CN117872321A - 一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括PC机，还包括第一激光器、第一分束器、主种子源驱动器、第二分束器、合束器、非线性光学晶体、第一半波片、第一全反射镜、第一偏振分光棱镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二全反射镜、钠原子吸收池、第三全反射镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、稳频处理模块、耦合器以及和频模块；相比现有技术，本发明基于钠原子饱和吸收调制稳频技术和光学锁相环的技术理论为基础，提出了应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，实现切频速度快、频率稳定性高的频率切换控制系。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法。
背景技术
中高层大气温度和风场的高分辨探测是当今大气探测和空间物理领域的研究热点之一。窄线宽钠多普勒激光雷达可实现中层顶大气温度和风场的同时探测，是大气科学研究空间环境监测预报等的重要观测手段，为开展大气波动传播能量和动量循环过程高中低大气相互耦合作用等前沿科学问题的研究提供关键数据来源。
以钠原子为示踪物，研制的三频钠激光雷达，可同时探测中高层区的温度和风场。一般发射三束589nm脉冲激光锁定在钠原子D2a峰值点和其两翼处，两翼处和峰值点的波长频率相差630MHz。采用饱和吸收方法可将589nm激光波长长期锁定在钠原子D2a峰值点上，对于两翼处的波长，可采用先对1064nm激光移频±630MHz，再将移频后的1064nm激光与1319nm激光和频，得到移频了±630MHz的589nm激光。
2011年初，中国科学院空间科学与应用研究中心研制了一台窄带钠激光雷达，可发射三种频率的激光：分别为589.158nm，及对该波长调制+585MHz和-585MHz后的两个波长。该钠激光雷达使得国内首次探测中间层顶大气温度和风场成为可能。此系统的三频切换方法，采用的是一对定制的声光移频器和波长选择器方式，切换频率固定，且器件采购困难。目前国内声光移频器很难满足1064nm或589nm移频630MHz，主要依赖定制进口器件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术器件采购困难、成本高、切换频率固定，适用范围小，针对此不足，提出了一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括PC机，还包括第一激光器、第一分束器、主种子源驱动器、第二分束器、合束器、非线性光学晶体、第一半波片、第一全反射镜、第一偏振分光棱镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二全反射镜、钠原子吸收池、第三全反射镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、稳频处理模块、耦合器以及和频模块；
其中，所述第一激光器发出稳频激光，通过第一分束器将激光分为两路，其中一路接入和频模块，另一路接入合束器；所述主种子源驱动器输出种子光，通过第二分束器分为两路，其中一路用于频率切换，接入耦合器，另一路接入合束器，与第一激光器发出的激光进行合束；
合束后的光注入非线性光学晶体，产生新激光，新激光通过第一半波片和第一偏振分光棱镜后分成两路，其中一路为反射光，作为泵浦光，泵浦光经过第一全反射镜、第三全反射镜和第三偏振分光棱镜入射到钠原子吸收池中；另一路为透射光，作为探测光，穿过第二半波片、第二偏振分光棱镜、钠原子吸收池，入射到第一光电探测器中，由第一光电探测器探测探测光的饱和吸收信号；探测光在穿过第二半波片、第二偏振分光棱镜时，部分探测光被PBS反射，形成参考光，入射到第二光电探测器，由第二光电探测器探测参考光的光强信号；
第一光电探测器探测的饱和吸收信号和第二光电探测器探测的光强信号经过稳频处理模块，产生稳频调制信号，该稳频调制信号入主种子源驱动器，控制主种子源驱动器工作电流。
作为本发明的进一步优选，还包括平衡探测器、移频控制板、从种子源驱动器、第三分束器；
其中，所述从种子源驱动器输出种子光，经过第三分束器分为两路，其中一路为移频激光，注入和频模块，另一路接入耦合器，与主种子源驱动器输出的种子光进行合束，产生拍频信号；所述平衡探测器将拍频信号转换为电信号，输入到移频控制板，经移频控制板处理，产生移频调制信号，该移频调制信号注入从种子源驱动器，控制从种子源驱动器工作电流。
所述PC机与移频控制板连接，用于控制输出周期性移频调制信号。
作为本发明的进一步优选，所述第一分束器和第二分束器均设置为1×2光纤分束器，所述第三分束器设置为1:9分束器。
作为本发明的进一步优选，注入所述和频模块的稳频激光和移频激光，产生新的移频激光。
作为本发明的进一步优选，所述耦合器设置为50:50耦合器。
作为本发明的进一步优选，所述移频控制板包括鉴频鉴相器、滤波器、模拟PID和CPU；
所述PC机与CPU连接，所述CPU与鉴频鉴相器的第一输入端连接，所述鉴频鉴相器的第二输入端与平衡探测器连接，所述鉴频鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与模拟PID的输入端连接，所述模拟PID的输出端与从种子源驱动器的输入端连接。
作为本发明的进一步优选，所述滤波器设置为低通滤波器。
一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、判断PC机是否下发移频指令；
S2、若未下发移频指令，则不进行移频，跳S1；
S3、若下发移频指令，则移频控制板产生移频调制信号；
S4、移频调制信号控制从种子源驱动器输出种子光，形成移频激光；
S5、与第一激光器发出稳频激光在经过频模块后产生新的移频激光，完成移频指令；
S6、判断激光频率是否锁定，若锁定，则跳S1；若未锁定，则跳S3。
作为本发明的进一步优选，所述移频控制板产生移频调制信号，包括：
基于参考频率，鉴频鉴相器将两个拍频信号与参考频率进行比较，输出误差信号；
误差信号经过滤波器进入模拟PID；
模拟PID调节输出移频调制信号。
本发明提出的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、基于钠原子饱和吸收调制稳频技术和光学锁相环的技术理论为基础，提出了应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，实现切频速度快、频率稳定性高的频率切换控制系；
2、本发明所使用的器件采购难度低，成本低，适用范围广；
3、本发明可形成一套激光切频系统，进一步为精密仪器和激光雷达技术应用提供多频率切换光源。
附图说明
图1是本发明涉及的应用于钠激光雷达的频率切换控制系统示意图；
图2是钠池饱和吸收曲线和误差信号曲线示意图；
图3是移频控制板功能框图；
图4是频率切换软件流程图；
图5是三频切换频率图；
图中附图标记的含义：1、第一激光器，2、第一分束器， 3、主种子源驱动器，4、第二分束器，5、合束器，6、非线性光学晶体，7、第一半波片，8、第一全反射镜，9、第一偏振分光棱镜，10、第二半波片，11、第二偏振分光棱镜，12、第二全反射镜，13、钠原子吸收池，14、第三全反射镜，15、第三偏振分光棱镜，16、第一光电探测器， 17、第二光电探测器，18、稳频处理模块，19、耦合器，20、平衡探测器，21、移频控制板，22、从种子源驱动器，23、第三分束器，24、和频模块，25、PC机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例一：结合图1，一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括PC机25，还包括第一激光器1、第一分束器2、主种子源驱动器3、第二分束器4、合束器5、非线性光学晶体6、第一半波片7、第一全反射镜8、第一偏振分光棱镜9、第二半波片10、第二偏振分光棱镜11、第二全反射镜12、钠原子吸收池13、第三全反射镜14、第三偏振分光棱镜15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、稳频处理模块18、耦合器19、和频模块24、平衡探测器20、移频控制板21、从种子源驱动器22、第三分束器23。
第一激光器1为1319nm NPRO激光器，主种子源驱动器3为主-1064nm种子源驱动器，从种子源驱动器22为从-1064nm种子源驱动器，所述第一分束器2和第二分束器4均设置为1×2光纤分束器，所述第三分束器23设置为1:9分束器，耦合器19设置为50:50耦合器19。
其中，所述第一激光器1发出稳频激光（1319nm激光），通过第一分束器2将激光分为两路，其中一路1319nm激光接入和频模块24，另一路1319nm激光接入合束器5；所述主种子源驱动器3输出种子光（1064nm激光），通过第二分束器4分为两路，其中一路1064nm激光用于频率切换，接入耦合器19，另一路1064nm激光接入合束器5，与第一激光器1发出的激光（1319nm激光）进行合束。
合束后的光注入非线性光学晶体6，产生新激光（589nm激光），新激光（589nm激光）通过第一半波片7和第一偏振分光棱镜9后分成两路，其中一路为反射光，作为泵浦光，泵浦光经过第一全反射镜8、第三全反射镜14和第三偏振分光棱镜15入射到钠原子吸收池13中；另一路为透射光，作为探测光，穿过第二半波片10、第二偏振分光棱镜11、钠原子吸收池13，入射到第一光电探测器16中，由第一光电探测器16探测探测光的饱和吸收信号；探测光在穿过第二半波片10、第二偏振分光棱镜11时，部分探测光被第二全反射镜12反射，形成参考光，入射到第二光电探测器17，由第二光电探测器17探测参考光的光强信号，如图2所示。
第一光电探测器16探测的饱和吸收信号和第二光电探测器17探测的光强信号经过稳频处理模块18，产生稳频调制信号，该稳频调制信号入主种子源驱动器3，控制主种子源驱动器3工作电流，进而达到控制1064nm种子源激光频率的目的，最终保持589nm激光的频率稳定。
所述从种子源驱动器22输出种子光（1064nm激光），经过第三分束器23分为两路，其中一路为移频激光（1064nm激光），注入和频模块24，另一路1064nm激光接入耦合器19，与主种子源驱动器3输出的种子光（1064nm激光）进行合束，产生拍频信号；所述平衡探测器20将拍频信号转换为电信号，输入到移频控制板21，经移频控制板21处理，产生移频调制信号，该移频调制信号注入从种子源驱动器22，控制从种子源驱动器22工作电流，进而达到控制1064nm种子源激光频率的目的。
PC机25根据用户的设定频率、设定周期，进行移频，输出周期性移频调制信号。所述PC机25与移频控制板21连接，用于控制输出周期性移频调制信号。
1064nm移频激光和1319nm稳频激光经过和频模块2424，产生稳定的589nm移频激光。
结合图3，所述移频控制板21包括鉴频鉴相器、滤波器、模拟PID和CPU；
所述PC机25与CPU连接，所述CPU与鉴频鉴相器的第一输入端连接，所述鉴频鉴相器的第二输入端与平衡探测器20连接，所述鉴频鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与模拟PID的输入端连接，所述模拟PID的输出端与从种子源驱动器22的输入端连接；所述滤波器设置为低通滤波器。
如图4所示，一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、判断PC机25是否下发移频指令；
S2、若未下发移频指令，则不进行移频，跳S1；
S3、若下发移频指令，则移频控制板21产生移频调制信号。
包括以下具体步骤，如图3所示：
基于参考频率，鉴频鉴相器将两个拍频信号与参考频率进行比较，输出误差信号；
误差信号经过滤波器进入模拟PID；
模拟PID调节输出移频调制信号。
S4、移频调制信号控制从种子源驱动器22输出种子光，形成移频激光；
S5、与第一激光器1发出稳频激光在经过频模块后产生新的移频激光，完成移频指令；
S6、判断激光频率是否锁定，若锁定，则跳S1；若未锁定，则跳S3。
本发明可以稳定三频切换波，如图5所示，频率分别为589.84881THz、589.84818THz、589.84755THz，对应波长分别为589.15821nm、589.15894nm、589.15967nm。
本发明提出的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，与现有技术相
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括PC机（25），其特征在于，还包括第一激光器（1）、第一分束器（2）、主种子源驱动器（3）、第二分束器（4）、合束器（5）、非线性光学晶体（6）、第一半波片（7）、第一全反射镜（8）、第一偏振分光棱镜（9）、第二半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）、第二全反射镜（12）、钠原子吸收池（13）、第三全反射镜（14）、第三偏振分光棱镜（15）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（17）、稳频处理模块（18）、耦合器（19）以及和频模块（24）；
其中，所述第一激光器（1）发出稳频激光，通过第一分束器（2）将激光分为两路，其中一路接入和频模块（24），另一路接入合束器（5）；所述主种子源驱动器（3）输出种子光，通过第二分束器（4）分为两路，其中一路用于频率切换，接入耦合器（19），另一路接入合束器（5），与第一激光器（1）发出的激光进行合束；
合束后的光注入非线性光学晶体（6），产生新激光，新激光通过第一半波片（7）和第一偏振分光棱镜（9）后分成两路，其中一路为反射光，作为泵浦光，泵浦光经过第一全反射镜（8）、第三全反射镜（14）和第三偏振分光棱镜（15）入射到钠原子吸收池（13）中；另一路为透射光，作为探测光，穿过第二半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）、钠原子吸收池（13），入射到第一光电探测器（16）中，由第一光电探测器（16）探测探测光的饱和吸收信号；探测光在穿过第二半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）时，部分探测光被PBS（12）反射，形成参考光，入射到第二光电探测器（17），由第二光电探测器（17）探测参考光的光强信号；
第一光电探测器（16）探测的饱和吸收信号和第二光电探测器（17）探测的光强信号经过稳频处理模块（18），产生稳频调制信号，该稳频调制信号入主种子源驱动器（3），控制主种子源驱动器（3）工作电流。
2.根据权利要求1所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，还包括平衡探测器（20）、移频控制板（21）、从种子源驱动器（22）、第三分束器（23）；
其中，所述从种子源驱动器（22）输出种子光，经过第三分束器（23）分为两路，其中一路为移频激光，注入和频模块（24），另一路接入耦合器（19），与主种子源驱动器（3）输出的种子光进行合束，产生拍频信号；所述平衡探测器（20）将拍频信号转换为电信号，输入到移频控制板（21），经移频控制板（21）处理，产生移频调制信号，该移频调制信号注入从种子源驱动器（22），控制从种子源驱动器（22）工作电流；
所述PC机（25）与移频控制板（21）连接，用于控制输出周期性移频调制信号。
3.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述第一分束器（2）和第二分束器（4）均设置为1×2光纤分束器，所述第三分束器（23）设置为1:9分束器。
4.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，注入所述和频模块（24）的稳频激光和移频激光，产生新的移频激光。
5.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述耦合器（19）设置为50:50耦合器（19）。
6.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述移频控制板（21）包括鉴频鉴相器、滤波器、模拟PID和CPU；
所述PC机（25）与CPU连接，所述CPU与鉴频鉴相器的第一输入端连接，所述鉴频鉴相器的第二输入端与平衡探测器（20）连接，所述鉴频鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与模拟PID的输入端连接，所述模拟PID的输出端与从种子源驱动器（22）的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述滤波器设置为低通滤波器。
8.根据权利要求2-7任一项所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、判断PC机（25）是否下发移频指令；
S2、若未下发移频指令，则不进行移频，跳S1；
S3、若下发移频指令，则移频控制板（21）产生移频调制信号；
S4、移频调制信号控制从种子源驱动器（22）输出种子光，形成移频激光；
S5、与第一激光器（1）发出稳频激光在经过频模块后产生新的移频激光，完成移频指令；
S6、判断激光频率是否锁定，若锁定，则跳S1；若未锁定，则跳S3。
9.根据权利要求8所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，其特征在于，所述移频控制板（21）产生移频调制信号，包括：
基于参考频率，鉴频鉴相器将两个拍频信号与参考频率进行比较，输出误差信号；
误差信号经过滤波器进入模拟PID；
模拟PID调节输出移频调制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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