权利要求3所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统(1)还包括与所述激光振荡器(15)电连接的注入锁定模块(18)，所述激光振荡器(15)用于在所述注入锁定模块(18)的控制下对交替切换输入的所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光进行脉冲放大并交替输出所述on-line波长单频脉冲激光和所述off-line波长单频脉冲激光；
所述On种子激光系统(12)包括电连接的On种子激光器(121)、On种子激光控制器(122)，设置在所述On种子激光器(121)一侧的第一水冷机(123)和与所述On种子激光器(121)、所述第一种子激光控制器(122)、所述第一水冷机(123)均电连接的第一电源(124)；
所述Off种子激光系统(13)包括电连接的Off种子激光器(131)、Off种子激光控制器(132)，设置在所述Off种子激光器(131)一侧的第二水冷机(133)和与所述Off种子激光器(131)、所述Off种子激光控制器(132)、所述第二水冷机(133)均电连接的第二电源(134)。
5.根据权利要求4所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：
所述RTP晶体可周期性充放电；
所述on-line波长探测光源为2064.414nm激光，所述off-line波长探测光源为2064.049nm激光；
所述激光振荡器(15)为2μm激光振荡器，所述激光放大器(16)为MOPA主控振荡器的功率放大器。
6.根据权利要求4所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统(1)还包括依次设置在所述On种子激光系统(12)输出方向的CO2吸收池(19)和探测器(1a)；
所述CO2吸收池(19)用于吸收所述on-line连续种子光并投射聚焦至所述探测器(1a)，所述探测器(1a)用于将所述on-line连续种子光的光信号转为电信号并锁定所述on-line连续种子光的波长。
7.根据权利要求4所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述望远镜收发子系统(2)包括与所述激光扩束镜(17)依次光连接的第三偏振分光棱镜(21)、1/4波片(22)、望远镜(23)和与所述第三偏振分光棱镜(21)另一输出端光连接的光纤耦合镜(24)，所述望远镜(23)为收发同置设计离轴反射式望远镜，所述光纤耦合镜(24)与所述相干探测子系统(3)连接，所述第三偏振分光棱镜(21)和所述1/4波片(22)用于进行光束的收发分离。
8.根据权利要求7所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述相干探测子系统(3)包括与所述On种子激光器(121)、所述Off种子激光器(131)通过光纤连接的耦合光纤(31)、与所述耦合光纤(31)依次电连接的光纤衰减器(32)、2×2保偏光纤分束器(33)和平衡探测器(34)，所述2×2保偏光纤分束器(33)另一端与所述光纤耦合镜(24)电连接，所述平衡探测器(34)与所述信号采集处理和控制子系统(4)连接；
所述耦合光纤(31)用于接收所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光并耦合进光纤输出至所述光纤衰减器(32)，所述光纤衰减器(32)用于调试所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光的光功率性能、调试光纤仪表的定标校正和光纤信号衰减，所述2×2保偏光纤分束器(33)用于接收所述相干探测回波信号、所述on-line连续种子光和所述off-line连续种子光产生拍频光信号输出至所述平衡探测器(34)，所述平衡探测器(34)用于接收所述拍频光信号并去除直流部分转换为拍频电信号输出至所述信号采集处理和控制子系统(4)。
9.根据权利要求8所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述信号采集处理和控制子系统(4)包括与所述平衡探测器(34)依次电连接的AD采样卡(41)、工控机系统(42)；
所述AD采样卡(41)用于对所述拍频电信号进行数据采集并通过PCIe接口输出至所述工控机系统(42)，所述工控机系统(42)用于将所述数据进行快速傅里叶变换，得到信号频谱图并分别对on/off脉冲进行频谱图积累，提高信噪比；所述工控机系统(42)用于对积累后的频谱图重光谱范围的信号进行积分得到on/off脉冲在不同距离门的信号强度并反演得到CO2浓度廓线，同时将结果显示在屏幕上并转换成数据进行保存。
10.根据权利要求9所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述工控机系统(42)与所述第一种子激光控制器(122)、所述第一电源(124)、所述第二种子激光控制器(132)和所述第二电源(134)均电连接；
所述On种子激光器(121)、所述Off种子激光器(131)向所述耦合光纤(31)输出1mW连续种子光，并在所述激光振荡器(15)发射激光脉冲后的0.01s内保持种子光波长不切换，光路切换控制器与所述工控机系统(42)通过RS232相互通信，所述工控机系统(42)接收所述光路切换控制器反馈的on/off切换状态，所述第一电源(124)、所述第二电源(134)与所述工控机系统(42)相互通信以进行激光器的控制与状态监视并为所述信号采集处理和控制子系统(4)提供激光脉冲发射的TTL触发。
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