CN113640831A - 微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法，微脉冲激光雷达包括第一发射机、第二发射机、第三发射机、光路传输模组、水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，多通道数据累积器、处理机、脉冲发生器；对大气水汽、温度、压力探测的方法为，由处理机对各发射机发射的多波长的连续激光进行斩波，得到多波长的脉冲激光；使多波长的脉冲激光按照既定的光路进行传输，同时对大气进行水汽、温度和压力的综合探测，使三大参数在反演过程中可以互为输入条件，提高了迭代速度和反演精度。

Description

微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法
技术领域
本发明涉及光通信产业微光探测领域，特别是涉及一种微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法。
背景技术
大气温度和水汽是重要的大气热力学参数，在空间和时间分布方面，大气对流层的热力学廓线数据，仍存在着很大的需求缺口。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。如低气压、高气压、低压槽、高压脊信息都被引入大气模式。1987年有学者就已经指出，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、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。时间方面，无线电探空气球只能在一天当中的两次固定时间释放；空间方面，无线电探空只能在固定的气象观测站进行。发展地基的、廉价的、可网络化、广泛布置的主动遥感仪器是气象业务发展的需要。
目前，差分吸收激光雷达系统被认为最有潜力填补对流层大气热力学和动力学廓线观测数据的缺口；差分吸收激光雷达能够成功地探测大气对流层水汽的含量，以Alexandrite为主流的激光器或者固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源，光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器，代表性的系统是法国的机载LEANDRE II仪器。此后发展的820nm波段的水汽差分吸收激光雷达，以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机核心，以硅的雪崩二极管作为探测器，如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达，可以获得对流层300m-4km之间水汽两维或三维分布结构；NASA兰利研究中心发展的LASE机载系统，发射能量100-150mJ，重复频率5Hz，测量水汽混合比精度达能达到6％或0.01g/kg；德国FürMeteorlogie und Klimaforschung研究所的差分吸收激光雷达，可以探测3km-12km高度之间大气的水汽垂直分布。
虽然差分吸收激光雷达在大气水汽的垂直廓线探测方面得到过成功应用，然而在此之前，差分吸收激光雷达在大气温度廓线探测方面，并未成功实现。原因在于温度表达性气体-氧气的吸收谱线比较窄，以至于激光的瑞利后向散射谱宽度可以和与氧气的吸收谱线宽度相比拟，因此大气后向散射回波当中关于瑞利后向散射和米氏后向散射所占比重，对于差分吸收激光雷达数值反演大气温度垂直廓线十分重要。
基于非弹性后向散射的Raman激光雷达系统，既可以用转动Raman技术探测大气温度，也可以用振动Raman技术测量大气水汽混合比。Raman后向散射的低效率使得激光雷达系统需要更高的(发射)功率×(接收)孔径积。532nm激光脉冲能量不小于300mJ，脉冲重复频率不大于50Hz，脉冲时间宽度10ns左右，望远镜主镜的直径均不小于500mm。世界范围内4套Raman激光雷达系统，荷兰气象研究所的Caeli激光雷达系统、瑞士的RALMO系统、德国大气辐射测量项目Raman激光雷达系统以及DRAMSES激光雷达系统都已经表明，Raman激光雷达白天信噪比很低，而且频繁地需要无线电探空的方法为之定标，养护和维持费用高。
上述吸收差分激光雷达和Raman激光雷达发射机都采用低重复频率、高脉冲能量的激光器，激光脉冲的高峰值功率具有人眼伤害的风险，也使得激光器的体积和功耗都很高，这是激光雷达成本高的原因之一。因而，能够同时针对大气水汽、温度、压力进行探测的激光雷达至今也没有得到普及使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法，解决现有激光发射机中存在的两方面问题：发射脉冲的峰值功率很大、功耗很高，对人眼存在安全风险，建立和维护成本都很高；缺少能够同时针对大气水汽、温度、压力进行反演计算的复合型微脉冲激光雷达，迭代速度和反演精度有待提高。
为实现上述目的，本发明提供了一种微脉冲激光雷达，包括：
第一发射机、第二发射机和第三发射机，分别用于发射不同激光；
光路传输模组，设在所述不同波长的激光的传输光路上，用于将所述不同波长的激光合成一束，并引导至大气中，还用于接收被激发的大气后向散射回波光束，将所述后向散射回波光束转化成平行回波光束，并将所述平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光；
水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，分别设在水汽回波光、压力回波光和温度回波光的传输光路上；所述水汽通道探测模块用于接收并检测所述水汽回波光中的水汽光子数，所述压力通道探测模块用于接收并检测所述压力回波光中的压力光子数，所述温度通道探测模块接收并检测所述温度回波光中的第一温度光子数和第二温度光子数；
数据处理控制模组，与所述第一发射机、第二发射机、第三发射机、水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块连接，一方面用于获取水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块的数据并统一进行反演计算；另一方面用于控制第一发射机、第二发射机以及第三发射机的注入电流和工作温度以及将输出的连续波激光斩波成脉冲激光，协同系统的时序；
所述数据处理控制模组包括：
多通道数据累积器，所述多通道数据累积器的输入端分别连接水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，输出端连接处理机，所述多通道数据累积器用于将所述水汽光子数、所述压力光子数、所述第一温度光子数以及所述第二温度光子数传输至所述处理机统一进行反演计算；
所述处理机还连接有脉冲发生器，所述脉冲发生器分别与所述第一发射机、第二发射机和第三发射机连接，为所述第一发射机、第二发射机和第三发射机提供斩波脉冲；
所述处理机包括至少一个处理器与第一发射机、第二发射机以及第三发射机连接，用于组成伺服单元，调整第一发射机、第二发射机以及第三发射机的注入电流和工作温度；所述处理机还用于协同脉冲发生器和数据累积器的时序。
本发明还提供了一种利用微脉冲激光雷达对大气水汽、温度、压力探测的方法，步骤具体包括：
S1、利用第一发射机、第二发射机和第三发射机分别发射不同波长的激光，并将所述不同波长的激光合成一道激光束；
S2、将所述激光束导向大气，并获取被激发的大气后向散射回波光束；
S3、将所述后向散射回波光束转化成平行回波光束，将平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光；
S4、分别对水汽回波光、压力回波光和温度回波光进行检测，得到水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数；
S5、将水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数传输至处理机进行统一反演计算得到大气水汽、温度和压力。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种微脉冲激光雷达包括第一发射机、第二发射机、第三发射机、光路传输模组、水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，多通道数据累积器、处理机、脉冲发生器；以及应用所述微脉冲激光雷达对大气水汽、温度、压力探测的方法，由处理机对各发射机发射的多波长的连续激光进行斩波，得到多波长的脉冲激光；使多波长的脉冲激光按照既定的光路进行传输，同时对大气进行水汽、温度和压力的综合探测，使三大参数在反演过程中可以互为输入条件，提高了迭代速度和反演精度。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种微脉冲激光雷达的结构简图；
图2为本发明提供的一种微脉冲激光雷达的结构图；
图3为本发明提供的一种1530nm种子激光源的结构图；
图4为本发明提供的一种1540nm种子激光源的结构图；
图5为本发明提供的一种1651nm种子激光源的结构图；
图6为第一脉冲泵浦源3-8和第二脉冲泵浦源3-10的结构图；
图7为滤光片组合体5-1、6-1和7-1的结构图。
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。
本发明的目的是提供一种微脉冲激光雷达及对大气水汽、温度、压力探测的方法，解决现有激光发射机中存在的两方面问题：发射脉冲的峰值功率很大、功耗很高，存在人眼安全风险，建立和维护成本都很高；缺少能够同时针对大气水汽、温度、压力进行反演计算的复合型微脉冲激光雷达，迭代速度和反演精度有待提高。
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例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
一种微脉冲激光雷达，包括：
第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3，分别用于发射不同波长的激光；
光路传输模组4，设在不同波长的激光的传输光路上，用于将不同波长的激光合成一道激光束，并引导至大气中，还用于接收被激发的大气后向散射回波光束，将后向散射回波光束转化成平行回波光束，并将平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光分别发出；
水汽通道探测模块5、压力通道探测模块6以及温度通道探测模块7，分别设在水汽回波光、压力回波光和温度回波光的传输光路上；水汽通道探测模块5用于接收并检测水汽回波光中的水汽光子数，压力通道探测模块6用于接收并检测压力回波光中的压力光子数，温度通道探测模块7接收并检测温度回波光中的第一温度光子数和第二温度光子数；
数据处理控制模组8，与第一发射机1、第二发射机2、第三发射机3、水汽通道探测模块5、压力通道探测模块6以及温度通道探测模块7连接，一方面用于获取水汽通道探测模块5、压力通道探测模块6以及温度通道探测模块7的数据并统一进行反演计算，另一方面控制第一发射机1、第二发射机2以及第三发射机3的注入电流和工作温度以及将第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3输出的连续激光斩波成脉冲激光；
数据处理控制模组包括：多通道数据累积器8-1，多通道数据累积器8-1的输入端分别连接水汽通道探测模块5、压力通道探测模块6以及温度通道探测模块7，输出端连接处理机8-2，多通道数据累积器8-1用于将水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数以及第二温度光子数传输至处理机8-2统一进行反演计算；
处理机8-2还连接有脉冲发生器8-3，脉冲发生器8-3分别与第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3连接，为第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3提供斩波脉冲；
处理机8-2包括至少一个处理器与第一发射机1、第二发射机2以及第三发射机3连接，组成伺服单元，用于调整第一发射机1、第二发射机2以及第三发射机3的注入电流和工作温度。
在具体应用时，第一发射机1发射波长为765nm的激光、第二发射机2发射波长为770nm的激光，第三发射机3发射波长为825.5nm的激光；
第一发射机1包括依次连接的1530.3324nm探测激光种子源1-1、1530.7608nm参考激光种子源1-2、第一1×1开关1-3、第二1×1开关1-4、第一2×1开关1-5、第一声光调制器1-7、第一掺铒光纤放大器1-9以及第一二倍频发生器1-11，在第一声光调制器1-7上连接有第一射频振荡器1-8，第一射频振荡器1-8与脉冲发生器8-3连接；在第一掺铒光纤放大器1-9上还连接有第一连续泵浦源1-10；
1530.3324nm探测激光种子源1-1包括第一DFB半导体连续波波长基准氰化氢单元1-1-1和第一DFB半导体连续波探测波长稳定单元1-1-2；1530.7608nm参考激光种子源1-2包括第二DFB半导体连续波波长基准氰化氢单元1-2-1和第一DFB半导体连续波参考波长稳定单元1-2-2；
第一DFB半导体连续波波长基准氰化氢单元1-1-1包括：；
第一分布反馈激光二极管1-1-1-1，用于发射连续激光；
第一耦合器1-1-1-2，与第一分布反馈激光二极管1-1-1-1连接，用于将第一分布反馈激光二极管1-1-1-1输出的连续激光分成两部分；
第一电光相位调制器1-1-1-3，与第一耦合器1-1-1-2连接，第一电光相位调制器1-1-1-3用于对第一耦合器1-1-1-2传来的激光进行相位调制；
第一氰化氢气体吸收池1-1-1-4，与第一电光相位调制器1-1-1-3连接，用于使被调相的激光强度，接受氰化氢气体分子R20线形的吸收；
第一InGaAs-PIN探测器1-1-1-5，与第一氰化氢气体吸收池1-1-1-4连接，用于检测通过第一氰化氢气体吸收池1-1-1-4的被调制激光；
第一跨阻放大器1-1-1-6，与第一InGaAs-PIN探测器1-1-1-5连接，用于对经过第一InGaAs-PIN探测器1-1-1-5输出的射频信号进行放大；
第一功率分配器1-1-1-14，与第一调制射频发生器1-1-1-13连接，用于将第一调制射频发生器1-1-1-13产生的调制信号分别传给第一电光相位调制器1-1-1-3和第一移相器1-1-1-15；
第一混频器1-1-1-7，分别连接第一跨阻放大器1-1-1-6和第一移相器1-1-1-15，将第一跨阻放大器1-1-1-6输出的射频信号和第一移相器1-1-1-15输出的调制信号进行混频；
第一低通滤波器1-1-1-8，与第一混频器1-1-1-7连接，用于对进行混频后的信号进行低通滤波，输出反馈环的模拟信号；
第一模/数转换器1-1-1-9，与第一低通滤波器1-1-1-8连接，将模拟信号转换为数字信号；
处理器1-1-1-10与第一模/数转换器1-1-1-9连接，用于对数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第一数/模转换器1-1-1-11与处理器1-1-1-10连接，用于将误差数字信号转换为对应的误差模拟信号；
第一模/数转换器1-1-1-9、处理器1-1-1-10、第一数/模转换器1-1-1-11组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第一电流驱动器及温度控制器1-1-1-12与第一数/模转换器1-1-1-11连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第一电流驱动器及温度控制器1-1-1-12还与第一分布反馈激光二极管1-1-1-1连接，用于控制第一分布反馈激光二极管1-1-1-1的注入电流和工作温度；
最终实现第一分布反馈激光二极管1-1-1-1的工作波长锁定在氰化氢气体分子吸收线R20中心波长上。
第一DFB半导体连续波探测波长稳定单元1-1-2包括：
第二分布反馈激光二极管1-1-2-1，用于发射连续波激光；
第二耦合器1-1-2-2，与第二分布反馈激光二极管1-1-2-1、第一1×1开关1-3和第三耦合器1-1-2-3连接，用于将第二分布反馈激光二极管1-1-2-1输出的激光分别发给第一1×1开关1-3和第三耦合器1-1-2-3；
第三耦合器1-1-2-3，还与第一耦合器1-1-1-2连接，用于接收第一耦合器1-1-1-2传来的第一分布反馈激光二极管1-1-1-1的部分激光；
第一光电检测器组件1-1-2-4，与第三耦合器1-1-2-3连接，用于外差检测第三耦合器1-1-2-3的两个激光差频的射频信号；
第一限幅放大器1-1-2-5，与第一光电检测器组件1-1-2-4连接，用于对其射频信号进行限幅放大；
第一分频器1-1-2-6，与第一限幅放大器1-1-2-5连接，用于对限幅放大后的射频信号进行32倍分频；
第一基准时钟信号发生器1-1-2-7，用于产生时钟信号；
第一直接数字频率合成器1-1-2-8，与第一基准时钟信号发生器1-1-2-7连接，用于在时钟信号的协调下生成103.04MHz的基准射频信号；
第一相敏检波器1-1-2-9，与第一直接数字频率合成器1-1-2-8和第一分频器1-1-2-6连接，用于鉴别基准射频信号和进行32倍分频后的射频信号相位差的模拟信号；
第二模/数转换器1-1-2-10，与第一相敏检波器1-1-2-9连接，用于将相位差模拟信号转换为相位差数字信号；
处理器1-1-2-11与第二模/数转换器1-1-2-10连接，用于对相位差数字信号处理，得到误差数字信号；
第二数/模转换器1-1-2-12，与处理器1-1-2-11连接，用于将误差数字信号转化为对应的误差模拟信号；
第二模/数转换器1-1-2-10、处理器1-1-2-11、第二数/模转换器1-1-2-12组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第二电流驱动器及温度控制器1-1-2-13，与第二数模转换器连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第二电流驱动器及温度控制器1-1-2-13还与第二分布反馈激光二极管1-1-2-1连接，用于控制第二分布反馈激光二极管1-1-2-1的注入电流和工作温度，始终保持第二分布反馈激光二极管1-1-2-1的工作波长比第一分布反馈激光二极管1-1-1-1的工作波长长25.7pm；
最终实现将第二分布反馈激光二极管1-1-2-1的工作波长锁定1530.3324nm处。
第二DFB半导体连续波波长基准氰化氢单元1-2-1包括：
第三分布反馈激光二极管1-2-1-1，用于发射连续波激光；
第四耦合器1-2-1-2，与第三分布反馈激光二极管1-2-1-1连接，用于将第三分布反馈激光二极管1-2-1-1输出的连续激光分成两部分；
第二电光相位调制器1-2-1-3，与第四耦合器1-2-1-2连接，用于对第二耦合器1-1-2-2传来的激光进行相位调制；
第二氰化氢气体吸收池1-2-1-4，与第二电光相位调制器1-2-1-3连接，用于使被调相的激光的强度，接受氰化氢气体分子R19线形的吸收；
第二InGaAs-PIN探测器1-2-1-5，与第二氰化氢气体吸收池1-2-1-4连接，用于检测通过第二氰化氢气体吸收池1-2-1-4的激光；
第二跨阻放大器1-2-1-6，与第二InGaAs-PIN探测器1-2-1-5连接，用于对第二InGaAs-PIN探测器1-2-1-5输出的射频信号进行放大；
第二调制射频发生器1-2-1-13，用于产生调制信号；
第二功率分配器1-2-1-14，与第二调制射频发生器1-2-1-13、第二电光相位调制器1-2-1-3和第二移相器1-2-1-15连接，用于将第二调制射频发生器1-2-1-13产生的调制信号分别传给第二电光相位调制器1-2-1-3和第二移相器1-2-1-15；
第二混频器1-2-1-7，与第二跨阻放大器1-2-1-6和第二移相器1-2-1-15连接，用于将第二跨阻放大器1-2-1-6的射频信号和第二移相器1-2-1-15的调制信号进行混频；
第二低通滤波器1-2-1-8，与第二混频器1-2-1-7连接，用于对进行混频后的变频信号进行过滤，输出反馈环的模拟信号；
第三模/数转换器1-2-1-9，与第二低通滤波器1-2-1-8连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
处理机1-2-1-10，与第三模/数转换器1-2-1-9连接，用于对数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第三数/模转换器1-2-1-11，与处理机1-2-1-10连接，用于将误差数字信号转换为对应的误差模拟信号；
第三模/数转换器1-2-1-9、处理器1-2-1-10、第三数/模转换器1-2-1-11组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第三电流驱动器及温度控制器1-2-1-12，与第三数/模转换器1-2-1-11连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第三电流驱动器及温度控制器1-2-1-12还与第三分布反馈激光二极管1-2-1-1连接，用于控制第三分布反馈激光二极管1-2-1-1的注入电流和工作温度；
最终实现第三分布反馈激光二极管1-2-1-1的工作波长锁定在氰化氢气体分子吸收线R19中心波长。
第一DFB半导体连续波参考波长稳定单元1-2-2包括：
第四分布反馈激光二极管1-2-2-1，用于发射连续波激光；
第五耦合器1-2-2-2，与第四分布反馈激光二极管1-2-2-1、第二1×1开关1-4和第六耦合器1-2-2-3连接，用于将第四分布反馈激光二极管1-2-2-1输出的激光分别发给第二1×1开关1-4和第六耦合器1-2-2-3；
第六耦合器1-2-2-3还与第四耦合器1-2-1-2连接，用于接收第四耦合器1-2-1-2传来的第三分布反馈激光二极管1-2-1-1的部分激光；
第二光电检测器组件1-2-2-4，与第六耦合器1-2-2-3连接，用于外差检测第六耦合器1-2-2-3的两个激光差频的射频信号；
第二限幅放大器1-2-2-5，与第二光电检测器组件1-2-2-4连接，用于对其射频信号进行限幅放大；
第二分频器1-2-2-6，与第二限幅放大器1-2-2-5连接，用于对限幅放大后的射频信号进行32倍分频；
第二基准时钟信号发生器1-2-2-7，用于产生时钟信号；
第二直接数字频率合成器1-2-2-8，与第二基准时钟信号发生器1-2-2-7连接，用于在时钟信号的协调下生成101.2MHz基准射频信号；
第二相敏检波器1-2-2-9，与第二直接数字频率合成器1-2-2-8和第二分频器1-2-2-6连接，用于鉴别基准射频信号和进行32倍分频后的射频信号的相位差模拟信号；
第四模/数转换器1-2-2-10，与第二相敏检波器1-2-2-9连接，用于将相位差模拟信号转换为相位差数字信号；
处理器1-2-2-11，与第四模/数转换器1-2-2-10连接，用于对相位差数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第四数/模转换器1-2-2-12，与处理器1-2-2-11连接，用于将误差数字信号转化为对应的误差模拟信号；
第四模/数转换器1-2-2-10、处理器1-2-2-11、第四数/模转换器1-2-2-12组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第四电流驱动器及温度控制器1-2-2-13，与第四数模转换器连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第四电流驱动器及温度控制器1-2-2-13还与第四分布反馈激光二极管1-2-2-1连接，用于控制第四分布反馈激光二极管1-2-2-1的注入电流和工作温度，始终保持第四分布反馈激光二极管1-2-2-1的工作波长比第三分布反馈激光二极管1-2-1-1的工作波长短25.4pm；
最终实现第四分布反馈激光二极管1-2-2-1的工作波长锁定在1530.7608nm处。
第二发射机2包括依次连接的1539.5916nm探测激光种子源2-1、1540.2170nm参考激光种子源2-2、第三1×1开关2-3、第四1×1开关2-4、第二2×1开关2-5、第二声光调制器2-7、第二掺铒光纤放大器2-9以及第二二倍频发生器2-11；在第二声光调制器2-7上连接有第二射频振荡器2-8，第二射频振荡器2-8与脉冲发生器8-3连接；第二掺铒光纤放大器2-9上连接有第二连续泵浦源2-10；
1539.5916nm探测激光种子源2-1包括DFB半导体连续波波长基准乙炔单元2-1-1和第二DFB半导体连续波探测波长稳定单元2-1-2；1540.2170nm参考激光种子源2-2包括第二DFB半导体连续波半波长钾原子KD1气体单元2-2-1；
DFB半导体连续波波长基准乙炔单元2-1-1包括：
第五分布反馈激光二极管2-1-1-1，用于发射连续波激光；
第七耦合器2-1-1-2，与第五分布反馈激光二极管2-1-1-1连接，用于将第五分布反馈激光二极管2-1-1-1输出的连续激光分成两部分；
第三电光相位调制器2-1-1-3，与第七耦合器2-1-1-2连接，用于对第七耦合器2-1-1-2传来的激光进行相位调制；
第一乙炔气体吸收池2-1-1-4，与第三电光相位调制器2-1-1-3连接，用于使被调相激光的强度，受到乙炔气体分子P23线形的吸收；
第三InGaAs-PIN探测器2-1-1-5，与第一乙炔气体吸收池2-1-1-4连接，用于检测通过第一乙炔气体吸收池2-1-1-4之后的剩余激光；
第三跨阻放大器2-1-1-6，与第三InGaAs-PIN探测器2-1-1-5连接，用于对经过第一InGaAs-PIN探测器2-1-1-5检测的射频信号进行放大；
第三调制射频发生器2-1-1-13，用于产生调制射频信号；
第三功率分配器2-1-1-14，与第三调制射频发生器2-1-1-13、第三电光相位调制器2-1-1-3和第三移相器2-1-1-15连接，用于将第三调制射频发生器2-1-1-13产生的调制射频信号分别传给第三电光相位调制器2-1-1-3和第三移相器2-1-1-15；
第三混频器2-1-1-7，与第三跨阻放大器2-1-1-6和第三移相器2-1-1-15连接，用于将被第三跨阻放大器2-1-1-6放大的射频信号和经过第三移相器2-1-1-15的调制信号进行混频；
第三低通滤波器2-1-1-8，与第三混频器2-1-1-7连接，用于对进行混频后的射频信号进行过滤，输出反馈环的模拟信号；
第五模/数转换器2-1-1-9，与第三低通滤波器2-1-1-8连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
处理器2-1-1-10，与第五模/数转换器2-1-1-9连接，用于对数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第五数/模转换器2-1-1-11，与处理器2-1-1-10连接，用于将误差数字信号转换为对应的误差模拟信号；
第五模/数转换器2-1-1-9、处理器2-1-1-10、第五数/模转换器2-1-2-11组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第五电流驱动器及温度控制器2-1-1-12，与第五数/模转换器2-1-1-11连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第五电流驱动器及温度控制器2-1-1-12还与第五分布反馈激光二极管2-1-1-1连接，用于控制第五分布反馈激光二极管2-1-1-1的注入电流和工作温度；
最终实现第五分布反馈激光二极管2-1-1-1的工作波长锁定在乙炔气体分子P23吸收线中心波长。
第二DFB半导体连续波探测波长稳定单元2-1-2包括：
第六分布反馈激光二极管2-1-2-1，用于发射连续波激光；
第八耦合器2-1-2-2，与第六分布反馈激光二极管2-1-2-1、第三1×1开关2-3和第九耦合器2-1-2-3连接，用于将第六分布反馈激光二极管2-1-2-1输出的激光分别发给第三1×1开关2-3和第九耦合器2-1-2-3；
第九耦合器2-1-2-3还与第七耦合器2-1-1-2连接，用于接收第七耦合器2-1-1-2传来的第五分布反馈激光二极管2-1-1-1的激光；
第三光电检测器组件2-1-2-4，与第九耦合器2-1-2-3连接，用于外差检测第九耦合器2-1-2-3的两个激光差频的射频信号；
第三限幅放大器2-1-2-5，与第三光电检测器组件2-1-2-4连接，用于对射频信号进行限幅放大；
第一基准频率合成器2-1-2-7，用于产生18GHz超高频信号；
第四混频器2-1-2-6，与第三限幅放大器2-1-2-5和第一基准频率合成器2-1-2-7连接，用于将限幅放大后的射频信号和超高频信号混频得到下变频射频信号；
第四功率分配器2-1-2-8，与第四混频器2-1-2-6连接，用于将下变频的射频信号分成两部分，一部分下变频的射频信号直接传给第一射频功率检波器2-1-2-11连接，另一部分下变频射频信号通过第四低通滤波器2-1-2-9过滤，再传给第二射频功率检波器2-1-2-10；
第一射频功率检波器2-1-2-11，用于检测下变频的射频信号的功率数值模拟信号；第二射频功率检波器2-1-2-10，用于检测经过第四低通滤波器的射频功率的模拟信号；
第六模/数转换器2-1-2-12，分别与第一射频功率检波器2-1-2-11以及第二射频功率检波器2-1-2-10连接，用于将功率数值模拟信号转化为功率数值数字信号；
处理器2-1-2-13，与第六模/数转换器2-1-2-12连接，用于计算两个功率数值数字信号的比值，获得下变频的射频信号相对于第四低通滤波器2-1-2-9的透过率，根据功率数值数字信号计算得到误差数字信号；
第六数/模转换器2-1-2-14，与处理器2-1-2-13连接，用于将误差数字信号转化为对应的误差模拟信号；
第六模/数转换器2-1-2-12、处理器2-1-2-13、第六数/模转换器2-1-2-14组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第六电流驱动器及温度控制器2-1-2-15，与第六数模转换器连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第六电流驱动器及温度控制器2-1-2-15还与第六分布反馈激光二极管2-1-2-1连接，用于控制第六分布反馈激光二极管2-1-2-1的注入电流和工作温度，始终保持第六分布反馈激光二极管2-1-2-1的工作光频率比第五分布反馈激光二极管2-1-1-1的工作光频率多20.4GHz；
最终实现第六分布反馈激光二极管2-1-2-1的工作波长稳定在1539.5916nm处。
第二DFB半导体连续波参考波长稳定单元2-2-1包括：
第七分布反馈激光二极管2-2-1-1，用于发射连续波激光；
第十耦合器2-2-1-3，与第七分布反馈激光二极管2-2-1-1和第四1×1开关2-4连接，用于将第七分布反馈激光二极管2-2-1-1输出的激光发给第四1×1开关2-4；
第四调制射频发生器2-2-1-15，用于产生调制射频信号；
第三分频器2-2-1-16，与第四调制射频发生器2-2-1-15连接，用于对调制射频信号进行二倍分频；
第四电光相位调制器2-2-1-4，与第十耦合器2-2-1-3和第三分频器2-2-1-16连接，用于根据分频后的调制射频信号对第十耦合器2-2-1-3输出的激光进行相位调制；
第三掺铒光纤放大器2-2-1-5，与第四电光相位调制器2-2-1-4连接，用于对相位调制后的激光的功率进行放大；
第四二倍频器2-2-1-6，与第三掺铒光纤放大器2-2-1-5连接，用于将功率经过放大后的激光波长减半；
第二钾原子气体吸收池2-2-1-7，与第四二倍频器2-2-1-6连接，用于使第二钾原子气体吸收池2-2-1-7，按线形KD1吸收部分二倍频连续波激光；
第一硅-PIN探测器2-2-1-8，与第二钾原子气体吸收池2-2-1-7连接，用于对被钾原子气体吸收之后而剩余的激光进行检测，得到射频信号；
第四相移器2-2-1-17，与第四调制射频发生器2-2-1-15连接，用于对第四调制射频发生器2-2-1-15产生的调制射频信号进行相移，得到相移后的调制射频信号；
第五混频器2-2-1-9，与第四相移器2-2-1-17和第一硅-PIN探测器2-2-1-8连接，用于将硅-PIN探测器输出的射频信号和相移后的调制射频信号进行混频；
第五低通滤波器2-2-1-10，与第五混频器2-2-1-9连接，用于对混频得到的信号进行低通过滤得到模拟信号；
第七模/数转换器2-2-1-11，与第五低通滤波器2-2-1-10连接，用于将模拟信号转换为数字信号；
处理器2-2-1-12，与第七模/数转换器2-2-1-11连接，用于对数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第七数/模转换器2-2-1-13，与处理器2-2-1-12连接，用于将误差数字信号转换为对应的误差模拟信号；
第七模/数转换器2-2-1-11、处理器2-2-1-12、第三数/模转换器2-2-1-13组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第七电流驱动器及温度控制器2-2-1-14，与第五数/模转换器2-1-1-11连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第七电流驱动器及温度控制器2-2-1-14还与第七分布反馈激光二极管2-2-1-1连接，用于控制第七分布反馈激光二极管2-2-1-1的注入电流和工作温度；
最终实现第七分布反馈激光二极管2-2-1-1的工作波长稳定在钾原子气体吸收线770.1085nm的两倍波长处。
第三发射机3包括依次连接的1650.994nm探测激光种子源3-1、1650.666nm参考激光种子源3-2、第五1×1开关3-3、第六1×1开关3-4、第三2×1开关3-5、第一级Raman光纤放大器3-7、第二级Raman光纤放大器3-9以及第三二倍频发生器3-11；在第一级Raman光纤放大器3-7上连接有第一脉冲泵浦源3-8，在第二级Raman光纤放大器3-9上连接有第二脉冲泵浦源3-10，第一脉冲泵浦源3-8和第二脉冲泵浦源3-10均与脉冲发生器8-3连接；
1650.994nm探测激光种子源3-1包括DFB半导体连续波波长基准甲烷单元3-1-1和第三DFB半导体连续波探测波长稳定单元3-1-2；1650.666nm参考激光种子源3-2仅包括第三DFB半导体连续波参考波长稳定单元3-2-1。
DFB半导体连续波波长基准甲烷单元3-1-1包括：
第八分布反馈激光二极管3-1-1-1，用于发射连续波激光；
第十一耦合器3-1-1-2，与第八分布反馈激光二极管3-1-1-1连接，用于将第八分布反馈激光二极管3-1-1-1输出的连续激光分成两部分；
第八分布反馈激光二极管3-1-1-1与第十一耦合器3-1-1-2连接，第八分布反馈激光二极管3-1-1-1用于输出激光；
第五电光相位调制器3-1-1-3，与第十一耦合器3-1-1-2连接，用于对第十一耦合器3-1-1-2传来的激光进行相位调制；
第一甲烷气体吸收池3-1-1-4，与第五电光相位调制器3-1-1-3连接，用于使被调相之后的激光强度，按照甲烷气体分子R4吸收线的线形进行吸收；
第四InGaAs-PIN探测器3-1-1-5，与第一甲烷气体吸收池3-1-1-4连接，用于检测通过第一甲烷气体吸收池3-1-1-4的激光；
第四跨阻放大器3-1-1-6，与第四InGaAs-PIN探测器3-1-1-5连接，用于对经过第四InGaAs-PIN探测器3-1-1-5的输出信号进行放大；
第五调制射频发生器3-1-1-13，用于产生调制信号；
第五功率分配器3-1-1-14，与第五调制射频发生器3-1-1-13、第五电光相位调制器3-1-1-3和第五移相器3-1-1-15连接，用于将第五调制射频发生器3-1-1-13产生的调制信号分别传给第五电光相位调制器3-1-1-3和第五移相器3-1-1-15；
第六混频器3-1-1-7，与第四跨阻放大器3-1-1-6和第五移相器3-1-1-15连接，用于将第四跨阻放大器3-1-1-6输出的射频信号和第五移相器3-1-1-15输出的调制信号进行混频；
第六低通滤波器3-1-1-8，与第六混频器3-1-1-7连接，用于对进行混频后的射频信号进行过滤，输出反馈环的模拟信号；
第八模/数转换器3-1-1-9，与第六低通滤波器3-1-1-8连接，用于将第六低通滤波器3-1-1-8输出的模拟信号转换为数字信号；
处理器3-1-1-10，与第八模/数转换器3-1-1-9连接，用于对数字信号处理，计算得到误差数字信号；
第八数/模转换器3-1-1-11，与处理器3-1-1-10连接，用于将误差数字信号转换为对应的误差模拟信号；
第八模/数转换器3-1-1-9、处理器3-1-1-10、第八数/模转换器3-1-1-11组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第八电流驱动器及温度控制器3-1-1-12，与第八数/模转换器3-1-1-11连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第八电流驱动器及温度控制器3-1-1-12还与第八分布反馈激光二极管3-1-1-1连接，用于控制第八分布反馈激光二极管3-1-1-1的注入电流和工作温度；
最终实现第八分布反馈激光二极管3-1-1-1的工作波长锁定在甲烷气体分子吸收线R4波长1650.958nm处。
第三DFB半导体连续波探测波长稳定单元3-1-2包括：
第九分布反馈激光二极管3-1-2-1，用于发射连续波激光；
第十二耦合器3-1-2-2，与第九分布反馈激光二极管3-1-2-1、第五1×1开关3-3和第十三耦合器3-1-2-3连接，用于将第九分布反馈激光二极管3-1-2-1输出的激光分别发给第五1×1开关3-3和第十三耦合器3-1-2-3；
第十三耦合器3-1-2-3还与第十一耦合器3-1-1-2连接，用于接收第十一耦合器3-1-1-2传来的第八分布反馈激光二极管3-1-1-1的激光；
第四光电检测器组件3-1-2-4，与第十三耦合器3-1-2-3连接，用于外差检测第十三耦合器3-1-2-3的两个激光差频的射频信号；
第四限幅放大器3-1-2-5，与第四光电检测器组件3-1-2-4连接，用于对射频信号进行限幅放大；
第四分频器3-1-2-6，与第四限幅放大器3-1-2-5连接，用于对限幅放大后的射频信号进行32倍分频；
第三基准射频发生器3-1-2-7，用于产生123.8MHz基准射频信号；
第七混频器3-1-2-8，与第三基准射频发生器3-1-2-7和第一分频器3-1-2-6连接，用于将基准射频信号和进行32倍分频后的射频信号进行混频，得到下变频信号；
第七低通滤波器3-1-2-9，与第七混频器3-1-2-8连接，用于对下变频信号进行过滤，得到低频模拟信号；
第九模/数转换器3-1-2-10，与第七低通滤波器3-1-2-9连接，用于将低频模拟信号转换为低频数字信号；
处理器3-1-2-11，与第九模/数转换器3-1-2-10连接，用于对的低频数字信号进行傅立叶变换，获得第七低通滤波器3-1-2-9之后的低频信号的频率，据此频率计算得到误差数字信号；
第九数/模转换器3-1-2-12，与处理器3-1-2-11连接，用于将误差数字信号转化为对应的误差模拟信号；
第八模/数转换器3-1-2-9、处理器3-1-2-10、第八数/模转换器3-1-2-11组成一个伺服单元，发挥处理器8-2的部分功能；
第九电流驱动器及温度控制器3-1-2-13，与第九数模转换器连接，用于根据误差模拟信号输出电流增量和温度增量；
第九电流驱动器及温度控制器3-1-2-13还与第九分布反馈激光二极管3-1-2-1连接，用于控制九分布反馈激光二极管的注入电流和工作温度，始终保持第九分布反馈激光二极管3-1-2-1的工作波长比第八分布反馈激光二极管3-1-1-1的工作波长多36pm；
最终实现第九分布反馈激光二极管3-1-2-1的工作波长稳定在1650.994nm处。
第三DFB半导体连续波参考波长稳定单元3-2-1包括：
第十分布反馈激光二极管3-2-1-1，用于发射连续激光；
第十分布反馈激光二极管3-2-1-1还连接有第六1×1开关3-4；
第十电流驱动器及温度控制器3-2-1-2，与第十分布反馈激光二极管3-2-1-1连接，用于控制第十分布反馈激光二极管3-2-1-1的注入电流和工作温度；第十分布反馈激光二极管3-2-1-1工作波长被动稳定在1650.666nm处。
本实施例中，光路传输模组4包括：
全反射镜4-1，设置在第一发射机1输出的光的传输方向上，用于将第一发射机1的激光折转90°；
偏振合束器4-2，设置在第二发射机2的光路与全反射镜4-1的光路相交处，用于将第一发射机1的激光与第二发射机2的激光合束；
第一双色片4-3，设置在第三发射机3的光路与偏振合束器4-2的光路相交处，用于将第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3的激光合束；
以及在激光合束的传输光路上依次设置的扩束器4-4、轴椎体4-5、第一透镜4-6、望远镜4-8及输入/输出光窗4-9；激光合束依次被准直、圆环光斑转换、汇聚和平行处理后，得到包含765nm、770nm和825.5nm波长激光的平行激光束进入大气，被激发产生大气后向散射回波光束，后向散射回波光束经输入/输出光窗4-9返回至第一透镜4-6进行平行处理，再由中空反射镜4-10、第二双色片4-11和小角度干涉滤光片4-12依次进行处理；
第二双色片4-11将平行回波光束中的825.5nm的水汽回波光分离出来发给水汽通道探测模块5；
小角度干涉滤光片4-12将平行回波光束中的765nm的压力回波光分离出来发给压力通道探测模块6，并将770nm的温度回波光发给温度通道探测模块7。
中空反射镜4-10上设置有中空部和外周反射镜，中空部用于使轴椎体4-5发送出的圆环光斑的光束无阻碍穿过，外周反射镜用于使平行回波光束被折转90°。
为了准确检测出水汽光子数，水汽通道探测模块5包括：
第一滤光片组合体5-1，设在水汽回波光的传输方向上，用于抑制环境光；
第二透镜5-2，设在第一滤光片组合体5-1输出的光的传输方向上；
第一单光子计数器5-3，设在第二透镜5-2输出的光的传输方向上，用于检测水汽回波光中的水汽光子数；
为了准确检测出压力光子数，压力通道探测模块6包括：
第二滤光片组合体6-1，设在压力回波光的光路上，用于抑制环境光；
第三透镜6-2，设在第二滤光片组合体6-1输出的光的传输方向上；
第二单光子计数器6-3，设在第三透镜6-2输出的光的传输方向上，用于检测压力回波光中的压力光子数；
为了准确检测出第一温度光子数和第二温度光子数，温度通道探测模块7包括：
第三滤光片组合体7-1，设在温度回波光的光路上，用于抑制环境光；
70/30分束片7-2，设在第三滤光片组合体7-1输出的光的传输方向上，将温度回波光分为30％温度回波光和70％温度回波光；
第四透镜7-3，设在30％温度回波光的传输方向上；
第三单光子计数器7-4，设在第四透镜7-3输出的光的传输方向上，用于检测30％温度回波光中的第一温度光子数；
第一钾原子气体吸收池7-5，设在70％温度回波光的传输方向上；
第五透镜7-6，设在第一钾原子气体吸收池7-5输出的光的传输方向上；
第四单光子计数器7-7，设在第五透镜7-6输出的光的传输方向上，用于检测70％温度回波光中的第二温度光子数。
实施例二：
在本实施例中，本发明还提供了一种使用微脉冲激光雷达对大气水汽、温度、压力探测的方法，具体步骤包括：
S1、利用第一发射机1、第二发射机2和第三发射机3分别发射不同波长的激光，并将不同波长的激光合成一道激光束；
S11、利用第一发射机1发射激光到全反射镜4-1，通过全反射镜4-1折转至偏振合束器4-2；其中，利用第一发射机1发射激光具体包括：利用1530.3324nm探测激光种子源1-1和1530.7608nm参考激光种子源1-2分别向第一1×1开关1-3和第二1×1开关1-4发射连续激光，通过第一2×1开关1-5选通这两种连续激光到第一声光调制器1-7中，并通过第一射频振荡器1-8将连续激光斩波为脉冲激光；利用第一掺铒光纤放大器1-9放大脉冲能量后，通过第一二倍频器输出765nm的脉冲激光；
S12、利用第二发射机2发射激光到偏振合束器4-2，与第一发射机1发射的激光垂直相交，合成一束折转至第一双色片4-3；其中，利用第二发射机2发射激光具体包括：利用1539.5916nm探测激光种子源2-1和1540.2170nm参考激光种子源2-2分别向第三1×1开关2-3和第四1×1开关2-4发射连续激光，通过第二2×1开关2-5选通这两种连续激光到第二声光调制器2-7中，并通过第二射频振荡器2-8将连续激光斩波为脉冲激光；利用第二掺铒光纤放大器2-9放大脉冲能力后，通过第二二倍频器输出770nm的脉冲激光；
S13、利用第三发射机3发射激光到第一双色片4-3，与由第一发射机1激光和第二发射机2激光组成的激光束合成一束；其中，利用第三发射机3发射激光具体包括：利用1650.994nm探测激光种子源3-1和1650.666nm参考激光种子源3-2分别向第五1×1开关3-3和第六1×1开关3-4发射连续激光，通过第三2×1开关3-5选通这两种连续激光到第一Raman光纤放大器中，利用第一脉冲泵浦源3-8将连续激光斩波为脉冲激光；利用第二Raman光纤放大器放大脉冲能量后，通过第三二倍频发生器3-11输出825.5nm的脉冲激光；
S2、将激光束导向大气，并获取被激发的大气后向散射回波光束；
S21、利用扩束器4-4对激光束进行准直，并通过轴椎体4-5将光束变成圆环形光束；
S22、将圆环形光束穿过中空反射镜4-10的中空部，利用透镜将圆环形光束汇聚于望远镜4-8的焦点处；
S23、利用望远镜4-8以倍数扩展圆环形光束的束径，并降低圆环形光束的发散角，得到平行光束；
S24、利用输入/输出光窗4-9使平行光束进入大气，并利用输入/输出光窗4-9接收平行光束被激发的大气后向散射回波光束。
S3、将后向散射回波光束转化成平行回波光束，将平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光；
S31、利用望远镜4-8将回波光收集于望远镜4-8的焦点处，利用透镜将后向散射回波光束还原成平行回波光束；
S32、利用中空反射镜4-10的外周镜面反射平行回波光束到第二双色片4-11；
S33、利用第二双色片4-11从平行回波光束中将水汽回波光分离出来，将其余平行回波光束发送给小角度干涉滤光片4-12；
S34、利用小角度干涉滤光片4-12将压力回波光分离出来，同时得到温度回波光。
S4、分别对水汽回波光、压力回波光和温度回波光进行检测，得到水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数；
S41、通过水汽通道探测模块5接收水汽回波光检测得到水汽光子数；
S42、通过压力通道探测模块6接收压力回波光检测得到压力光子数；
S43、通过温度通道探测模块7接收温度回波光检测得到第一温度光子数和第二温度光子数。
S5、将水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数传输至处理机8-2进行统一反演计算得到大气水汽、温度和压力。
实施例三：
参照图2，第一发射机1组成部份，包括1530.3324nm探测激光种子源1-1，1530.7608nm参考激光种子源1-2，第一2×1开关1-5，第一光隔离器1-6，第一声光调制器1-7及其第一射频振荡器1-8，第一掺铒光纤放大器1-9及其第一连续泵浦源1-10，以及第一二倍频发生器1-11等几个部分。波长稳定的1530.3324nm探测激光种子源1-1和1530.7608nm参考激光种子源1-2发射连续激光，分别与第一2×1开关1-5连接，选通这两种连续激光分别与连接有第一射频振荡器1-8的第一声光调制器1-7相连，被斩波为脉冲宽度300ns以内、脉冲重复频率10kHz的脉冲激光，此脉冲激光被包括第一连续泵浦源1-10的第一掺铒光纤放大器1-9放大脉冲能量，脉冲能量可以达到80μJ量级，此脉冲激光再经过第一二倍频发生器1-11，倍频后的脉冲激光的波长等于氧气A带的某个探测波长(765.1662nm)，或者等于氧气A带差分吸收激光雷达的参考波长(765.3804nm)。最终输出765nm脉冲激光对，脉冲宽度300ns，脉冲重复频率10kHz，脉冲能量40μJ。
参照图2，第二发射机2组成部份，包括1539.5916nm探测激光种子源2-1，1540.2170nm参考激光种子源2-2，第二2×1开关2-5，第二光隔离器2-6，第二声光调制器2-7及其第二射频振荡器2-8，第二掺铒光纤放大器2-9及其第二连续泵浦源2-10，以及第二二倍频发生器2-11等几个部分。波长稳定的1539.5916nm探测激光种子源2-1和1540.2170nm参考激光种子源2-2发射连续激光，分别与第二2×1开关2-5连接，选通这两种连续激光，分别与包括第二射频振荡器2-8的第二声光调制器2-7联通，被斩波为脉冲宽度300ns以内、脉冲重复频率10kHz的脉冲激光，此脉冲激光被连接有第二连续泵浦源2-10的第二掺铒光纤放大器2-9，放大脉冲能量，脉冲能量可以达到110μJ量级；此脉冲激光再经过第二二倍频发生器2-11，倍频后的脉冲激光的波长等于氧气A带的某个探测波长(769.7865nm)，或者等于氧气A带差分吸收激光雷达的参考波长(770.1085nm)。最终输出770nm脉冲激光对，脉冲宽度300ns，脉冲重复频率10kHz，脉冲能量50μJ。
参照图2，第三发射机3组成部份，包括1650.994nm探测激光种子源3-1，1650.666nm参考激光种子源3-2，第三2×1开关3-5以及，第三光隔离器3-6，第一级Raman光纤放大器3-7，第二级Raman光纤放大器3-9，第一级Raman光纤放大器3-7的第一脉冲泵浦源3-8和第二级Raman光纤放大器3-9的第二脉冲泵浦源3-10，以及第三二倍频发生器3-11等几个部分。波长稳定的1650.994nm探测激光种子源3-1和1650.666nm参考激光种子源3-2发射连续激光，分别与第三2×1开关3-5连接，选通这两种连续激光，分别与第一级Raman光纤放大器3-7相连，斩波为脉冲宽度100ns以内、脉冲重复频率7kHz的脉冲激光，此脉冲激光被第二Raman光纤放大器3-9放大脉冲能量，脉冲能量可以达到14μJ量级，此脉冲激光再经过第三二倍频发生器3-11倍频，倍频后的脉冲激光的波长等于水汽吸收线的某个探测波长(825.497nm)，或者等于水汽差分吸收激光雷达的参考波长(825.333nm)。第三二倍频发生器3-11的工作物质为周期性极化的准相位匹配倍频晶体，将准相位匹配晶体置于干燥、恒温、两端透明的盒子里。二倍频器的转换效率一般可以为40～50％。最终输出825.5nm脉冲激光对，脉冲宽度100ns，脉冲重复频率7kHz，脉冲能量7μJ。
第一发射机1发射的765nm脉冲激光束通过45°全反射镜4-1，与第二发射机2发射的770nm脉冲激光束通过偏振合束器4-2合成一束，再由双色片4-3与第三发射机3发射的825.5nm脉冲激光束合束，由扩束器4-4准直成平行光，平行光束的截面是圆形光斑，它经过一对锥棱镜4-5，变形成截面为圆环的平行光束，此平行光束穿过45°的中空反射镜4-10的中空部，然后被透镜4-6汇聚在望远镜4-8的焦点4-7上。
从焦点4-7出发的脉冲激光进入望远镜4-8，光束扩张成发散角更小的平行光束，望远镜4-8的副镜不会因为阻挡平行光束而带来光束损耗，由望远镜4-8出发的平行光束，从输入/输出光窗4-9穿过进入大气。
被下对流层大气后向散射的回波光束，再次穿过输入/输出光窗4-9，被望远镜4-8收集汇聚于焦点4-7，从焦点4-7出发的光束被透镜4-6还原成平行光束，平行回波光束直径大于发射光束的直径，这样回波光束被45°的中空反射镜4-10的外周镜面反射后，光束方向偏折90°，回波平行光经过双色片4-11分成两支路，一支的825.5nm的水汽回波光进入水汽通道探测模块5，剩下的一支穿过双色片4-11，经过入射角小于22.5°的干涉滤光片4-12，分为两路，一路的770nm的温度回波光穿过小角度干涉滤光片4-12进入温度通道探测模块7，另一路的765nm的压力回波光则被小角度干涉滤光片4-12全部反射，进入压力通道探测模块6。
参照图2，825.5nm的水汽回波光经过第一滤光片组合体5-1，抑制环境光，经过第二透镜5-2，被第一单光子计数模块(SPCM)5-3检测，检测的光子数据由多通道累积器8-1的输入端接收；图7，第一滤光片组合体5-1包括12nm宽带滤光片5-1-1、标准具5-1-2、750pm双腔窄带滤光片5-1-3，标准具5-1-2的自由光谱范围设计使得825.497nm和825.333nm是标准具5-1-2的两个邻模，都能穿过标准具5-1-2。双腔窄带滤光片5-1-3的光谱曲线是平顶，对于825.497nm和825.333nm的透过率相当。
参照图2，765nm的压力回波光经过第二滤光片组合体6-1和第三透镜6-2，被第二单光子计数器6-3检测，检测结果送给多通道累积器8-1。图7，第二滤光片组合体6-1包括12nm宽带滤光片6-1-1、标准具6-1-2、750pm双腔窄带滤光片6-1-3，标准具6-1-2的自由光谱范围设计使得765.1662nm和765.3804nm是标准具6-1-2的两个邻模，都能穿过标准具6-1-2。标准具6-1-2的自由光谱范围等于online和offline波长之差。
参照图2，770nm的温度回波光由70/30分束片7-2，又分成两路，30％的770nm的温度回波光，经过第四透镜7-3，被第三单光子计数器7-4检测，检测的数据由多通道累积器8-1的输入端接收，70％的770nm的温度回波光，先经过第一钾原子气体吸收池7-5，穿过第一钾原子气体吸收池7-5的回波光，经过第五透镜7-6被第四单光子计数器7-7检测，检测结果送给多通道累积器8-1。图7，第三滤光片组合体7-1包括12nm宽带滤光片7-1-1、标准具7-1-2、750pm双腔窄带滤光片7-1-3，标准具7-1-2的自由光谱范围设计使得769.7958nm和770.1085nm是标准具7-1-2的两个邻模，都能穿过标准具7-1-2。激光雷达的第二发射机和温度通道探测模块7加在一起，再加上处理机8-2、脉冲发生器8-3，就构成了一个769.7958nm/770.1085nm差分吸收激光雷达，外加一个770.1085nm的高光谱分辨率激光雷达，激光雷达回波的Mie后向散射谱宽度比Rayleigh后向散射谱宽度小得多，第一钾原子气体吸收池7-5就是高光谱分辨率激光雷达的Mie-Rayleigh的谱分析器，30％通道是Mie-Rayleigh通道，即30％通道探测的光子数N30既有Mie后向散射成分，也有Rayleigh后向散射成分；而70％通道是Rayleigh通道，70％探测的光子数N70当中应该没有Mie后向散射成分。下面的方程可以表达为：
Figure BDA0003220051560000231
用矩阵表示：
Figure BDA0003220051560000232
方程的解：
Figure BDA0003220051560000233
其中，Sa表示30％回波中Mie后向散射的全部信号，Sm表示30％回波中Rayleigh后向散射的全部信号；其中Aa、Am、Bm都是激光雷达系统系数，可以通过定标，来获得它们的数值，解出了Sa和Sm之后，就能知道大气对770.1085nm激光的后向散射比：
(βm+βa)/βm＝(Sa+Sm)/Sm (4)
因为波长769.7958nm，与波长770.1085nm很接近，所以认为769.7958nm的后向散射比等于770.1085nm的后向散射比。769.7958nm的后向散射比，对于求取氧气对769.7958nm激光的吸收系数α至关重要，吸收系数α出现在温度迭代运算的公式里。
如图6，第一Raman光纤放大器3-7的第一脉冲泵浦源3-8，包括掺铒光纤放大器3-8-3，SOA半导体光放大器3-8-2，扫频的DBR激光二极管3-8-1，DBR激光二极管3-8-1的扫描电流驱动器3-8-4；电流驱动器3-8-4的输出电流呈三角形上升和下降，驱动DBR激光二极管3-8-1的激光不断扫频，驱动电流的脉冲宽度200ns以下，DBR激光二极管3-8-1的激光脉冲在1480nm或980nm附近变化光频，半导体光放大器3-8-2放大1480nm或980nm的脉冲激光，半导体光放大器3-8-2通过泵浦掺铒光纤放大器3-8-3输出1.55μm的脉冲激光，1.55μm的脉冲激光去激发第一Raman光纤放大器3-7，在1651nm连续激光种子注入情况下，发出脉冲的1651nm激光。
如图6，第二Raman光纤放大器3-9的第二脉冲泵浦源3-10，与上同理，不再赘言。经过两级Raman光纤放大器，可以得到时间宽度100ns，重复频率7kHz，脉冲能量14μJ单频激光。
(1)关于水汽含量的反演过程中，最重要的关系公式如下：
Figure BDA0003220051560000241
其中，nwv是大气中水汽的分子密度，Δr是距离分辨单元，σ是水汽online波长和offline波长的吸收截面(分别下标on和off)，而N为被水汽通道探测模块5接收到的online波长和offline波长水汽光子数(分别下标on和off)，σ是关于高度r处的大气温度和压力的函数。因此，水汽含量的垂直分布廓线的获得有一个前提：将大气温度和压力的垂直分布作为条件输入反演程序。
(2)大气温度反演的迭代公式如下：
Figure BDA0003220051560000242
其中
Figure BDA0003220051560000243
就是氧气在大气中的混合比，
Figure BDA0003220051560000244
就是水汽在大气中的混合比，P就是大气压力；Ti+1(z)和Ti(z)某高度处大气温度迭代计算的序列；可以看出要对大气温度做迭代计算，大气中水汽的混合比和大气压力都是需要输入的计算条件。kB波尔兹曼常数，T0常温，S0吸收系数峰值，Λ吸收谱线线型，ε表示能级，h普朗克常数，c为光速。
(3)大气压力是和A带双波长的差分光学厚度成对应关系如下：
Figure BDA0003220051560000251
其中
Figure BDA0003220051560000252
就是水汽在大气z高度处的混合比，n(z)为z高度处大气的分子密度，
Figure BDA0003220051560000253
和
Figure BDA0003220051560000254
是在高度z处，氧气分子A带online波长和offline波长的吸收截面(分别下标on和off)，吸收截面是关于z处大气的温度的函数；因此计算大气压力，就要计算光学厚度dz，计算光学厚度又需要大气温度和水汽混合比的先验数值。
从以上可以看出，大气温度、水汽、压力的垂直廓线是彼此耦合的，因此在反演其中某参数时，可以将另外两个参数的数值作为输入条件，迭代收敛；这是三个参数复合探测的优势所在。
(4)1540.2170nm的脉冲激光经过准相位匹配的第二二倍频器2-11，有一半能量转化为770.1085nm的脉冲激光，还剩余一半能量的1540.2170nm脉冲激光，而这50μJ、10kHz、300ns的脉冲激光发射到大气中，它的后向散射回波，与连续波的1540.2170nm本振激光(从第二掺铒光纤放大器2-9分出1％的功率作为本振)，外差探测之后的射频信号，与第二声光调制器2-7的第二射频振荡器2-8的信号，再次混频和低通滤波，之后的信号经过A-D转换和快速傅里叶变换(FFT)，应用多普勒原理，可以获得风速的信息，如果1540.2170nm的脉冲激光发射方向可以转动，即可以反演风矢量。
复合探测下对流层大气水汽温度压力微脉冲激光雷达所用关键核心器件(DFB/DBR激光二极管、掺铒光纤放大器、声光调制器、电光调制器、单光子计数模块SPCM)都是光通信产业微光探测领域的成熟器件，复合探测下对流层大气水汽温度压力的微脉冲激光雷达将会明显降低成本，提高可靠性和安全性，便于普及化使用，地表网络化布置，不久将来它将成为物联网技术、人工智能技术和大数据技术综合使用的典范，进而使人工释放无线电探空气球测量气象参数垂直廓线的手段将成为历史。
本说明书中各种实施方式采用递进的方式描述，每种实施方式重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各种实施方式之间相同相似部分互相参见即可。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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种微脉冲激光雷达，其特征在于，所述微脉冲激光雷达包括：
第一发射机、第二发射机和第三发射机，分别用于发射不同波长的激光；
光路传输模组，设在所述不同波长的激光的传输光路上，用于将所述不同波长的激光合成一道激光束，并引导至大气中，还用于接收被大气激发的后向散射回波光，将所述后向散射回波光束转化成平行回波光束，并将所述平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光分别发出；
水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，分别设在水汽回波光、压力回波光和温度回波光的传输光路上；所述水汽通道探测模块用于接收并检测所述水汽回波光中的水汽光子数，所述压力通道探测模块用于接收并检测所述压力回波光中的压力光子数，所述温度通道探测模块接收并检测所述温度回波光中的第一温度光子数和第二温度光子数；
数据处理控制模组，与所述第一发射机、第二发射机、第三发射机、水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块连接，一方面用于获取水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块的数据并统一进行反演计算，另一方面用于控制第一发射机、第二发射机以及第三发射机的注入电流和工作温度以及将输出的连续波激光斩波成脉冲激光，协同系统的时序；
所述数据处理控制模组包括：
多通道数据累积器，所述多通道数据累积器的输入端分别连接水汽通道探测模块、压力通道探测模块以及温度通道探测模块，输出端连接处理机，所述多通道数据累积器用于将所述水汽光子数、所述压力光子数、所述第一温度光子数以及所述第二温度光子数传输至所述处理机统一进行反演计算；
所述处理机还连接有脉冲发生器，所述脉冲发生器分别与所述第一发射机、第二发射机和第三发射机连接，为所述第一发射机、第二发射机和第三发射机提供斩波脉冲；
所述处理机包括至少一个处理器与第一发射机、第二发射机以及第三发射机连接，用于组成伺服单元，调整第一发射机、第二发射机以及第三发射机的注入电流和工作温度；所述处理机还用于协同脉冲发生器和数据累积器的时序。
2.根据权利要求1所述的微脉冲激光雷达，其特征在于，所述光路传输模组包括：
全反射镜，设置在由所述第一发射机输出的光的传输方向上，用于将所述第一发射机的激光折转90°；
偏振合束器，设置在由所述第二发射机输出的光的传输方向与由所述全反射镜输出的光的传输方向的相交处，用于将第一发射机的激光与第二发射机的激光正交偏振合束；
第一双色片，设置在所述第三发射机的光路与所述偏振合束器的光路相交处，用于将第一发射机、第二发射机和第三发射机的激光合束；
以及在所述激光合束的传输光路上依次设置的扩束器、轴椎体、第一透镜、望远镜及输入/输出光窗；所述激光合束依次被准直、圆环光斑转换、汇聚和平行处理后，得到包含765nm、770nm和825.5nm波长激光的平行激光束进入大气，被大气激发产生后向散射回波光束，所述后向散射回波光束经输入/输出光窗返回至所述第一透镜进行平行处理，再由中空反射镜、第二双色片和小角度干涉滤光片依次进行处理；
所述第二双色片将所述平行回波光束中的825.5nm的水汽回波光分离出来发给所述水汽通道探测模块；
所述小角度干涉滤光片将所述平行回波光束中的765nm的压力回波光分离出来发给所述压力通道探测模块，并将770nm的温度回波光发给所述温度通道探测模块。
3.根据权利要求2所述的微脉冲激光雷达，其特征在于，所述中空反射镜上设置有中空部和外周反射镜，所述中空部用于使轴椎体发送出的圆环光斑的光束无阻碍穿过，所述外周反射镜用于使平行回波光束被折转90°。
4.根据权利要求1所述的微脉冲激光雷达，其特征在于，所述水汽通道探测模块包括：
第一滤光片组合体，设在所述水汽回波光的传输方向上，用于抑制环境光；
第二透镜，设在所述第一滤光片组合体输出的光的传输方向上；
第一单光子计数器，设在所述第二透镜输出的光的汇聚方向上，用于检测水汽回波光中的水汽光子数。
5.根据权利要求1所述的微脉冲激光雷达，其特征在于，所述压力通道探测模块包括：
第二滤光片组合体，设在压力回波光的传输方向上，用于抑制环境光；
第三透镜，设在所述第二滤光片组合体输出的光的传输方向上；
第二单光子计数器，设在所述第三透镜输出的光的汇聚方向上，用于检测压力回波光中的压力光子数。
6.根据权利要求1所述的微脉冲激光雷达，其特征在于，所述温度通道探测模块包括：
第三滤光片组合体，设在所述温度回波光的传输方向上，用于抑制环境光；
70/30分束片，设在所述第三滤光片组合体输出的光的传输方向上，将所述温度回波光分为30％温度回波光和70％温度回波光；
第四透镜，设在所述30％温度回波光的传输方向上；
第三单光子计数器，设在所述第四透镜输出的光的汇聚方向上，用于检测30％温度回波光中的第一温度光子数；
第一钾原子气体吸收池，设在所述70％温度回波光的传输方向上；
第五透镜，设在所述第一钾原子气体吸收池输出的光的传输方向上；
第四单光子计数器，设在所述第五透镜输出的光的汇聚方向上，用于检测70％温度回波光中的第二温度光子数。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的微脉冲激光雷达对大气水汽、温度、压力探测的方法，其特征在于，所述对大气水汽、温度、压力探测的方法步骤包括：
利用第一发射机、第二发射机和第三发射机分别发射不同波长的激光，并将所述不同波长的激光合成一道激光束；
将所述激光束导向大气，并获取被大气激发的后向散射回波光束；
将所述后向散射回波光束转化成平行回波光束，将平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光；
分别对水汽回波光、压力回波光和温度回波光进行检测，得到水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数；
将水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数传输至处理机进行统一反演计算得到大气水汽、温度和压力。
8.根据权利要求7所述的对大气水汽、温度、压力探测的方法，其特征在于，所述利用第一发射机、第二发射机和第三发射机分别发射不同波长的激光，并将所述不同波长的激光合成一道激光束；将所述激光束导向大气，并获取被激发的大气后向散射回波光束；将所述后向散射回波光束转化成平行回波光束，将平行回波光束分离成水汽回波光、压力回波光和温度回波光具体包括：
利用第一发射机发射激光到全反射镜，通过全反射镜折转至偏振合束器；
利用第二发射机发射激光到偏振合束器，与第一发射机发射的激光垂直相交，合成一束折转至第一双色片；
利用第三发射机发射激光到第一双色片，与由第一发射机激光和第二发射机激光组成的激光束合成一束；
利用扩束器对激光束进行准直，并通过轴椎体将光束变成圆环形光束；
将所述圆环形光束穿过中空反射镜的中空部，利用透镜将圆环形光束汇聚于望远镜的焦点处；
利用望远镜以倍数扩展圆环形光束的束径，并降低圆环形光束的发散角，得到平行光束；
利用输入/输出光窗使平行光束进入大气，并利用输入/输出光窗接收平行光束被激发的大气后向散射回波光束。
利用望远镜将所述回波光收集于所述望远镜的焦点处，利用透镜将后向散射回波光束还原成平行回波光束；
利用中空反射镜的外周镜面反射平行回波光束到第二双色片；
利用第二双色片从平行回波光束中将水汽回波光分离出来，将其余平行回波光束发送给小角度干涉滤光片；
利用小角度干涉滤光片将压力回波光分离出来，同时得到温度回波光。
9.根据权利要求8所述的对大气水汽、温度、压力探测的方法，其特征在于，分别对所述水汽回波光、压力回波光和温度回波光进行检测，得到水汽光子数、压力光子数、第一温度光子数和第二温度光子数具体包括：
通过水汽通道探测模块接收所述水汽回波光检测得到水汽光子数；
通过压力通道探测模块接收所述压力回波光检测得到压力光子数；
通过温度通道探测模块接收所述温度回波光检测得到第一温度光子数和第二温度光子数。
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