CN1159598C - 双波长高空探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长高空探测激光雷达，属电子与光电子技术领域。该激光雷达由激光发射器(1)、光学接收器(2)和信号检测处理器(3)组成，激光发射器(1)采用二次倍频余光复用技术，将基波光经倍频器(5)倍频后的绿色光束(9)直接用于激发瑞利散射，剩余的基波光用倍频器(12)倍频后激励染料激光器(16)，产生的黄色光束(22)用于激发钠层荧光；光学接收器(2)采用分离焦点光纤分光技术，将光纤(24)和(32)并列置于接收望远镜的焦平面上，分别接收瑞利散射和钠层荧光的回波光，实现了一台激光雷达对30~110公里中、高层大气同时探测的目的。本发明可探测大气的密度、温度、波动等参数的空间分布和时间变化，适用于空间物理、大气科学、环保、气象、航空、航天等领域的研究。

Description

双波长高空探测激光雷达

技术领域：

本发明涉及激光雷达，更具体涉及双波长高空探测激光雷达。它适用于空间物理研究，大气科学研究，以及环保、气象、航空、航天、军事等领域。

背景技术：

激光雷达具有时间空间分辨率高、动态范围大、不存在探测盲区、可分辨探测物种类等突出的优点，已被广泛应用于对大气的高精度遥感探测中。研究表明，在30-110公里范围的高空中存在着许多复杂的物理、化学和动力学过程，是日一地关系链中承上启下的极为重要的一环，对它的探测与研究有助于增进对空间环境和全球变化的了解，提高天气预报的准确度，同时，对保证导弹、火箭的顺利发射和飞行，人造卫星和飞船的顺利发射和回收也具有重要的意义。多年来，由于探测30-110公里中、高层大气，对探空气球而言太高，对人造卫星而言太低，同时，这一层段又是无线电探测的盲区，而发射探空火箭成本又太高，且难以获得连续的探测数据。所以，到目前人们对30～110公里中、高层大气特性的了解和研究还很不充分。而激光雷达恰能适应30～110公里中、高层大气连续、高精度探测的需求。因此，发展激光雷达技术，以用于对中、高层大气的探测是激光雷达当前的重要发展方向之一。

激光雷达通常由激光发射器、光学接收器、光电信号检测处理器三部分组成。激光器向空中发射的激光束与大气中的原子、分子相互作用，产生的光信号向下回传到光学接收器，经光电信号的检测处理，可获得大气的激光雷达回波信号。该信号的变化显示了光强随高度所产生的变化，由此可求得获取该回波信号期间某种大气成分浓度随高度的分布。对其进行连续性探测，可获得该大气组分浓度的高度分布状态及其在各个时间尺度内的变化。因此，通过激光雷达的探测，可以获得有关大气结构、组成和变化等方面的大量高精度数据。

现有激光雷达对30～110公里中、高层大气的探测，主要是利用瑞利散射激光雷达和钠层荧光激光雷达。其中，瑞利散射激光雷达有：法国的Serviced’Aeronomie du C.N.RS，它使用Φ800mm的接收望远镜和功率为5W的激光发射器，探测高度为30-80公里；日本的Kyushu University，它使用Φ500mm的接收望远镜和功率为16W的激光发射器，探测高度为30-70公里；使用瑞利散射激光雷达的不足之处在于，其最大探测高度一般在80公里以下；要进一步提高其探测高度，技术难度大、造价昂贵、操作复杂；即使不计成本，其理论最大探测高度也在100公里以下。钠层荧光激光雷达有：美国的University of Illinois，使用Φ1200mm的接收望远镜和功率为10W的激光发射器；德国的University ofBonn，使用Φ1000mm的接收望远镜和功率为3W的激光发射器，两者的探测高度范围均为80-110公里；使用钠层荧光激光雷达的不足之处在于，受大气钠层高度的限制，其探测高度只能在80-110公里的范围内。如果将瑞利散射激光雷达和钠层荧光激光雷达同时使用，虽然可以达到对30-110公里中、高层大气探测的目的，但其使用的人力、经费、场地都将成倍地增加，且两台激光雷达难以实现对同一区域进行同步探测，也会影响探测的精度。因此，这种将两台激光雷达简单相加使用的办法不是科学、合理的方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能实现对30-110公里中、高层大气宽高度范围同时探测的激光雷达，即双波长高空探测激光雷达。该双波长高空探测激光雷达在与一台普通的钠层荧光激光雷达硬件配置基本相同的情况下，将瑞利散射和钠层共振荧光两种工作机制有机地融入一台激光雷达之中，通过双波长发射和双光纤分光接收，达到利用一台激光雷达实现对30-110公里中、高层大气的宽高度范围同时探测的目的，可完成瑞利散射激光雷达和钠层荧光激光雷达两者的所有功能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本双波长高空探测激光雷达采用大气分子的瑞利散射机制和大气原子的共振荧光机制相结合的办法，实现对30-110公里中、高层大气宽高度范围的同时探测。其中大气分子的瑞利散射利用钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器发出的基波脉冲光经倍频器倍频，产生波长为532nm激光光束，用以探测30-80公里的中层大气；大气原子的共振荧光可采用钠层原子的共振荧光，由钇铝石榴石激光器的532nm光激励染料激光器，产生波长为589nm激光光束，用以探测80-110公里的高层大气。本发明由一套激光系统产生的532nm激光和589nm激光同时工作(故名双波长)，分别激发大气分子的瑞利散射和大气原子的共振荧光，从而实现了对30~110公里中、高层大气的同时探测。

为使激光器能同时发出532nm和589nm两束激光，以分别激发大气分子的瑞利散射和大气原子的共振荧光，本发明采用独特的二次倍频余光复用技术。在该技术中，使用了两个倍频器和两个强光分束器：钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器输出的基波光经第一个倍频器后，其中的532nm绿色光由强光分束器分离出来，用以激发瑞利散射，剩余的基波光再经第二个倍频器倍频，所产生的532nm光再由强光分束器分离出来，用于激励染料激光器产生589nm黄色光，作为钠层荧光的激发光束。通过这种对原来废弃的余光的再次利用，达到了基本不增加现有钠层荧光激光雷达配置的条件下实现双波长工作的目的。

为进一步简化本激光雷达的结构，必须使532nm的瑞利散射回波光和589nm的钠层荧光回波光由同一光学接收器接收，在进行有效的分光后再分别处理。本发明采用了独特的分离焦点光纤分光技术。具体方法是：532nm和589nm两发射光束从光学接收器两边向高空发射，并将其分别向相反方向偏离铅垂线3～10度角，使其远场焦点在接收望远镜焦平面上离中心略有偏离，并用两条单芯光纤分别接收此两焦点的回波光，再送到各自的光电检测通道处理。这种分离焦点光纤分光技术不仅分光效率高，而且两光之间的串扰也很小。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过对瑞利散射和钠层荧光两种机制的结合运用，采用多次倍频余光复用技术和分离焦点光纤分光技术，在与一台普通钠层荧光激光雷达硬件配置基本相同的条件下，达到了瑞利散射激光雷达和钠层荧光激光雷达两台雷达合用的效果，以比现有技术更少的人力、更低的费用、更方便的操作，用一台激光雷达满足了对30~10公里中、高层大气宽高度范围同时探测的需求，为中、高层大气的探测与研究提供了一种新的激光雷达设备。

由于本发明利用钠层荧光的共振增强来展开高空探测范围，具有优良的信噪比，因此，本发明是一种经济而有效的，能实现很宽探测高度范围的高空探测激光雷达，其造价和使用方便程度易为大多数中、高空大气探测应用部门所接受。

附图说明：

图1为本发明的原理结构框图。

其中：1激光发射器、2光学接收器、3信号检测处理器、4钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、5第一倍频器、6第一双色强光分束器、7第一转折棱镜、8第一光学发射器、9绿色发射光束、10第二转折棱镜、11第三转折棱镜、12第二倍频器、13第二双色强光分束器、14光吸收器、15第四转折棱镜、16染料可调谐激光器、17第五转折棱镜、18单色强光分束器、19钠原子光谱装置、20第六转折棱镜、21第二光学发射器、22黄色发射光束、23接收望远镜、24第一光纤、25第一准直透镜、26绿光窄带滤光器、27第一光电倍增管、28第一前置放大器、29第一光子计数器、30微型计算机、31回波监视器、32第二光纤、33第二准直透镜、34黄光窄带滤光器、35第二光电倍增管、36第二前置放大器、37第二光子计数器

具体实施方式：

下面结合附图对本发明所说的双波长高空探测激光雷达作进一步的说明。

本发明主要由激光发射器1、光学接收器2和信号检测处理器3组成。

激光发射器1主要由钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器4，第一倍频器5和第二倍频器12，第一双色强光分束器6和第二双色强光分束器13，单色强光分束器18，第一转折棱镜7、第二转折棱镜10、第三转折棱镜11、第四转折棱镜15、第五转折棱镜17和第六转折棱镜20，第一光学发射器8和第二光学发射器21，染料可调谐激光器16，钠原子光谱装置19，光吸收器14组成。染料可调谐激光器16由一级振荡和一级放大组成，染料可采用美国Excimer公司生产的Keton Red或相近的国产染料，在589.0nm波长上，可获得25％～30％的光—光转换效率。钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器4发出的1.06μm基波脉冲光经第一倍频器5倍频，所产生的532nm倍频光束由第一双色强光分束器6分离，经第一转折棱镜7和第一光学发射器8向高空发射，形成532nm绿色发射光束9，其单脉冲能量300-400mJ，重复频率10-30Hz，光束发散0.5～1.0mrad，用以激发大气分子的瑞利散射；经第一倍频器5后剩余的基波光束经第二转折棱镜10和第三转折棱镜11后，由第二倍频器12倍频，所产生的532nm倍频光由第二双色强光分束器13分离，经第四转折棱镜15转折后，用于激励染料可调谐激光器16，产生589nm可调黄光束，再经第五转折棱镜17，由单色强光分束器18分离，一部分经第六转折棱镜20和第二光学发射器21向高空发射，形成589nm黄色发射光束22，用于激发钠层原子的共振荧光；另一部分光束进入钠原子光谱装置19后，通过钠原子光谱装置19监视发射光束的波长，如光束波长偏离589nm，则通过调节染料可调谐激光器16，将光束波长调整到589nm。两次倍频后剩余的1.06μm光由光吸收器14吸收。两级倍频器有平稳的相位匹配和轴向旋转微调机构，并将其温度恒定在18℃～22℃，以保证稳定的倍频效率。

光学接收器2由接收望远镜23，第一光纤24和第二光纤32，第一准直透镜25和第二准直透镜33，绿光窄带滤光器26和黄光窄带滤光器34，第一光电倍增管27和第二光电倍增管35组成。大气的瑞利散射回波光532nm和钠层荧光回波光589nm由一个接收望远镜23同时接收，并分别聚焦于第一光纤24和第二光纤32。具体办法是：将第一光学发射器8向高空发射的532nm绿色发射光束9和第二光学发射器21向高空发射的589nm黄色发射光束22分别向铅垂方向的两侧偏移，偏移角度为3-10度。由于两发射光束的反向偏移，使532nm回波光和589nm回波光的远场焦点对接收望远镜焦平面中心的反向偏离，其正好被第一光纤24和第二光纤32分别接收，从而实现了两回波光的有效分离。532nm和589nm回波光经第一光纤24和第二光纤32分别传输到第一准直透镜25和第二准直透镜33，准直后的回波光经绿光窄带滤光器26和黄光窄带滤光器34滤光后，由第一光电倍增管27和第二光电倍增管35接收。

信号检测处理器3由第一前置放大器28和第二前置放大器36，回波监视器31、时间分辨第一光子计数器29和第二光子计数器37，及微型计算机30组成。瑞利散射和钠层荧光回波光信号经第一光电倍增管27和第二光电倍增管35转换成相应的电信号后，先经各自的第一前置放大器28和第二前置放大器36放大处理，放大后的电信号一方面送到回波监视器31显示，同时送至各自的时间分辨第一光子计数器29和第二光子计数器37进行回波信号的记录和积累，微型计算机30用于整机信号的自动采集、存储和处理，也用于整机工作的自动控制。前置放大器的宽带为150MHz～200MHz，放大倍数在30～50倍；时间分辨光子计数器的计数速率为200MHz～300MHz；回波监视器31的带宽为100MHz～250MHz。为避免外界干扰的影响，对本信号检测与处理系统要实施屏蔽和接地措施；为降低热噪声，第一光电倍增管27和第二光电倍增管35均冷却到-18℃～-25℃；为避免光电倍增管因低空强光信号刺激所导致的噪声，对两光电倍增管施用门控技术，门控关闭时间选在30μs～50μs，或使发射光束离接收望远镜的光轴5～10米，通过对发射光束发散和接收望远镜镜视场的控制来避免低空强光干扰。

Claims (4)

1、一种双波长高空探测激光雷达，该激光雷达由激光发射器(1)、光学接收器(2)和信号检测处理器(3)组成，其特征在于激光发射器(1)采用两次倍频技术，同时产生两种波长的发射激光束：第一倍频器(5)用于对钇铝石榴石激光器(4)产生的基波光倍频，产生532nm绿光发射光束(9)用于激发大气的瑞利散射，第二倍频器(12)用于对剩余基波光倍频，产生532nm激光用于激发染料可调谐激光器(16)，染料可调谐激光器(16)产生的589nm黄色发射光束(22)用于激发大气的钠层荧光，第一光学发射器(8)和第二光学发射器(21)分别用于将532nm绿色发射光束(9)和589nm黄色发射激光束(22)从接收望远镜(23)两边以相反方向偏离铅垂线3-10度角向空中发射；光学接收器(2)采用光纤分光技术，同时接受两种波长的回波光：接收望远镜(23)用于接收532nm绿色发射激光束(9)和589nm黄色发射激光束(22)的回波光，将回波光聚焦于焦平面上不同的两点，第一光纤(24)和第二光纤(32)分别用于接收聚焦于上述两点的回波光。

2、按权利要求1所说的一种双波长高空探测激光雷达，其特征在于所说的激光发射器(1)由钇铝石榴石激光器(4)、第一倍频器(5)和第二倍频器(12)、第一双色强光分束器(6)和第二双色强光分束器(13)、单色强光分束器(18)、第一转折棱镜(7)、第二转折棱镜(10)、第三转折棱镜(11)、第四转折棱镜(15)、第五转折棱镜(17)和第六转折棱镜(20)、第一光学发射器(8)和第二光学发射器(21)、染料可调谐激光器(16)、钠原子光谱装置(19)、光吸收器(14)组成；钇铝石榴石激光器(4)用于产生波长为1.06um的脉冲基波光，第一倍频器(5)用于此基波光倍频，第一双色强光分束器(6)用于将倍频后的1.06um和532nm激光分离，第一转折棱镜(7)和第一光学发射器(8)将分离出的532nm激光发射到空中，形成532nm绿色发射激光束(9)，第二转折棱镜(10)和第三转折棱镜(11)用于将分离出的1.06um激光转向送到第二倍频器(12)倍频，第二双色强光分束器(13)用于将第二倍频器(12)倍频后的1.06um和532nm激光分离，光吸收器(14)用于吸收分离出的1.06um激光，第四转折棱镜(15)用于将分离出的532nm激光送至染料可调谐激光器(16)，产生589nm黄色激光，第五转折棱镜(17)用于将589nm黄色激光送到单色强光分束器(18)，单色强光分束器(18)用于将589nm黄色激光分离成两束，一束激光送到第六转折棱镜(20)，第六转折棱镜(20)和第二光学发射器(21)用于将激光发射到空中，形成589nm黄色发射激光束(22)，另一束激光送到钠原子光谱装置(19)，钠原子光谱装置(19)用于监视黄色激光的波长。

3、按权利要求1所说的一种双波长高空探测激光雷达，其特征在于所说的光学接收器(2)由接收望远镜(23)、第一光纤(24)和第二光纤(32)、第一准直透镜(25)和第二准直透镜(33)、绿光窄带滤光器(26)和黄光窄带滤光器(34)、第一光电倍增管(27)和第二光电倍增管(35)组成；接收望远镜(23)用于同时接收532nm和589nm的两种回波光，并将它们聚焦于焦平面上不同的两点，并分别由第一光纤(24)和第二光纤(32)接收，第一光纤(24)用于将接收的532nm回波光送到第一准直镜(25)，第一准直镜(25)用于将532nm回波光准直，并送到绿光窄带滤光器(26)，绿光窄带滤光器(26)用于滤除532nm以外的干扰光，第一光电增管(27)用于将滤除后的532nm回波光信号转换成电信号；第二光纤(32)用于将接收的589nm回波光送到第二准直镜(33)，第二准直镜(33)用于将589nm回波光准直，并送到黄光窄带滤波器(34)，黄光窄带滤波器(34)用于滤除589nm以外的干扰光，第二光电倍增管(35)用于将滤光后的589nm回波光信号转换成电信号。

4、按权利要求1所说的一种双波长高空探测激光雷达，其特征在于所说的信号检测处理器(3)由第一前置放大器(28)和第二前置放大器(36)、回波监视器(31)、时间分辨第一光子计数器(29)和第二光子计数器(37)、及微型计算机(30)组成；第一前置放大器(28)用于放大由第一光电倍增管(27)产生的532nm回波光的电信号，第一光子计数器(29)用于将放大后的532nm回波光的电信号进行时间分辨率的积累处理，获得532nm回波数据；第二前置放大器(36)用于放大由第二光电倍增管(35)所产生的589nm回波光的信号，第二光子计数器(37)用于将放大后的589nm回波光的电信号进行时间分辨率的积累处理，获得589nm回波数据；回波监视器(31)用于显示来自第一前置放大器(28)和第二前置放大器(36)的信号，微型计算机(30)用于回波信号的自动采集、存储和处理，也用于整机工作的自动控制。

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