CN114578319B - 一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，包括连续光模块、2N×1型光纤光开关、分束器、激光脉冲调制模块、第一放大模块和光纤环形器。本发明的激光模块通过选择相应波段连续光纤激光器即可实现多种气体的浓度探测，除连续光纤激光器之外的其他部件只需一套，相当于只用一套激光雷达系统就实现了多套传统激光雷达的探测效果，显著降低了系统成本和复杂度。探测待测气体时，所有的连续激光器共享同一个激光脉冲调制模块、光纤放大器、电路系统和激光雷达系统，因而通过将on波长测量结果和off波长测量结果相除，就可以消除其他大气影响，只保留待测气体吸收的差异，从而得到更为精确的测量结果。

Description

一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块。

背景技术

基于激光雷达的自由空间气体遥感技术是精准测量大气痕量气体浓度，尤其是温室气体浓度的重要手段，对于实施碳中和等重大战略具有十分重要的意义。目前气体遥感激光雷达所采用的激光光源主要为固体中红外激光器并结合光参量振荡器（OPO），结构复杂，稳定性较差且价格昂贵，而且一套激光光源只能测量一种气体浓度，要测量多种气体浓度，需要安装相应数量的激光雷达系统。

另外，气体遥感激光雷达通过采集大气粒子的后向散射信号进行探测，由于大气粒子的后向散射信号非常微弱，因而对激光光源的发射功率要求很高，而且微弱的后向散射信号还会导致采集的信噪比偏低，为信号有效提取带来了一系列问题，限制了激光雷达的探测性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于激光雷达的激光器模块。

本发明是这样实现的：

一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，包括连续光模块、2N×1型光纤光开关、分束器、激光脉冲调制模块、第一放大模块和光纤环形器，其中，N为大于等于1的整数；

所述连续光模块包括2N个光纤连续激光器，2N个光纤连续激光器以两个为一组分为N组，每一组的两个光纤连续激光器的其中一个用于输出预设的on波长激光，另一个用于输出预设的off波长激光；其中，on波长位于待测气体吸收线中心，off波长靠近on波长，但是偏离待测气体吸收线中心；

光纤光开关具有2N个输入光纤和一个输出光纤，2N个连续激光器均依次与光纤光开关的输入光纤连接，当测量第N种气体时，光开关就选择该种气体所对应的第N组激光器的两路输入激光，对其余N-1组激光器保持关闭状态；光开关对两路输入激光以预定频率和占空比进行光路切换，使得这两路激光以时分复用的方式从光开关的输出光纤输出；

光开关输出光纤与分束器连接，分束器用于将输入激光按一定比例分为两路，一路作为本振光直接输出，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块中；

激光脉冲调制模块用于将分束器输出的连续激光调制成为预定宽度的脉冲光信号；激光脉冲调制模块还用于输出脉冲光信号到第一放大模块中；

第一放大模块用于对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器中；

光纤环形器用于输出正向脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号。

进一步的，还包括第二放大模块；

光纤环形器还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块中；

第二放大模块用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器的反向信号输出端输出。

进一步的，所述连续光纤激光器的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述连续光纤激光器输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

进一步的，激光脉冲调制模块为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

进一步的，所述光纤环形器包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与第一放大模块连接；所述光纤环形器的收发端与第二放大模块连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块，所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号。

进一步的，所述第一放大模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第一放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

进一步的，所述第二放大模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第二放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

进一步的，所述连续光纤激光器为光纤激光器；所述连续激光器、光开关、分束器、激光脉冲调制模块、第一放大模块、第二放大模块和环形器之间均采用光纤连接。

进一步的，测量完成一种气体后，光开关根据下一个待测气体种类选择对应的激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量，直到所有的待测气体全部被测量完毕。

本发明的激光模块为全光纤结构，无空间机械结构，具有优良的稳定性和散热性，而且大幅度减小了激光器的体积。

本发明的激光模块通过选择相应波段连续光纤激光器即可实现多种气体的浓度探测，除连续光纤激光器之外的其他部件只需一套，相当于只用一套激光雷达系统就实现了多套传统激光雷达的探测效果，显著降低了系统成本和复杂度。

探测待测气体时，所有的连续激光器共享同一个激光脉冲调制模块、光纤放大器、电路系统和激光雷达系统，因而通过将on波长测量结果和off波长测量结果相除，就可以消除其他大气影响，只保留待测气体吸收的差异，从而得到更为精确的测量结果。

本发明在不提高现有成本的情况下将回反光放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取，能够大幅提高探测距离。本发明在对回波信号分析之前首先对回波信号进行光学放大，故能大大提高回波信号的强度，从而提取更微弱的光学信号，从而大大提高激光雷达的探测范围。

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和优点，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的介绍，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它附图。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块的又一结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块工作的时序图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

实施例：图1是为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块的结构框图。如图1所示，一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，包括连续光模块1、2N×1型光纤光开关2、分束器3、激光脉冲调制模块4、第一放大模块5和光纤环形器6，其中，N为大于等于1的整数。

所述连续光模块1包括2N个光纤连续激光器，2N个光纤连续激光器以两个为一组分为N组，每一组的两个光纤连续激光器的其中一个用于输出预设的on波长激光，另一个用于输出预设的off波长激光；其中，on波长位于待测气体吸收线中心，off波长靠近on波长，但是off波长远离待测气体吸收线中心。

具体的，在实际选择off吸收线时，我们选择的off吸收线波长离待测气体其他吸收线足够远，但离on波长足够近，因此可以假定其气溶胶特性、后向散射和消光相同，并且处于吸收系数缓慢变化的区域，这样就不需要考虑光谱分布的细节。

也就是说，一组中的两个光纤连续激光器的其中一个输出波长位于待测气体吸收线中心的激光（on波长激光），另一个输出波长与on波长靠近但是待测气体基本不吸收的激光（off波长激光）。

光纤连续激光器也称为种子激光器、种子光源，能够提供预定波长的连续的激光信号。

光纤光开关2具有2N个输入光纤和一个输出光纤，2N个连续激光器均依次与光纤光开关2的输入光纤连接，当测量第N种气体时，光开关2就选择该种气体所对应的第N组激光器的两路输入激光，对其余N-1组激光器保持关闭状态；光开关2对两路输入激光以预定频率和占空比进行光路切换，使得这两路激光以时分复用的方式从光开关2的输出光纤输出。

测量完成一种气体后，光开关2根据下一个待测气体种类选择对应的激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量，直到所有的待测气体全部被测量完毕。

光开关2输出光纤与分束器3连接，分束器3用于将输入激光按一定比例分为两路，一路作为本振光直接输出（例如，输出到激光雷达系统的平衡探测器），另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块4中。

激光脉冲调制模块4用于将分束器3输出的连续激光调制成为预定宽度的脉冲光信号；激光脉冲调制模块4还用于输出脉冲光信号到第一放大模块5中；

第一放大模块5用于对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器6中；

光纤环形器6用于输出正向脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号。

光纤环形器6这种分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。

其中，可选的，激光脉冲调制模块4为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

声光调制器（AOM）模块具有特定频移量，本发明中以频移量为80MHz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成一定宽度（如几纳秒）的脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。

当然，电光调制器或磁光调制器及机械调制器等均可将连续的激光信号转化为脉冲光信号，只要能实现将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出功能，均适用于本发明。

在一个优选的实施例中，连续激光器产生的波长优选为光通信C-Band 波段（1520nm至1570nm），以及L-Band 波段（即1570nm至1610nm）。在C-Band波段和L-Band波段，除了大气分子瑞利信号的影响可忽略外，由于光通信器件的高速发展和成熟，光器件稳定可靠，并且该波段的人眼安全系数高，可在城市、机场、气象站等人口密集的场地运行，可实现小型化，便捷式、人眼安全探测。而现有技术中，大气测量广泛采用的近红外波短波波段无法实现全光纤集成，系统庞大，不紧凑。

在一个优选的实施例中，所述连续光纤激光器的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述连续光纤激光器输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块4输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

在一个实施例中，第一放大模块5为光学放大器，光学放大器为与激光波长对应的稀土元素掺杂的光纤放大器。所述光学放大器为掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺双包层光纤放大器中的一种或几种。例如，光学放大器为掺杂铒或者同时掺杂铒镱稀土元素的光纤放大器模块。

在一个实施例中，所述光学放大器的放大倍数为100倍~10000倍之间，即20dB~40dB。

在一个实施例中，所述第一放大模块5输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第一放大模块5输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

在一个实施例中，所述连续光纤激光器为光纤激光器；所述连续激光器、光开关2、分束器3、激光脉冲调制模块4、第一放大模块5、第二放大模块7和环形器之间均采用光纤连接。

本发明的激光模块为全光纤结构，无空间机械结构，具有优良的稳定性和散热性，而且大幅度减小了激光器的体积。

本发明的激光模块通过选择相应波段连续光纤激光器即可实现多种气体的浓度探测，除连续光纤激光器之外的其他部件只需一套，相当于只用一套激光雷达系统就实现了多套传统激光雷达的探测效果，显著降低了系统成本和复杂度。

探测待测气体时，所有的连续激光器共享同一个激光脉冲调制模块4、光纤放大器、电路系统和激光雷达系统，因而通过将on波长测量结果和off波长测量结果相除，就可以消除其他大气影响，只保留待测气体吸收的差异，从而得到更为精确的测量结果。

本发明的发明人经过研究发现，当使用激光雷达进行大气探测时，由于大气粒子的后向散射信号非常微弱，对激光雷达的发射功率要求很高，而微弱的后向散射信号又导致激光雷达的信噪比偏低，为信号有效提取带来了一系列问题。

为了解决上述问题，提高激光雷达信号的信噪比，在一个优选的实施例中，如图2所示，还包括第二放大模块7。光纤环形器6还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块7中；第二放大模块7用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器6的反向信号输出端输出。

具体的，所述光纤环形器6包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器6的输入端与第一放大模块5连接；所述光纤环形器6的收发端与第二放大模块7连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块7，所述光纤环形器6的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号。

光开关2具有通路选择与切换的功能，当测量某种气体时，光开关2会选择该气体所对应的一组激光器的输入通道，并对两路输入激光以一定频率和占空比进行光路切换，使得这两路激光以时分复用的方式从光开关2的输出光纤交替输出，在此过程中，其余N-1组激光器所对应的输入端一直保持关闭。当一种气体测量完成，光开关2会根据下一个待测气体选择所对应激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量。

分束器3将光开关2输出的连续激光以预设的分束比分为两路，一路作为本振光直接输出到雷达系统中，另一路作为信号光输入到激光脉冲调制模块4。

激光脉冲调制模块4将分束器3输出的连续信号光调制为脉冲信号光后输出到第一放大模块5中。

第一放大模块5对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器6中。光纤环形器6输出正向脉冲光信号到第二放大模块77中，第二放大模块77用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大。放大后的反向回波信号经过光纤环形器6的反向信号输出端输出到激光雷达系统，光纤环形器6这种分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。

在一个实施例中，所述第二放大模块7输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第二放大模块7输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

在一个实施例中，所述光开关2、分束器3、激光脉冲调制模块4、第一放大模块5、光纤环形器6和第二放大摸模块7均为光纤器件；所述连续光纤激光器、光开关2、分束器3、激光脉冲调制模块4、第一放大模块5、光纤环形器6和第二放大模块77之间均采用光纤连接。

在一个实施例中，由于大气探测的回波信号非常微弱，为了增强出射信号强度，实现信号的多级放大，还包括M个放大模块；M个放大模块设置在激光脉冲调制模块4与第二放大模块5之间；M≥1。

优选的，所述M个放大模块设置在第一放大模块5和光纤环形器6之间。M个放大模块均为光学放大器，光学放大器为与激光波长对应的稀土元素掺杂的光纤放大器。所述光学放大器为掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺双包层光纤放大器中的一种或几种。例如，光学放大器为掺杂铒或者同时掺杂铒镱稀土元素的光纤放大器模块。

M个放大模块均用于对输入的信号进行逐级放大。M个放大模块通过光纤依次连接。由于回波信号非常微弱，而光学放大器对于微弱信号的放大能力通常会增强，因此，将所述M个放大模块设置在第一放大模块5和光纤环形器6之间时，对回波信号仅仅进行一次放大，由于回反光非常微弱，并不耗用过多的泵浦能量，能够在放大回波信号的同时不影响正常正向放大信号。且，由于小信号的放大倍数大于大信号，将光学耦合隔离模块3设置在第N级光学放大器和第N-1级光学放大器之间，回波信号的放大倍数效应也最强。

本发明将光纤环形器6和最后一级放大模块互换位置，并且根据前后放大模块的输出输入光纤的型号来匹配环形器的输入输出光纤。激光雷达系统接收到反向回波信号后，将输入到第二放大模块77中进行反向放大，并通过光纤环形器6反向信号输出端口输出，此时就将反向回波放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取。本发明的一个主要目的是在不提高现有成本的情况下大大的增加探测距离。由于反向回波信号非常微弱，并不耗用过多的泵浦能量，故在反向放大时候不影响正常正向放大信号。

本发明的光纤环形器6设置在最后一级光学放大器之前，大大降低了环形器需要承受的最高功率，从而大大降低环形器的成本。举例来说，若最后一级的放大倍数为100倍（20dB），则环形器的最高承受功率可从2瓦降到只需承受20mw左右的功率，使环形器的成本降低一半左右。

本发明的出射光无需通过环形器尾纤直接输出，缩短了高功率脉冲信号光在光纤中传播的距离，可以有效提高放大器的非线性阈值，可以通过增加泵浦进一步提升脉冲峰值功率，提高探测距离。

本发明在不提高现有成本的情况下将回反光放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取，能够大幅提高探测距离。现有技术中，提高探测距离和信噪比，通常采用的方式是增加出射激光的功率。本发明在对回波信号分析之前首先对回波信号进行光学放大，故能大大提高回波信号的强度，从而提取更微弱的光学信号，从而大大提高激光雷达的探测范围。

下面，将从一个具体的应用场景中，就本发明的原理和实现方式进行详细阐述。以N为2为例，待测气体为CO和H2O。

连续光纤激光器一共有4台，分为两组，编号分别为01、02、03和04。01和02号激光器为一组，用于测量CO，其中01号激光器输出on波长激光，激光波长为1568.035nm，02号激光器输出off波长激光，激光波长为1568.05nm。03和04号激光器为一组，用于测量H2O，其中03号激光器输出on波长激光，激光波长为1551.867nm，04号激光器输出off波长激光，激光波长为1551.97nm。两组激光器输出的激光光谱线宽均小于15kHz，相对强度噪声<-140dB/Hz，边模抑制比>50dB。

四台连续光纤激光器分别与光开关2的四路输入光纤连接，测量CO气体时，光开关2选择01号和02号激光器这一组激光器所对应通路，以一定频率和占空比切换这两个通路，使得01号和02号激光器的连续激光信号交替地从光开关2输出端输出，在此期间，03号和04号激光器所对应通路保持关闭。测量H2O气体时，光开关2选择03号和04号激光器这一组激光器所对应通路，重复上述切换过程完成测量，在此期间，01号和02号激光器所对应通路保持关闭。

分束器3按预设分束比将光开关2输出激光分为两路，一路作为本振光输出到激光雷达系统中，另一路作为信号光输入激光脉冲调制模块4中。激光脉冲调制模块4为声光调制器（AOM），用于将连续信号光的一部分截断成脉冲信号光以及产生固定频移。脉冲信号光经过第一放大模块5放大后通过光纤环形器6，光纤环形器6输出信号光经过第二放大模块77放大后向外界输出，同时放大接受到反向回波信号，放大后的反向回波信号经过光纤环形器6的反向信号输出端输出到激光雷达系统进行相干检测。

分束器3是一种特制的全光纤无源器件，输入端一根光纤，输出端两根光纤，可以按预定比例输出两路激光。

声光调制器（AOM）模块是一种具有特定频移量的光纤声光调制器。本发明中以频移量为80MHz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成纳秒脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。当然，在一些具体的应用场景中，声光调制器也可以不产生频移，仅仅作为脉冲调制器件，产生脉冲光。

本例通过第一放大模块5放大后输出的激光参数为10kHz、25mW，继续通过环形器输入端，从环形器收发端输出激光参数为10kHz、20mW，通过第二放大模块7放大后输出的激光参数为10kHz、2W。输出激光通过准直系统如望远镜等射入到自由空间大气中。从大气反射后的回波信号再反向通过准直系统并反向耦合进第二放大模块7中，此部分回光功率约20nW，反向通过最后一级放大后功率约为200uW，故回光反向放大了10000倍即40dB，并从环形器反向信号输出端输出。当合束器输出的本振光与环形器输出端输出的回波信号在平衡探测器中进行相干检测时，由于此时信号回光被放大了40dB，就大大的提高了微弱信号的探测能力。

第二放大模块7输入功率为20mW，按1000倍（即30dB）放大后到2W，按放大效率30%计算，需要6.7瓦的泵浦功率，再假设回光功率为20nW，按小信号的放大倍数高于大信号的来估计，即10000倍（40dB），回波信号放大到200uW，那么将耗用不到1mW的泵浦功率，和正向信号放大所需的6.7W功率相比可以忽略不计。由于回波信号非常微弱，并不耗用过多的泵浦能量，故在反向放大时候不影响正常正向放大信号。

其中最重要的是，本发明可以将回光信号放大10000倍（40dB）。假设2W信号光输出和20nW的回光信号能测量20km的距离，那么就是80dB的探测范围，现在升级成120dB的探测能力，可以估算出增加到30km的探测距离，从而在不提高现有成本的情况下将回反光放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取，提高探测距离。

图3为本发明所述光纤激光模块在测量某种气体时，连续光纤激光器、光开关2、激光脉冲调制模块4和输出激光脉冲之间的时序关系图，选定待测气体所对应的一组连续光纤激光器后，两台激光器分别输出on波长连续激光和off波长连续激光，光开关2的切换信号为低电平时输出on波长激光，为高电平时输出off波长激光，这样光开关2以一定频率交替输出了两个波长的激光，激光脉冲调制模块4上加载有脉冲调制信号，将输入的连续激光截断为脉冲激光，由于输入的连续激光为on波长和off波长交替变化，最后输出的脉冲激光同样为on波长和off波长交替变化。以激光脉冲调制模块4的脉冲调制信号为时序基准，光开关2的切换信号与其同步。

综上所述，本发明的光纤环形器6设置在第二放大模块7之前，大大降低了环形器需要承受的最高功率，从而大大降低环形器的成本。举例来说，若最后一级的放大倍数为100倍（20dB），则环形器的最高承受功率可从2瓦降到只需承受20mw左右的功率，使环形器的成本降低一半左右。

本发明的出射光无需通过环形器尾纤直接输出，可以有效提高放大器的非线性阈值，可以通过增加泵浦进一步提升脉冲峰值功率，提高探测距离。

对于大气探测，由于大气回波信号通常是微弱信号，通常信噪比非常低。当大气损耗为定值时，为了提高激光雷达的信噪比和测量距离，通常采取增加出射光的单脉冲能量，或者单脉冲峰值功率，虽然在一定程度上能够提高信噪比，但光功率超过受激布里渊散射的阈值时，会激发强烈的受激布里渊散射，降低激光功率，损坏光纤器件。故限制了激光雷达的探测距离。

对于光纤器件，一旦输入的信号光功率达到或超过受激布里渊散射的阈值，将会发生很强的受激布里渊散射。受激布里渊散射会把绝大部分输入功率转换为反向斯托克斯波，反向斯托克斯波会消耗传输中的激光能量，造成正向传输的激光功率的显著损失，并会造成透射信号抖动。更为严重的是，强烈的反向斯托克斯波还可能会损害激光器，进而对整个光学系统造成危害。

由于环形器输入输出尾纤长度共一米左右，本发明最后一级放大级之后不设置环形器，那么相当于直接减少一米的光纤传输距离，从而使激光器模块的受激布里渊散射效应将大大降低，故脉冲峰值功率可以提高50%左右，从而大幅提高信号强度和探测距离。

本发明在不提高现有成本的情况下将回反光放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取，能够大幅提高探测距离。现有技术中，提高探测距离和信噪比，通常采用的方式是增加出射激光的功率。本发明在对回波信号分析之前首先对回波信号进行光学放大，故能大大提高回波信号的强度，从而提取更微弱的光学信号，从而大大提高激光雷达的探测范围。

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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，包括连续光模块、2N×1型光纤光开关、分束器、激光脉冲调制模块、第一放大模块和光纤环形器，其中，N为大于等于1的整数；

所述连续光模块包括2N个光纤连续激光器，2N个光纤连续激光器以两个为一组分为N组，每一组的两个光纤连续激光器的其中一个用于输出预设的on波长激光，另一个用于输出预设的off波长激光；

光纤光开关具有2N个输入光纤和一个输出光纤，2N个连续激光器均依次与光纤光开关的输入光纤连接，当测量第N种气体时，光开关就选择该种气体所对应的第N组激光器的两路输入激光，对其余N-1组激光器保持关闭状态；光开关对两路输入激光以预定频率和占空比进行光路切换，使得这两路激光以时分复用的方式从光开关的输出光纤输出；

光开关输出光纤与分束器连接，分束器用于将输入激光按一定比例分为两路，一路作为本振光直接输出，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块中；

激光脉冲调制模块用于将分束器输出的连续激光调制成为预定宽度的脉冲光信号；激光脉冲调制模块还用于输出脉冲光信号到第一放大模块中；

第一放大模块用于对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器中；

光纤环形器用于输出正向脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号；

还包括第二放大模块；

光纤环形器还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块中；

第二放大模块用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器的反向信号输出端输出；

第一放大模块为光学放大器，所述光学放大器的放大倍数为100倍~10000倍之间；

所述光纤连续激光器为光纤激光器；所述连续激光器、光开关、分束器、激光脉冲调制模块、第一放大模块、第二放大模块和环形器之间均采用光纤连接；

所述光纤环形器包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与第一放大模块连接；所述光纤环形器的收发端与第二放大模块连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块，所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号；

还包括M个放大模块；M个放大模块设置在激光脉冲调制模块与第二放大模块之间；M≥1；所述M个放大模块设置在第一放大模块和光纤环形器之间；M个放大模块均为光学放大器。

2.根据权利要求1所述的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，所述光纤连续激光器的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述光纤连续激光器输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

3.根据权利要求1所述的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，激光脉冲调制模块为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

4.根据权利要求1所述的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，所述第一放大模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第一放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

5.根据权利要求1所述的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，所述第二放大模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第二放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

6.根据权利要求1所述的一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块，其特征在于，测量完成一种气体后，光开关根据下一个待测气体种类选择对应的激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量，直到所有的待测气体全部被测量完毕。

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