CN114924291A - 一种温度差分吸收激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度差分吸收激光雷达。本发明包括工作于C波段的可调谐种子激光器、电光调制器和掺铒光纤放大器用于产生激光脉冲；用于将激光脉冲倍频的PPLN晶体；分束器用于将PPLN输出的激光能量一分为二，一部分能量进入发射与接收光学系统，发射后被气溶胶所散射的能量被接收系统接收处理；另一部分能量则进入长光程吸收池，然后被光电探测器所接收，通过解调信号的调制深度来完成激光波长的稳频控制，可实现对大气温度分布的精确探测。本发明体积重量大大压缩，成本也得到了降低，采用长光程吸收池直接测得吸收系数进行稳频的方法简单且可靠，大大降低了系统复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及气象激光雷达技术领域，具体为一种温度差分吸收激光雷达。
背景技术
光纤激光器是随着光纤通讯技术而迅速发展和成熟的一种激光器，由于可以轻易达到数米以上的谐振腔长度，因而线宽和波长稳定性指标都非常优异。目前光通讯最常用的C波段位于1530nm-1565nm，该波段的光纤激光器和光纤器件拥有最佳的性能和性价比。
PPLN是指周期极化铌酸锂晶体，由于其出色的非线性光学特性，在和频、倍频、参量振荡等频率变换应用上有很高的变换效率，正得到广泛的使用。
差分吸收激光雷达是一种利用气体的吸收谱线来探测物理量随路径分布的激光探测设备。其原理是分别发射两种波长非常接近的激光束，其中一个波长在吸收谱线内，称为on-line，另一个波长在吸收谱线外，称为off-line。由于发射能量一致，波长几乎一致，两者的回波比值就可以直接反应出路径吸收的分布情况。当工作波长选择在某种未知浓度的待测气体的吸收谱线时就可以从路径吸收得到浓度的分布情况，而当工作波长选择在大气中有固定浓度但吸收线强度存在较大的温度系数的气体谱线时，就可由路径吸收得到大气的温度分布。
大气中浓度比较稳定的气体只有氧气和氮气，而这两种气体在可见光和近红外波段内可实际使用的吸收谱线却很少。但是在763nm附近存在着一个由数十根谱线组成的强吸收带，且周围没有其它气体的干扰，称之为氧气A带，是十分理想的大气要素探测通道。温度差分激光雷达可选择氧气A带内温度系数较大的某一根谱线用于探测大气的温度分布。然而A带的谱线宽度一般均小于0.01nm，这就要求工作于单根谱线的激光雷达其线宽极窄且波长十分稳定。目前没有合适的激光介质可工作在这一频段，只有半导体激光器可直接工作于这一波长，但线宽远远达不到要求，体积大、造价高昂的光学参量振荡器 (OPO)是目前的唯一选项。
温度差分激光雷达所涉及的另一个困难是如何实现激光的稳频，在吸收谱线附近任何微小的波长漂移都会使得on-line吸收系数的剧烈变化，从而导致测温灵敏度跟随变化，无法获得准确的温度结果。目前所采用的稳频方法一般均依赖于干涉法进行波长测量，例如共焦球面腔扫描、FP干涉腔扫描等，光电系统复杂且工程化程度低，实际应用效果不佳。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种温度差分吸收激光雷达，包括按光路依次相接的可调谐种子激光器、电光调制器、掺铒光纤放大器、PPLN晶体、分束器、发射与接收光学系统、长光程吸收池、第一铟镓砷光电探测器、信号处理板、第二铟镓砷光电探测器，所述可调谐种子激光器交替产生的两个波长接近的窄线宽种子激光依次经过所述电光调制器、所述掺铒光纤放大器和所述PPLN晶体进行调制、能量放大和倍频处理后，进入所述分束器被分为两路，一路激光束进入所述发射与接收光学系统被发射到自由空间，在被气溶胶散射后的回波能量经过所述发射与接收光学系统接受并由所述第一铟镓砷光电探测器进行光电转换后被所述信号处理板采集并处理；被所述分束器分束后的另一路激光束进入到所述长光程吸收池，然后经过所述第二铟镓砷光电探测器进行光电转换后被所述信号处理板采集并处理。
作为本发明的一种优选方案，本激光雷达工作于氧气A带，工作波长为769.131nm，所述可调谐种子激光器工作于C波段,工作波长为1538.2nm，由压控晶体控制波长在1538.27nm与1538.22nm之间切换。
作为本发明的一种优选方案，由于输入的种子激光是能量一致但波长交替变化的脉冲，通过所述长光程吸收池后波长在吸收谱线内的激光束会被部分吸收，导致所述第二铟镓砷光电探测器输出的是一个调幅脉冲信号，由于光程固定且长光程吸收池温度已知，通过对调制深度的解调就得到波长在吸收谱线内的激光束的吸收系数的精确值，从而可用于对波长在吸收谱线内的激光束波长的精确稳频控制，可实现对大气温度分布的精确探测。
本发明的有益效果：本发明将光纤激光器和周期极化铌酸锂晶体相结合后与采用光学参量振荡器的方法相比，体积重量大大压缩，成本也得到了降低。采用长光程吸收池直接测得吸收系数进行稳频的方法简单且可靠，大大降低了系统复杂性。
附图说明
图1为本发明的工作流程框图。
图中：1可调谐种子激光器、2电光调制器、3掺铒光纤放大器、4PPLN 晶体、5分束器、6发射与接收光学系统、7长光程吸收池、8第一铟镓砷光电探测器、9信号处理板、10第二铟镓砷光电探测器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种温度差分吸收激光雷达，包括按光路依次相接的可调谐种子激光器1、电光调制器2、掺铒光纤放大器3、PPLN晶体 4、分束器5、发射与接收光学系统6、长光程吸收池7、第一铟镓砷光电探测器8、信号处理板9、第二铟镓砷光电探测器10，PPLN晶体4为周期极化铌酸锂晶体，本激光雷达工作于氧气A带，工作波长为769.131nm，所述可调谐种子激光器1工作于C波段,工作波长为1538.2nm，由压控晶体控制波长在1538.27nm与1538.22nm之间切换，所述可调谐种子激光器1交替产生的两个波长接近的窄线宽种子激光依次经过所述电光调制器2、所述掺铒光纤放大器 3和所述PPLN晶体4进行调制、能量放大和倍频处理，满足一定的相位匹配条件后就可得到倍频后的激光脉冲输出，倍频后的激光束进入所述分束器5被分为两路，一路激光束进入所述发射与接收光学系统6被发射到自由空间，在被气溶胶散射后的回波能量经过所述发射与接收光学系统6接受并由所述第一铟镓砷光电探测器8进行光电转换后被所述信号处理板9采集并处理；被所述分束器5分束后的另一路激光束进入到所述长光程吸收池7，然后经过所述第二铟镓砷光电探测器10进行光电转换后被所述信号处理板9采集并处理，由于输入的种子激光是能量一致但波长交替变化的脉冲，通过所述长光程吸收池7 后波长在吸收谱线内的激光束会被部分吸收，导致所述第二铟镓砷光电探测器 10输出的是一个调幅脉冲信号，由于光程固定且长光程吸收池7温度已知，通过对调制深度的解调就得到波长在吸收谱线内的激光束的吸收系数的精确值，从而可用于对波长在吸收谱线内的激光束波长的精确稳频控制，可实现对大气温度分布的精确探测。
本发明的工作原理：可调谐种子激光器1交替产生两个波长接近的窄线宽种子激光依次经过电光调制器2、掺铒光纤放大器3和PPLN晶体4进行调制、能量放大和倍频处理，满足一定的相位匹配条件后就可得到倍频后的激光脉冲输出，倍频后的激光束进入分束器5被分为两路，一路激光束进入发射与接收光学系统6被发射到自由空间，在被气溶胶散射后的回波能量经过发射与接收光学系统6接受并由第一铟镓砷光电探测器8进行光电转换后被信号处理板9采集并处理；被分束器5分束后的另一路激光束进入到长光程吸收池 7，由于输入的种子激光是能量一致但波长交替变化的脉冲，通过长光程吸收池7后波长在吸收谱线内的激光束会被部分吸收，导致第二铟镓砷光电探测器 10输出的是一个调幅脉冲信号，由于光程固定且长光程吸收池7温度已知，通过对调制深度的解调就得到波长在吸收谱线内的激光束的吸收系数的精确值，从而可用于对波长在吸收谱线内的激光束波长的精确稳频控制，可实现对大气温度分布的精确探测。
本文中未详细说明的部分为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种温度差分吸收激光雷达，其特征在于，包括按光路依次相接的可调谐种子激光器(1)、电光调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、PPLN晶体(4)、分束器(5)、发射与接收光学系统(6)、长光程吸收池(7)、第一铟镓砷光电探测器(8)、信号处理板(9)、第二铟镓砷光电探测器(10)，所述可调谐种子激光器(1)产生的种子激光依次经过所述电光调制器(2)、所述掺铒光纤放大器(3)和所述PPLN晶体(4)进行调制、能量放大和倍频处理后，进入所述分束器(5)被分为两路，一路激光束进入所述发射与接收光学系统(6)被发射到自由空间，在被气溶胶散射后的回波能量经过所述发射与接收光学系统(6)接受并由所述第一铟镓砷光电探测器(8)进行光电转换后被所述信号处理板(9)采集并处理；被所述分束器(5)分束后的另一路激光束进入到所述长光程吸收池(7)，然后经过所述第二铟镓砷光电探测器(10)进行光电转换后被所述信号处理板(9)采集并处理。
2.根据权利要求1所述的一种温度差分吸收激光雷达，其特征在于：本激光雷达工作于氧气A带，工作波长为769.131nm，所述可调谐种子激光器(1)工作于C波段,工作波长为1538.2nm，由压控晶体控制波长在1538.27nm与1538.22nm之间切换。
3.根据权利要求1所述的一种温度差分吸收激光雷达，其特征在于：所述种子激光为所述可调谐种子激光器(1)交替产生的两个波长接近的窄线宽种子激光。
4.根据权利要求1所述的一种温度差分吸收激光雷达，其特征在于：通过所述长光程吸收池(7)后波长在吸收谱线内的激光束会被部分吸收，导致所述第二铟镓砷光电探测器(10)输出的是一个调幅脉冲信号，由于光程固定，通过对调制深度的解调就得到波长在吸收谱线内的激光束的吸收系数的精确值，实现对大气温度分布的精确探测。
5.根据权利要求1所述的一种温度差分吸收激光雷达，其特征在于：所述PPLN晶体(4)为周期极化铌酸锂晶体。
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2022
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