CN117169855A - 双波长激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双波长激光雷达装置，涉及激光雷达技术领域，装置包括：LD泵浦源、泵浦光耦合设备、基频腔反射镜和双波长输出镜；基频腔反射镜和双波长输出镜构成第一谐振腔，第一谐振腔内包括第一激光晶体、第二激光晶体和调Q器件；LD泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合设备入射至第一激光晶体和第二激光晶体中，产生第一基频光和第二基频光；调Q器件用于使第一基频光和第二基频光产生震荡，形成第一脉冲基频光和第二脉冲基频光；泵浦光耦合设备可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备与第一激光晶体和第二激光晶体之间的距离。本发明实现了一种轻小型双波长激光雷达，减小了体积和功耗，而且实现了双波长激光束的分时发射。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种双波长激光雷达装置。
背景技术
双波长激光雷达利用双波长的吸收损耗特性可以确定气体种类并量化气体浓度，在实现有毒、可燃和爆炸性气体的检测方面体现出重大应用价值。
目前，双波长激光雷达系统主要利用两台激光器向空间中发射双波长激光束，而利用两台激光器发射双波长激光束，存在体积大及功耗大的缺陷。
因此，如何实现一种轻小型双波长激光雷达，成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双波长激光雷达装置。
第一方面，本发明提供一种双波长激光雷达装置，包括：LD泵浦源、泵浦光耦合设备、基频腔反射镜和双波长输出镜；
所述基频腔反射镜和所述双波长输出镜构成第一谐振腔，所述第一谐振腔内包括第一激光晶体、第二激光晶体和调Q器件；
所述LD泵浦源发出的泵浦光经所述泵浦光耦合设备入射至所述第一谐振腔内的所述第一激光晶体和所述第二激光晶体中，产生第一基频光和第二基频光，所述第一基频光的波长为第一波长，所述第二基频光的波长为第二波长；
所述调Q器件用于：使所述第一激光晶体和所述第二激光晶体产生的所述第一基频光和所述第二基频光产生震荡，形成脉冲形式的第一脉冲基频光和第二脉冲基频光；
所述泵浦光耦合设备可沿所述泵浦光的传输路径移动，以调节所述泵浦光耦合设备与所述第一激光晶体和所述第二激光晶体之间的距离。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述装置还包括：双波长谐波镜和非线性晶体；
所述双波长谐波镜和所述双波长输出镜构成第二谐振腔，所述非线性晶体位于所述第二谐振腔内；
所述非线性晶体用于：在所述第二谐振腔内对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行频率转换，获得与所述第一脉冲基频光相对应的第一脉冲激光光束，以及与所述第二脉冲基频光相对应的第二脉冲激光光束，所述第一脉冲激光光束的波长为第三波长，所述第二脉冲激光光束的波长为第四波长。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述装置还包括：标准具，所述标准具位于所述调Q器件和所述双波长谐波镜之间；
所述标准具用于：对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行线宽压缩。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述装置还包括：移动控制器、伺服电机和移动平台；
所述移动控制器用于：向所述伺服电机发送控制信号；
所述伺服电机用于：基于所述移动控制器发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备在所述移动平台上移动。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述移动平台包括泵浦光耦合设备夹具和移动轨道；
所述泵浦光耦合设备夹具用于：将所述泵浦光耦合设备设置在所述移动轨道上；
所述伺服电机具体用于：基于所述移动控制器发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备夹具带动所述泵浦光耦合设备在所述移动轨道上移动。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述装置还包括：扩束镜；
所述扩束镜用于：将所述双波长输出镜输出的双波长激光束的半径进行扩大处理后输出至大气环境中。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述装置还包括：望远镜和数据处理单元；
所述望远镜用于：接收所述双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号；
所述数据处理单元用于：对所述大气弹性散射双波长回波信号进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述数据处理单元包括：反射镜、二色分光镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器和数据处理器；
所述反射镜用于：将所述望远镜接收到的所述大气弹性散射双波长回波信号反射至所述二色分光镜；
所述二色分光镜用于：将所述大气弹性散射双波长回波信号分离为第一波长回波信号和第二波长回波信号；
所述第一波长回波信号经所述第一聚焦透镜聚焦后被所述第一光电探测器进行探测，获得第一电信号；所述第二波长回波信号经所述第二聚焦透镜聚焦后被所述第二光电探测器进行探测，获得第二电信号；
所述数据处理器用于：对所述第一光电探测器输出的所述第一电信号和所述第二光电探测器输出的所述第二电信号分别进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述望远镜为牛顿式反射望远镜。
可选地，根据本发明提供的一种双波长激光雷达装置，所述望远镜为卡塞格林望远镜。
本发明提供的双波长激光雷达装置，通过LD泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合设备入射至第一谐振腔内的第一激光晶体和第二激光晶体中，产生双波长的基频光，从而有效实现了利用一台激光器即可发射出双波长激光束，减小了激光雷达体积，降低了功耗，实现了一种轻小型双波长激光雷达，而且泵浦光耦合设备可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备与第一激光晶体和第二激光晶体之间的距离，从而可以改变LD泵浦源所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体和第二激光晶体中的位置，调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的双波长激光雷达装置的结构示意图；
图2是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之一；
图3是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之二；
图4是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之三。
附图标记：
1：LD泵浦源；2：泵浦光耦合设备；3：基频腔反射镜；4：双波长输出镜；5：第一激光晶体；6：第二激光晶体；7：调Q器件；8：双波长谐波镜；9：非线性晶体；10：标准具；11：移动控制器；12：伺服电机；13：移动平台；131：泵浦光耦合设备夹具；132：移动轨道；14：扩束镜；15：望远镜；151：望远镜镜筒；152：主镜；153：副镜；16：数据处理单元；161：反射镜；162：二色分光镜；163：第一聚焦透镜；164：第二聚焦透镜；165：第一光电探测器；166：第二光电探测器；167：数据处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
下面结合附图对本发明提供的双波长激光雷达装置进行示例性的介绍。
图1是本发明提供的双波长激光雷达装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括LD泵浦源1、泵浦光耦合设备2、基频腔反射镜3和双波长输出镜4；
所述基频腔反射镜3和所述双波长输出镜4构成第一谐振腔，所述第一谐振腔内包括第一激光晶体5、第二激光晶体6和调Q器件7；
所述LD泵浦源1发出的泵浦光经所述泵浦光耦合设备2入射至所述第一谐振腔内的所述第一激光晶体5和所述第二激光晶体6中，产生第一基频光和第二基频光，所述第一基频光的波长为第一波长，所述第二基频光的波长为第二波长；
所述调Q器件7用于：使所述第一激光晶体5和所述第二激光晶体6产生的所述第一基频光和所述第二基频光产生震荡，形成脉冲形式的第一脉冲基频光和第二脉冲基频光；
所述泵浦光耦合设备2可沿所述泵浦光的传输路径移动，以调节所述泵浦光耦合设备2与所述第一激光晶体5和所述第二激光晶体6之间的距离。
具体地，为了克服现有的双波长激光雷达系统主要利用两台激光器向空间中发射双波长激光束，而利用两台激光器发射双波长激光束，存在体积大及功耗大的缺陷，本发明通过LD泵浦源1发出的泵浦光经泵浦光耦合设备2入射至第一谐振腔内的第一激光晶体5和第二激光晶体6中，产生双波长的基频光，从而有效实现了利用一台激光器即可发射出双波长激光束，减小了激光雷达体积，降低了功耗，实现了一种轻小型双波长激光雷达，而且泵浦光耦合设备2可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备2与第一激光晶体5和第二激光晶体6之间的距离，从而可以改变LD泵浦源1所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的位置，调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射。
需要说明的是，LD泵浦源1发出的泵浦光经泵浦光耦合设备2入射到两块不同的激光晶体（第一激光晶体5和第二激光晶体6）中，两块激光晶体内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转。基频腔反射镜3和双波长输出镜4构成第一谐振腔，在调Q器件7打开后经第一谐振腔的反馈产生双波长基频光（第一基频光和第二基频光，其中第一基频光的波长为第一波长，第二基频光的波长为第二波长）振荡，形成脉冲形式的第一脉冲基频光和第二脉冲基频光。
需要说明的是，本发明实施例中，LD泵浦源1发出的泵浦光经泵浦光耦合设备2以非均匀的形式入射到第一激光晶体5和第二激光晶体6中。可以理解的是，泵浦光以非均匀的形式入射到第一激光晶体5和第二激光晶体6中，则类似于高斯光束（双曲线）入射到第一激光晶体5和第二激光晶体6中，入射光束有束腰位置或焦点位置，移动束腰位置或焦点位置，泵浦光入射在第一激光晶体5和第二激光晶体6的体积就会发生变化，导致增益发生变化。
可以理解的是，本发明实施例中的第一基频光和第二基频光的波长不同，相应的，第一脉冲基频光和第二脉冲基频光的波长也不同。
需要说明的是，本发明实施例中，泵浦光耦合设备2可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备2与第一激光晶体5和第二激光晶体6之间的距离，从而可以改变LD泵浦源1所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的位置，调节第一激光晶体5和第二激光晶体6产生的双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射。
本发明提供的双波长激光雷达装置，通过LD泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合设备入射至第一谐振腔内的第一激光晶体和第二激光晶体中，产生双波长的基频光，从而有效实现了利用一台激光器即可发射出双波长激光束，减小了激光雷达体积，降低了功耗，实现了一种轻小型双波长激光雷达，而且泵浦光耦合设备可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备与第一激光晶体和第二激光晶体之间的距离，从而可以改变LD泵浦源所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体和第二激光晶体中的位置，调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射。
可选地，本发明实施例提供的双波长激光雷达装置还包括：双波长谐波镜8和非线性晶体9；
所述双波长谐波镜8和所述双波长输出镜4构成第二谐振腔，所述非线性晶体9位于所述第二谐振腔内；
所述非线性晶体9用于：在所述第二谐振腔内对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行频率转换，获得与所述第一脉冲基频光相对应的第一脉冲激光光束，以及与所述第二脉冲基频光相对应的第二脉冲激光光束，所述第一脉冲激光光束的波长为第三波长，所述第二脉冲激光光束的波长为第四波长。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，双波长激光雷达装置还包括双波长谐波镜8和非线性晶体9，双波长谐波镜8和双波长输出镜4构成第二谐振腔，非线性晶体9位于第二谐振腔内，利用非线性晶体9可以实现在第二谐振腔内对第一脉冲基频光和第二脉冲基频光进行频率转换，获得与第一脉冲基频光相对应的第一脉冲激光光束，以及与第二脉冲基频光相对应的第二脉冲激光光束，其中第一脉冲激光光束的波长为第三波长，第二脉冲激光光束的波长为第四波长。
需要说明的是，本发明实施例中的第三波长和第四波长可以基于实际应用进行设置，本发明实施例对此不作具体限定。
需要说明的是，本发明实施例通过利用非线性晶体9经非线性频率变换可以实现可调谐窄线宽双波长激光，有利于对多种气体进行高精度地测量。
可选地，本发明实施例提供的双波长激光雷达装置还包括：标准具10，所述标准具10位于所述调Q器件7和所述双波长谐波镜8之间；
所述标准具10用于：对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行线宽压缩。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，双波长激光雷达装置还包括标准具10，该标准具10位于调Q器件7和双波长谐波镜8之间，可以用于对第一脉冲基频光和第二脉冲基频光进行线宽压缩，以实现将光束的线宽压缩至激光雷达所要求线宽范围内。
可选地，本发明实施例提供的双波长激光雷达装置还包括：移动控制器11、伺服电机12和移动平台13；
所述移动控制器11用于：向所述伺服电机12发送控制信号；
所述伺服电机12用于：基于所述移动控制器11发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备2在所述移动平台13上移动。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，双波长激光雷达装置还包括移动控制器11、伺服电机12和移动平台13，其中移动控制器11可以向伺服电机12发送控制信号，伺服电机12可以基于移动控制器11发送的控制信号，控制泵浦光耦合设备2在移动平台13上移动。
需要说明的是，现有的双波长激光的空间同步及脉冲间隔调控的整体结构不利于小型化设计，和重复频率较低而难以满足高时间分辨率的探测需求，而本发明实施例通过移动控制器11协同伺服电机12控制泵浦光耦合设备2在移动平台13上移动，可以调节泵浦光耦合设备2与第一激光晶体5和第二激光晶体6之间的距离，从而可以改变LD泵浦源1所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的位置，调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射，且结构简单，易于实现。
可选地，所述移动平台13包括泵浦光耦合设备夹具131和移动轨道132；
所述泵浦光耦合设备夹具131用于：将所述泵浦光耦合设备2设置在所述移动轨道132上；
所述伺服电机12具体用于：基于所述移动控制器11发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备夹具131带动所述泵浦光耦合设备2在所述移动轨道132上移动。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，移动平台13包括有泵浦光耦合设备夹具131和移动轨道132，其中泵浦光耦合设备夹具131可以将泵浦光耦合设备2设置在移动轨道132上，进而伺服电机12基于移动控制器11发送的控制信号，控制泵浦光耦合设备夹具131带动泵浦光耦合设备2在移动轨道132上移动。
可以理解的是，泵浦光耦合设备2通过泵浦光耦合设备夹具131固定到移动轨道132上。移动控制器11向伺服电机12发送控制信号，伺服电机12基于移动控制器11发送的控制信号控制泵浦光耦合设备夹具131移动，进而控制泵浦光耦合设备2沿泵浦光传输路径移动，以调节泵浦光在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的聚焦位置。通过改变泵浦光耦合设备2的前后位置，进而调节泵浦光耦合设备2与第一激光晶体5和第二激光晶体6之间的距离，最终改变LD泵浦源1所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的位置。
以第一激光晶体5产生的波长为第一波长的第一基频光为例，将光路方向（泵浦光传输方向）作为传播轴线，以第一激光晶体5和第二激光晶体6的相邻面作为原点，在仅考虑第一激光晶体5产生的振荡基频光与LD泵浦源1产生的泵浦光重叠的体积内有效反转粒子数密度时，泵浦参数可以表示为：
（1）
其中，为量子效率，/>为第一激光晶体5的吸收系数，/>为泵浦功率，/>为第一激光晶体5的总激活粒子数密度，/>为泵浦光在传播轴线的位置，/>为普朗克常数，/>为泵浦光频率，/>为泵浦光与第一基频光的重叠体积，/>为第一激光晶体5的长度，/>为第一激光晶体5内泵浦光半径，/>，/>为泵浦光聚焦半径，/>为泵浦光的远场发散角，/>为在传播轴线上泵浦光聚焦的位置。
通过改变泵浦光耦合设备2中准直聚焦镜的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光晶体5和第二激光晶体6中的位置，可以使得第一激光晶体5和第二激光晶体6的反转粒子数密度发生改变，进而调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔。
示例性的，当初始的泵浦光经泵浦光耦合设备2后聚焦到第一激光晶体5和第二激光晶体6的相邻面（即z=0mm），当准直聚焦镜向后移动，即泵浦光聚焦到第一激光晶体5内部（即z为负值），使得第一激光晶体5的反转粒子数密度增大，第一基频光的脉冲建立更早，而第二激光晶体6的反转粒子数密度减小，第二基频光的脉冲建立时间推后。
图2是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之一，图3是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之二，图4是本发明提供的双波长脉冲随泵浦光束腰位置的变化示意图之三，如图2、图3和图4所示，可以看出，随着泵浦光束腰位置移动，双波长脉冲可以实现由分离到重合再到分离。其中，图中的横坐标轴为时间坐标轴（Time），单位为纳秒（ns），竖坐标轴为激光晶体内总激活粒子数的密度坐标轴（Density），单位为无量纲单位（arbitrary unit，a.u.）；图2至图4中泵浦光束腰位置z分别为-1nm、0nm和1nm；lamda1表示第一激光晶体产生的第一基频光，lamda2表示第二激光晶体产生的第二基频光。
通过伺服电机12控制泵浦光耦合设备夹具131移动，进而控制泵浦光耦合设备2沿泵浦光传输路径移动，便于差分吸收激光雷达对双波长激光波束发射间隔的调节，实现双波长激光波束的分时发射。
可选地，本发明实施例提供的双波长激光雷达装置还包括：扩束镜14；
所述扩束镜14用于：将所述双波长输出镜4输出的双波长激光束的半径进行扩大处理后输出至大气环境中。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，双波长激光雷达装置还包括扩束镜14，该扩束镜14可以将双波长输出镜4输出的双波长激光束的半径进行扩大处理后输出至大气环境中，以增加双波长激光束与大气的接触面积，便于收集双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号，并使得测量数据更加准确。
可以理解的是，本发明实施例中的双波长激光束即为上文中的第一脉冲基频光和第二脉冲基频光，或者为上文中的第一脉冲激光光束和第二脉冲激光光束。
可选地，本发明实施例提供的双波长激光雷达装置还包括：望远镜15和数据处理单元16；
所述望远镜15用于：接收所述双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号；
所述数据处理单元16用于：对所述大气弹性散射双波长回波信号进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，双波长激光雷达装置还包括望远镜15和数据处理单元16，其中望远镜15可以接收双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号，数据处理单元16可以对望远镜15接收到的大气弹性散射双波长回波信号进行处理，以确定大气环境中各气体的浓度。
可选地，如图1所示，所述望远镜15包括望远镜镜筒151、主镜152和副镜153，用于接收双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号。
可选地，所述望远镜15为牛顿式反射望远镜。
可选地，所述望远镜15为卡塞格林望远镜。
可选地，所述数据处理单元16包括：反射镜161、二色分光镜162、第一聚焦透镜163、第二聚焦透镜164、第一光电探测器165、第二光电探测器166和数据处理器167；
所述反射镜161用于：将所述望远镜15接收到的所述大气弹性散射双波长回波信号反射至所述二色分光镜162；
所述二色分光镜162用于：将所述大气弹性散射双波长回波信号分离为第一波长回波信号和第二波长回波信号；
所述第一波长回波信号经所述第一聚焦透镜163聚焦后被所述第一光电探测器165进行探测，获得第一电信号；所述第二波长回波信号经所述第二聚焦透镜164聚焦后被所述第二光电探测器166进行探测，获得第二电信号；
所述数据处理器167用于：对所述第一光电探测器165输出的所述第一电信号和所述第二光电探测器166输出的所述第二电信号分别进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
具体地，本发明实施例中，如图1所示，数据处理单元16包括反射镜161、二色分光镜162、第一聚焦透镜163、第二聚焦透镜164、第一光电探测器165、第二光电探测器166和数据处理器167，其中反射镜161可以将望远镜15接收到的大气弹性散射双波长回波信号反射至二色分光镜162，二色分光镜162可以将大气弹性散射双波长回波信号分离为第一波长回波信号和第二波长回波信号，第一波长回波信号经第一聚焦透镜163聚焦后被第一光电探测器165进行探测，获得第一电信号，第二波长回波信号经第二聚焦透镜164聚焦后被第二光电探测器166进行探测，获得第二电信号，数据处理器167可以对第一光电探测器165输出的第一电信号和第二光电探测器166输出的第二电信号分别进行处理，以确定大气环境中各气体的浓度。
可以理解的是，大气弹性散射双波长回波信号通过反射镜161进入二色分光镜162，二色分光镜162将双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号分开，并经过第一聚焦透镜163和第二聚焦透镜164聚焦后被第一光电探测器165和第二光电探测器166探测。数据处理器167将第一光电探测器165和第二光电探测器166输出的电信号量化、采集并进行处理，实现气体浓度的高精度测量。
需要说明的是，本发明实施例中，双波长激光雷达装置运行时向大气环境中同一个光路发射波长接近的两个激光光束，一个位于待测气体的吸收峰上，记为待测气体在此处有比较强的吸收；另一个位于待测气体的吸收谷或者吸收峰之外，记为待测气体在此处的吸收较少或者不吸收。如果这两个激光光束的波长接近或者选择较合适，空气分子与气溶胶粒子在这两个激光光束的波长处的消光和散射几乎一样，即在反演时能将其忽略。依据这两个激光光束的回波信号就能获取待测大气气体成分的浓度分布。
激光雷达接收到的高度为处的大气弹性散射双波长回波信号的能量/>由激光雷达方程决定，即：
（2）
其中，是激光的发射功率，/>是常数，/>为待测气体吸收截面，/>为探测距离，/>为距离/>处大气弹性散射系数，/>为发射距离到/>处的消光系数，/>为距离/>处待测气体的浓度，/>，表示不同波长的激光束，/>表示波长。
假设和/>值相差很小，则待测气体浓度可以根据两个激光光束的回波信号强度获得：
（3）
其中，为差分距离，通过测量不同高度处/>和/>光波的回波信号强度，在已知被探测气体在这两个波峰上的吸收截面情况下，就可以获得被测气体的浓度廓线。
需要说明的是，本发明实施例实现了一种轻小型双波长激光雷达装置，一方面，该装置通过改变泵浦光束腰位置等参数调节双波长脉冲间隔，便于差分吸收激光雷达对双波长激光束发射间隔的调节，实现双波长激光束的分时发射；另一方面，通过利用非线性晶体经非线性频率变换可以实现可调谐窄线宽双波长激光，有利于对多种气体进行高精度地测量。
本发明提供的双波长激光雷达装置，通过LD泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合设备入射至第一谐振腔内的第一激光晶体和第二激光晶体中，产生双波长的基频光，从而有效实现了利用一台激光器即可发射出双波长激光束，减小了激光雷达体积，降低了功耗，实现了一种轻小型双波长激光雷达，而且泵浦光耦合设备可沿泵浦光的传输路径移动，以调节泵浦光耦合设备与第一激光晶体和第二激光晶体之间的距离，从而可以改变LD泵浦源所产生的泵浦光聚焦在第一激光晶体和第二激光晶体中的位置，调节双波长激光束的增益，最终改变输出双波长激光束的脉冲间隔，实现双波长激光束的分时发射。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种双波长激光雷达装置，其特征在于，包括：LD泵浦源、泵浦光耦合设备、基频腔反射镜和双波长输出镜；
所述基频腔反射镜和所述双波长输出镜构成第一谐振腔，所述第一谐振腔内包括第一激光晶体、第二激光晶体和调Q器件；
所述LD泵浦源发出的泵浦光经所述泵浦光耦合设备入射至所述第一谐振腔内的所述第一激光晶体和所述第二激光晶体中，产生第一基频光和第二基频光，所述第一基频光的波长为第一波长，所述第二基频光的波长为第二波长；
所述调Q器件用于：使所述第一激光晶体和所述第二激光晶体产生的所述第一基频光和所述第二基频光产生震荡，形成脉冲形式的第一脉冲基频光和第二脉冲基频光；
所述泵浦光耦合设备可沿所述泵浦光的传输路径移动，以调节所述泵浦光耦合设备与所述第一激光晶体和所述第二激光晶体之间的距离。
2.根据权利要求1所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述装置还包括：双波长谐波镜和非线性晶体；
所述双波长谐波镜和所述双波长输出镜构成第二谐振腔，所述非线性晶体位于所述第二谐振腔内；
所述非线性晶体用于：在所述第二谐振腔内对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行频率转换，获得与所述第一脉冲基频光相对应的第一脉冲激光光束，以及与所述第二脉冲基频光相对应的第二脉冲激光光束，所述第一脉冲激光光束的波长为第三波长，所述第二脉冲激光光束的波长为第四波长。
3.根据权利要求2所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述装置还包括：标准具，所述标准具位于所述调Q器件和所述双波长谐波镜之间；
所述标准具用于：对所述第一脉冲基频光和所述第二脉冲基频光进行线宽压缩。
4.根据权利要求1所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述装置还包括：移动控制器、伺服电机和移动平台；
所述移动控制器用于：向所述伺服电机发送控制信号；
所述伺服电机用于：基于所述移动控制器发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备在所述移动平台上移动。
5.根据权利要求4所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述移动平台包括泵浦光耦合设备夹具和移动轨道；
所述泵浦光耦合设备夹具用于：将所述泵浦光耦合设备设置在所述移动轨道上；
所述伺服电机具体用于：基于所述移动控制器发送的所述控制信号，控制所述泵浦光耦合设备夹具带动所述泵浦光耦合设备在所述移动轨道上移动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述装置还包括：扩束镜；
所述扩束镜用于：将所述双波长输出镜输出的双波长激光束的半径进行扩大处理后输出至大气环境中。
7.根据权利要求6所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述装置还包括：望远镜和数据处理单元；
所述望远镜用于：接收所述双波长激光束激发的大气弹性散射双波长回波信号；
所述数据处理单元用于：对所述大气弹性散射双波长回波信号进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
8.根据权利要求7所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述数据处理单元包括：反射镜、二色分光镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光电探测器、第二光电探测器和数据处理器；
所述反射镜用于：将所述望远镜接收到的所述大气弹性散射双波长回波信号反射至所述二色分光镜；
所述二色分光镜用于：将所述大气弹性散射双波长回波信号分离为第一波长回波信号和第二波长回波信号；
所述第一波长回波信号经所述第一聚焦透镜聚焦后被所述第一光电探测器进行探测，获得第一电信号；所述第二波长回波信号经所述第二聚焦透镜聚焦后被所述第二光电探测器进行探测，获得第二电信号；
所述数据处理器用于：对所述第一光电探测器输出的所述第一电信号和所述第二光电探测器输出的所述第二电信号分别进行处理，以确定所述大气环境中各气体的浓度。
9.根据权利要求7所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述望远镜为牛顿式反射望远镜。
10.根据权利要求7所述的双波长激光雷达装置，其特征在于，所述望远镜为卡塞格林望远镜。
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