CN115128639A - 一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达 - Google Patents

一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达，包括：第一激光器和第二激光器分别用于发射两种种子光信号；第一光开关用于根据两种种子光信号输出初始光信号；信号处理装置用于接收初始光信号中的第一光信号并生成回波信号，信号处理装置中的第二光开关根据回波信号和初始光信号中的第二光信号生成目标光信号；光电探测器用于将目标光信号转换为目标电信号；采集卡用于将目标电信号转换为目标数字信号，并将目标数字信号传输至外部计算机，以便于外部计算机根据目标数字信号测量气体的光学特性和/或分布特征，采集卡还用于根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，其中调节系数用于调整第一激光器和第二激光器的发光功率。

Description

一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达
技术领域
本发明实施例涉及气体探测技术领域，更具体地，涉及一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达。
背景技术
大气环境问题作为本世纪人类共同挑战及攻克目标，在全球范围内得到了高度重视，世界各国团队基于大气环境治理及监测进行了广泛的实验实践。由于激光雷达具有探测灵敏度高、高时空分辨率、高精度等优点，因此可以被用于测量大气中区域气体光学特性及垂直分布特征，且结果不受地表、下垫面及垂直气团传输影响，其地面测量数据还可以作为初始值带入卫星数据全球变化模拟模式中进行计算。其中，利用差分吸收技术进行大气气体探测的激光雷达称为差分吸收激光雷达，主要应用于大气中水汽、二氧化碳、臭氧等痕量气体探测。
全光纤的差分吸收激光雷达由于双种子光信号经放大后功率不同，从而发生布里渊散射后产生的放大信号存在畸变，进而导致差分吸收激光雷达探测数据准确性降低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达，包括：
第一激光器和第二激光器，分别用于发射两种光功率不同的种子光信号，其中，两种上述种子光信号的波长差值是根据上述激光雷达探测的气体确定的；
第一光开关，用于在时分复用模式下根据两种上述种子光信号输出标定的初始光信号，其中，上述初始光信号包括两种上述种子光信号中的至少一种；
信号处理装置，用于接收上述初始光信号中的第一光信号并生成回波信号，上述信号处理装置中的第二光开关根据上述回波信号和上述初始光信号中的第二光信号生成目标光信号，其中，上述目标光信号包括回波信号和以下至少一种：分别与两种上述种子光信号对应的时域脉冲光；
光电探测器，用于将上述目标光信号转换为目标电信号；
采集卡，用于将上述目标电信号转换为目标数字信号，并将上述目标数字信号传输至外部计算机，以便于上述外部计算机根据上述目标数字信号测量上述气体的光学特性和/或分布特征，上述采集卡还用于根据两种上述时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，其中，上述调节系数用于调整上述第一激光器和上述第二激光器的发光功率。
根据本发明的实施例，差分吸收激光雷达还包括：
光纤分束器，用于将上述初始光信号分割为上述第一光信号和上述第二光信号，其中，上述第一光信号的功率和上述第二光信号的功率呈预设比值。
根据本发明的实施例，两种上述时域脉冲光分别包括第一种子分信号和第二种子分信号；
其中，上述根据两种上述时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，包括：
计算与上述第一种子分信号对应的目标数字信号和与上述第二种子分信号对应的目标数字信号之间的比例系数；
根据上述比例系数确定上述调节系数，以使得上述采集卡根据上述调节系数调整上述第一激光器和上述第二激光器的发光功率。
根据本发明的实施例，上述信号处理装置包括第一放大器，上述第一放大器用于放大上述第一光信号的功率，得到第三光信号，其中，上述第三光信号的功率为上述第一光信号的功率的预设倍数；
上述回波信号包括第三种子分信号；
其中，上述根据上述目标数字信号测量上述气体的光学特性和/或分布特征，包括：
根据与上述第三种子分信号对应的目标数字信号和上述预设倍数，确定第四种子分信号；
根据上述第四种子分信号测量上述气体的光学特性和/或分布特征。
根据本发明的实施例，上述信号处理装置包括：
第一放大器，用于放大上述第一光信号的功率，生成放大的第一光信号；
望远镜，向大气环境发射上述放大的第一光信号，并接收被上述气体吸收后产生的回波信号；
上述第二光开关，用于根据上述回波信号和上述第二光信号输出上述目标光信号。
根据本发明的实施例，差分吸收激光雷达还包括：
滤波模块，用于过滤上述目标光信号中的噪声信号，得到过滤后的目标光信号，上述滤波模块包括温控滤波器。
根据本发明的实施例，上述根据上述目标数字信号测量上述气体的光学特性和/或分布特征，包括：
根据上述目标数字信号的强度和上述气体的吸收截面，确定上述气体的光学特性和/或分布特征，其中，上述光学特性包括上述气体的吸收能力，上述分布特征包括上述气体的浓度。
根据本发明的实施例，第一光开关通过调谐两种种子光信号生成两种种子光信号延时的初始光信号，初始光信号中的第一光信号通过信号处理装置进行气体探测，第二光开关可以根据探测到的回波信号和初始光信号中的第二光信号生成包括两种种子光信号对应的时域脉冲光和回波信号的目标光信号，采集卡根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号确定调解第一激光器和第二激光器的发光功率的调节系数，解决了全光纤差分吸收激光雷达的回波信号受种子光信号的功率不稳定导致全光纤激光雷达反演浓度误差较大的问题，提高了差分吸收激光雷达探测数据的准确性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的信号流向示意图；
图2示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的种子光信号时序示意图；
图3示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的第一光开关的方波时序示意图；
图4示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的第二光开关的方波时序示意图；
图5示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的回波信号时序示意图；
图6示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达工作流程示意图；
图7示出了根据本发明另一实施例的差分吸收激光雷达的信号流向示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
图1示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的信号流向示意图。图2示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的种子光信号时序示意图。图3示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的第一光开关的方波时序示意图。图4示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的第二光开关的方波时序示意图。图5示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达的回波信号时序示意图。
如图1所示，实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达100可以包括第一激光器110、第二激光器120、第一光开关130、信号处理装置140、光电探测器150和采集卡160。
第一激光器110和第二激光器120，分别用于发射两种光功率不同的种子光信号，其中，两种种子光信号的波长差值是根据激光雷达探测的气体确定的。
第一光开关130，用于在时分复用模式下根据两种种子光信号输出标定的初始光信号，其中，初始光信号可以包括两种种子光信号中的至少一种。
信号处理装置140，用于接收初始光信号中的第一光信号并生成回波信号，信号处理装置140中的第二光开关141（图1未示出，参见图7）根据回波信号和初始光信号中的第二光信号生成目标光信号，其中，目标光信号可以包括回波信号和分别与两种种子光信号对应的时域脉冲光。
光电探测器150，用于将目标光信号转换为目标电信号。
采集卡160，用于将目标电信号转换为目标数字信号，并将目标数字信号传输至外部计算机200（图1未示出，参见图7），以便于外部计算机200根据目标数字信号测量气体的光学特性和/或分布特征，采集卡160还用于根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，其中，调节系数用于调整第一激光器110和第二激光器120的发光功率。
根据本发明的实施例，第一激光器110可以发出λon的种子光信号，第二激光器120可以发出λoff的种子光信号，如图2所示，两种种子光信号的波长差值可以根据气体的吸收谱线上的波峰和波谷确定。
根据本发明的实施例，第一光开关130和第二光开关141均可以是2*2光开关。第一光开关130和第二光开关141通过切电压更换波长的方式进行差分吸收气体测量，即第一光开关130和第二光开关141设定方波，在方波为高电平时允许一种种子光信号通过，方波为低电平时允许另一种种子光信号通过，第一光开关130和第二光开关141的方波时序分别如图3和图4所示，上述方式中波长的切换时间较短，大气参数的变化不会影响待测的气体的浓度反演。
根据本发明的实施例，通过使用第一光开关130切换的时分复用模式，可以将同一个光电探测器用于种子光功率标定以及目标光信号的接收，避免了不同光电探测器响应不一致导致的系统误差，也可以将种子光功率标定提升至单光子量级，单光子量级使光功率的自校准更加准确。
根据本发明的实施例，信号处理装置140一方面可以将第一光信号发射至大气环境中，待测的气体吸收第一光信号后产生的回波信号被信号处理装置140所接收，其中，回波信号如图5所示，同时利用第二光开关141根据该回波信号和第二光信号生成目标光信号。其中，图2~图5中距离门均表征第一光信号在气体所在的大气环境所传播的距离分辨率。
图6示出了根据本发明实施例的差分吸收激光雷达工作流程示意图。
如图6所示，第一激光器110和第二激光器120分别发送λon和λoff的两种种子光信号，第一光开关130通过设定方波的形式控制输出的初始光信号中间隔排布有λon和λoff的两种种子光信号。信号处理装置140将初始光信号中的第一光信号发射至气体所在的大气环境中，并接收大气环境反射的回波信号，在此基础上，信号处理装置140中的第二光开关141在输入的情况下，第二光开关141通过设定方波的方式将第二光信号中的λon和λoff的两种种子光信号切割成与之对应的时域脉冲光，并与输入回波信号进行区分。其中，时域脉冲光的信号光程短，变化所用的时间较小。
根据本发明的实施例，光电探测器150将目标光信号转换为目标电信号，采集卡160将目标电信号转换为目标数字信号，以便于外部计算机200根据与回波信号对应的目标数字信号测量气体的光学特性和/或分布特征。同时采集卡160还可以根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号计算调节系数，以便于根据该调节系数调整第一激光器110和第二激光器120的发光功率。
根据本发明的实施例，第一光开关130通过调谐两种种子光信号生成两种种子光信号延时的初始光信号，初始光信号中的第一光信号通过信号处理装置140进行气体探测，第二光开关141可以根据探测到的回波信号和初始光信号中的第二光信号生成可以包括两种种子光信号对应的时域脉冲光以及回波信号的目标光信号。采集卡160根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号确定调制第一激光器110和第二激光器120的发光功率的调节系数，解决了全光纤差分吸收激光雷达100的回波信号受种子光信号的功率不稳定导致全光纤激光雷达反演浓度误差较大的问题，提高了差分吸收激光雷达100探测数据的准确性。
图7示出了根据本发明另一实施例的差分吸收激光雷达100的信号流向示意图。
如图7所示，差分吸收激光雷达100还可以包括光纤分束器170。
光纤分束器170，用于将初始光信号分割为第一光信号和第二光信号，其中，第一光信号的功率和第二光信号的功率呈预设比值。
根据本发明的实施例，光纤分束器170可以包括分束比为预设比值的光纤分束器170，例如，预设比值可以为99:1。
根据本发明的实施例，在光纤分束比为99:1的情况下，第一光开关130输出的初始光信号可以被光纤分束器170分给成能量占比为99%的第一光信号和能量占比为1%的第二光信号。从而利用该第一光信号和第二光信号进行气体的探测和发光功率的调整。
需要说明的是，光纤分束器170的分束比并非仅可以是上述的99:1，上述比值仅作为示例进行说明，并非限制本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，两种时域脉冲光分别可以包括第一种子分信号和第二种子分信号。
根据本发明的实施例，根据两种时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，可以包括如下操作：
计算与第一种子分信号对应的目标数字信号和与第二种子分信号对应的目标数字信号之间的比例系数。
根据比例系数确定调节系数，以使得采集卡160根据调节系数调整第一激光器110和第二激光器120的发光功率。
根据本发明的实施例，两种时域脉冲光分别是第二光开关141对第二光信号进行切割后输出的脉冲光。时域脉冲光与回波信号进行耦合可以得到较为准确的短光程种子光信号。
根据本发明的实施例，第一种子分信号可以是指根据λon种子信号生成的
Figure 960552DEST_PATH_IMAGE001
信 号，第二种子分信号可以是指根据λoff种子信号生成的
Figure 205589DEST_PATH_IMAGE002
信号。其中，λon种子信号与
Figure 578801DEST_PATH_IMAGE001
信号可以相同，也可以不同，同理，λoff种子信号与
Figure 708431DEST_PATH_IMAGE002
信号可以相同，也可以不同。
根据本发明的实施例，在采集卡160采集到目标电信号的情况下，将该目标电信号转换为包括与第一种子分信号对应的目标数字信号和与第二种子分信号对应的目标数字信号，确定两种目标数字信号之间的比例系数，从而可以确定一个用于调整第一激光器110和第二激光器120的发光功率的调节系数，进而确保差分吸收激光雷达100的回波信号受种子光信号的功率影响而保持相对稳定，保证差分吸收激光雷达100在反演气体光学特性和/或分布特征时误差较小。
如图7所示，信号处理装置140可以包括第一放大器142，第一放大器142用于放大第一光信号的功率，得到第三光信号，其中，第三光信号的功率为第一光信号的功率的预设倍数。
根据本发明的实施例，回波信号可以包括第三种子分信号。
根据本发明的实施例，根据目标数字信号测量气体的光学特性和/或分布特征，可以包括如下操作：
根据与第三种子分信号对应的目标数字信号和预设倍数，确定第四种子分信号。根据第四种子分信号测量气体的光学特性和/或分布特征。
根据本发明的实施例，第三种子分信号可以是根据第一光信号中的λoff种子信号生成的信号。
根据本发明的实施例，由于光信号在气体中传播时会有一定的损耗，因此可以在信号处理装置140中设置一个第一放大器142对第一光信号的光功率进行放大，从而实现更远距离的探测。
根据本发明的实施例，由于第一放大器142放大总功率恒定，故可以调整λon的种子信号的功率大于λoff的种子信号，即使得λon的种子信号和λoff的种子信号的光功率比λon/λoff为预设倍数，且预设倍数可以从探测器探测到的1%的第二光信号中直接看到。已知该预设倍数的情况下，在探测后的数据处理时，可先将λoff的第三种子分信号对应的目标数字信号乘该预设倍数得到第四种子分信号，该第四种子分信号可用于差分吸收数据处理，以测量气体的光学特性和/或分布特征，通过上述方法可以提高差分吸收激光雷达100的信噪比，提升差分吸收激光雷达100的测量距离。
如图7所示，信号处理装置140可以包括望远镜143、第二光开关141和第一放大器142。
第一放大器142，用于放大第一光信号的功率，生成放大的第一光信号。
望远镜143，用于向大气环境发射放大的第一光信号，并接收被气体吸收后产生的回波信号；
第二光开关141，用于根据回波信号和第二光信号输出目标光信号。
根据本发明的实施例，在第一光开关130输出初始光信号的情况下，光纤分束器170可以将初始光信号分割为光能量为预设比值的第一光信号和第二光信号，将第一放大器142输出的放大的第一光信号发射至大气环境中，被所探测气体吸收后，回波信号返回至望远镜143。
根据本发明的实施例，第二光开关141通过设定方波的形式将第二光信号分割为 两种种子光信号对应的时域脉冲光，如第一种子分信号
Figure 991645DEST_PATH_IMAGE001
和第二种子分信号
Figure 407583DEST_PATH_IMAGE002
，并将 两种时域脉冲光耦合至回波信号中以形成目标光信号。
根据本发明的实施例，放大的第一光信号即第三光信号，第一放大器142的使用能够提高差分吸收激光雷达100的信噪比，提升差分吸收激光雷达100的测量距离。
如图7所示，差分吸收激光雷达100还可以包括滤波模块180。
滤波模块180，用于过滤目标光信号中的噪声信号，得到过滤后的目标光信号。滤波模块180可以包括温控滤波器。
根据本发明的实施例，由于接收到的回波信号中存在太阳光等一些对其他探测结果造成影响的噪声信号，可以利用滤波模块180对输入光电探测器150的目标光信号进行过滤，以滤除噪声信号，从而降低反演气体光学特性和/或分布特征时误差，提高了气体探测的准确性。
根据本发明的实施例，温控滤波器是一种可以通过调整温度实现滤除某些信号的滤波器。例如可以通过控制温度实现目标光信号中太阳光的滤除。
根据本发明的实施例，根据目标数字信号测量气体的光学特性和/或分布特征，可以包括如下操作：
根据目标数字信号的强度和气体的吸收截面，确定气体的光学特性和/或分布特征，其中，光学特性可以包括气体的吸收能力，分布特征可以包括气体的浓度。
根据本发明的实施例，吸收截面表征的是气体在不同浓度的情况下对第一光信号的吸收概率。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达，包括：
第一激光器和第二激光器，分别用于发射两种光功率不同的种子光信号，其中，两种所述种子光信号的波长差值是根据所述激光雷达探测的气体确定的；
第一光开关，用于在时分复用模式下根据两种所述种子光信号输出标定的初始光信号，其中，所述初始光信号包括两种所述种子光信号中的至少一种；
信号处理装置，用于接收所述初始光信号中的第一光信号并生成回波信号，所述信号处理装置中的第二光开关根据所述回波信号和所述初始光信号中的第二光信号生成目标光信号，其中，所述目标光信号包括所述回波信号和分别与两种所述种子光信号对应的时域脉冲光；
光电探测器，用于将所述目标光信号转换为目标电信号；
采集卡，用于将所述目标电信号转换为目标数字信号，并将所述目标数字信号传输至外部计算机，以便于所述外部计算机根据所述目标数字信号测量所述气体的光学特性和/或分布特征，所述采集卡还用于根据两种所述时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，其中，所述调节系数用于调整所述第一激光器和所述第二激光器的发光功率。
2.根据权利要求1所述的雷达，还包括：
光纤分束器，用于将所述初始光信号分割为所述第一光信号和所述第二光信号，其中，所述第一光信号的功率和所述第二光信号的功率呈预设比值。
3.根据权利要求1所述的雷达，两种所述时域脉冲光分别包括第一种子分信号和第二种子分信号；
其中，所述根据两种所述时域脉冲光对应的目标数字信号确定调节系数，包括：
计算与所述第一种子分信号对应的目标数字信号和与所述第二种子分信号对应的目标数字信号之间的比例系数；
根据所述比例系数确定所述调节系数，以使得所述采集卡根据所述调节系数调整所述第一激光器和所述第二激光器的发光功率。
4.根据权利要求1所述的雷达，所述信号处理装置包括第一放大器，所述第一放大器用于放大所述第一光信号的功率，得到第三光信号，其中，所述第三光信号的功率为所述第一光信号的功率的预设倍数；
所述回波信号包括第三种子分信号；
其中，所述根据所述目标数字信号测量所述气体的光学特性和/或分布特征，包括：
根据与所述第三种子分信号对应的目标数字信号和所述预设倍数，确定第四种子分信号；
根据所述第四种子分信号测量所述气体的光学特性和/或分布特征。
5.根据权利要求1所述的雷达，其中，所述信号处理装置包括：
第一放大器，用于放大所述第一光信号的功率，生成放大的第一光信号；
望远镜，用于向大气环境发射所述放大的第一光信号，并接收被所述气体吸收后产生的回波信号；
所述第二光开关，用于根据所述回波信号和所述第二光信号输出所述目标光信号。
6.根据权利要求1所述的雷达，还包括：
滤波模块，用于过滤所述目标光信号中的噪声信号，得到过滤后的目标光信号，其中，所述滤波模块包括温控滤波器。
7.根据权利要求1所述的雷达，其中，所述根据所述目标数字信号测量所述气体的光学特性和/或分布特征，包括：
根据所述目标数字信号的强度和所述气体的吸收截面，确定所述气体的光学特性和/或分布特征，其中，所述光学特性包括所述气体的吸收能力，所述分布特征包括所述气体的浓度。
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