CN107462900B - 基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达 - Google Patents

基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，采用波长可调谐激光器扫描获得不同距离处待测气体的吸收线，并采用飞秒光梳精确标定出射激光的频率，通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得待测气体的浓度信息。为了测量待测气体的吸收线，本发明分别提供了基于直接探测方式和相干探测方式的两种方案。根据优化的波长扫描范围，基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达可实现多种气体成分探测，具有高探测精度、高距离分辨率和高时间分辨率的特点。

Description

基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达
技术领域
本发明涉及激光遥感领域，尤其涉及一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达。
背景技术
大气气体成分探测对于研究气候气象变化、开展环境保护具有重要意义。特别是随着社会经济的高速发展，大气污染物的排放量已超出环境承载能力。激光遥感探测由于其非接触式探测、时空分辨率高、探测距离远等特点，是大气气体成分探测的有效手段。其中差分吸收激光雷达已实现大气H2O，CO2，CO，HCI，NH3，NO2，SO2，O3等气体成分的探测，差分吸收激光雷达通常采用两个波长的激光，其中一个波长的激光在待测气体上的吸收截面强，另外一个波长的激光在待测气体上的吸收截面弱，通过探测这两路激光回波信号的比值，可确定不同距离处待测气体的成分。
差分吸收激光雷达根据需要探测的特定气体选择不同的激光波长，从而实现不同气体的探测，是目前大气成分成分探测普遍使用的遥感技术。但其也存在如下几个劣势，(1)单套差分吸收激光雷达仅可以实现单类型气体成分探测；(2)测量需要精确的频率锁定，测量结果受激光频率漂移影响大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，该激光雷达采用波长可调谐激光器作为光源，采用相干探测方式或者直接探测方式探测激光雷达接收的回波信号，采用飞秒光梳(即激光频率标定部分)对探测光的频率进行精确标定，从而获得在波长扫描范围内存在吸收线的各种气体成分的密度信息。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，适用于直接探测方案，其包括：波长可调谐连续激光器(1)、分束器(2)、脉冲发生器(3)、激光放大器(4)、激光发射***(5)，望远镜(6)、滤波器(7)、探测器(8)、第一采集卡(9)、计算机(10)、飞秒激光器(11)、3dB光纤分束器(12)、平衡探测器(13)以及第二采集卡(14)；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器(1)的输出端与分束器(2)的输入端连接，分束器(2)的a端和脉冲发生器(3)的输入端连接，脉冲发生器(3)的输出端和激光放大器(4)的输入端连接，激光放大器(4)的输出端和激光发射***(5)连接；所述激光发射***(5)将激光发射到大气中后，大气的回波信号通过望远镜(6)接收，由望远镜(6)接收的回波信号接入滤波器(7)的输入端，滤波器(7)的输出端与探测器(8)的输入端连接，探测器(8)的输出端与第一采集卡(9)的输入端连接，第一采集卡(9)的输出端与计算机(10)的输入端连接；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器(11)的输出端和3dB光纤分束器(12)的b端口连接，分束器(2)的b端和3dB光纤分束器(12)的a端口连接，3dB光纤分束器(12)的输出端和平衡探测器(13)的输入端连接，平衡探测器(13)的输出端和第二采集卡(14)的输入端连接，第二采集卡(14)的输出信号接入计算机(10)。
实现大气成分探测的过程如下：
步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；所述波长可调谐连续激光器(1)通过控制器调节波长扫描范围；
步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；
步骤3、调节激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；
步骤4、通过激光频率标定部分的测量，确定每个扫描台阶上的激光的出射频率；
步骤5、通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。
通过Gauss、Voigt或者galatry函数对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合。
一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，适用于相干探测方案，其包括：波长可调谐连续激光器(1)、第一分束器(2)、第二分束器(3)、脉冲发生器(4)、激光放大器(5)、激光发射***(6)，望远镜(7)、可调衰减器(8)、第一3dB分束器(9)、第一平衡探测器(10)、第一采集卡(11)，计算机(12)，飞秒激光器(13)、3dB光纤分束器(14)、平衡探测器(15)以及第二采集卡(16)；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器(1)的输出端与第一分束器(2)的输入端连接，第一分束器(2)的a端和第二分束器(3)的输入端连接，第二分束器(3)的b端口和脉冲发生器(4)的输入端连接，脉冲发生器(4)的输出端和激光放大器(5)的输入端连接，激光放大器(5)的输出端和激光发射***(6)连接，激光通过激光发射***(6)发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜(7)接收，由望远镜(7)接收的回波信号接入第一3dB分束器(9)的a输入端，第二分束器(3)的a端口和可调衰减器(8)的输入端连接，可调衰减器(8)的输出端和第一3dB分束器(9)的b输入端连接，第一3dB分束器(9)的输出端和第一平衡探测器(10)连接，第一平衡探测器(10)输出的电信号通过第一采集卡(11)采集，采集获得的信号通过计算机(12)处理；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器(13)的输出端和第二3dB光纤分束器(14)的b端口连接，第一分束器(2)的b端和第二3dB光纤分束器(14)的a端口连接，第二3dB光纤分束器(14)的输出端和第二平衡探测器(15)的输入端连接，第二平衡探测器(15)的输出端和第二采集卡(16)的输入端连接，第二采集卡(16)的输出信号接入计算机(12)。
实现大气成分探测的过程如下：
步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；所述波长可调谐连续激光器(1)通过控制器调节波长扫描范围；
步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；
步骤3、调节激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；
步骤4、通过激光频率标定部分的测量，确定每个扫描台阶上的激光的出射频率；
步骤5、通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。
通过Gauss、Voigt或者galatry函数对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)通过优化波长可调谐激光光源的波长扫描范围，可同时测量多种气体的浓度。2)通过飞秒光梳对可调谐激光光源的出射波长进行精密测量和跟踪，可有效避免可调谐激光光源波长扫描非线性引入的***误差，提高了探测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达的原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
本发明实施例提供一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其适用于直接探测方案，如图1所示，主要包括：波长可调谐连续激光器1、分束器2、脉冲发生器3、激光放大器4、激光发射***5，望远镜6、滤波器7、探测器8、第一采集卡9、计算机10、飞秒激光器11、3dB光纤分束器12、平衡探测器13以及第二采集卡14；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器1的输出端与分束器2的输入端连接，分束器2的a端和脉冲发生器3的输入端连接，脉冲发生器3的输出端和激光放大器4的输入端连接，激光放大器4的输出端和激光发射***5连接；所述激光发射***5将激光发射到大气中后，大气的回波信号通过望远镜6接收，由望远镜6接收的回波信号接入滤波器7的输入端，滤波器7的输出端与探测器8的输入端连接，探测器8的输出端与第一采集卡9的输入端连接，第一采集卡9的输出端与计算机10的输入端连接；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器11的输出端和3dB光纤分束器12的b端口连接，分束器2的b端和3dB光纤分束器12的a端口连接，3dB光纤分束器12的输出端和平衡探测器13的输入端连接，平衡探测器13的输出端和第二采集卡14的输入端连接，第二采集卡14的输出信号接入计算机10。
本领域技术人员可以理解，探测部分与激光频率标定部分可以共用一台计算机10，为了便于附图的绘制与结构表示，图1在这两部分中分别绘制了一计算机10。
本发明实施例中，激光发射***5与望远镜6可以采用收发分置结构，也可采用收发同轴结构。
本发明实施例中，探测器8优选为单光子探测器。
本发明实施例提供的上述基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达具有如下有益效果：
1)通过优化波长可调谐激光光源的波长扫描范围，可同时测量多种气体的浓度。
2)通过飞秒光梳对可调谐激光光源的出射波长进行精密测量和跟踪，可有效避免可调谐激光光源波长扫描非线性引入的***误差，提高了探测精度。
实施例二
本发明实施例提供一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，适用于相干探测方案，如图2所示，其主要包括：波长可调谐连续激光器1、第一分束器2、第二分束器3、脉冲发生器4、激光放大器5、激光发射***6，望远镜7、可调衰减器8、第一3dB分束器9、第一平衡探测器10、第一采集卡11，计算机12，飞秒激光器13、3dB光纤分束器14、平衡探测器15以及第二采集卡16；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器1的输出端与第一分束器2的输入端连接，第一分束器2的a端和第二分束器3的输入端连接，第二分束器3的b端口和脉冲发生器4的输入端连接，脉冲发生器4的输出端和激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端和激光发射***6连接，激光通过激光发射***6发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜7接收，由望远镜7接收的回波信号接入第一3dB分束器9的a输入端，第二分束器3的a端口和可调衰减器8的输入端连接，可调衰减器8的输出端和第一3dB分束器9的b输入端连接，第一3dB分束器9的输出端和第一平衡探测器10连接，第一平衡探测器10输出的电信号通过第一采集卡11采集，采集获得的信号通过计算机12处理；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器13的输出端和第二3dB光纤分束器14的b端口连接，第一分束器2的b端和第二3dB光纤分束器14的a端口连接，第二3dB光纤分束器14的输出端和第二平衡探测器15的输入端连接，第二平衡探测器15的输出端和第二采集卡16的输入端连接，第二采集卡16的输出信号接入计算机12。
本领域技术人员可以理解，探测部分与激光频率标定部分可以共用一台计算机12，为了便于附图的绘制与结构表示，图1在这两部分中分别绘制了一计算机12。
本发明实施例中，激光发射***6与望远镜7可以采用收发分置结构，也可采用收发同轴结构。
本发明实施例提供的上述基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达具有如下有益效果：
1)通过优化波长可调谐激光光源的波长扫描范围，可同时测量多种气体的浓度。
2)通过飞秒光梳对可调谐激光光源的出射波长进行精密测量和跟踪，可有效避免可调谐激光光源波长扫描非线性引入的***误差，提高了探测精度。
本发明上述两个实施例所提出的基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达的原理相同，请参见图3。图3(a)中的圆圈表示距离R处激光雷达测量的气体吸收线，实线表示对测量的气体吸收线进行非线性拟合获得的结果，通过对比数据库获得不同气体的浓度信息。为了确定可调谐激光器波长扫描过程中的波长，如图3(b)所示，通过飞秒光梳(即激光频率标定部分)对每个出射激光进行频率跟踪。在探测过程中，所述波长可调谐连续激光器1通过控制器调节波长扫描范围，其实现大气成分探测的过程如下：步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；所述波长可调谐连续激光器1通过控制器调节波长扫描范围；步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；步骤3、调节激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；步骤4、通过激光频率标定部分的测量，确定每个扫描台阶上的激光的出射频率；步骤5、通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。示例性的，可通过Gauss、Voigt或者galatry函数对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，适用于直接探测方案，其包括：波长可调谐连续激光器(1)、分束器(2)、脉冲发生器(3)、激光放大器(4)、激光发射***(5)，望远镜(6)、滤波器(7)、探测器(8)、第一采集卡(9)、计算机(10)、飞秒激光器(11)、3dB光纤分束器(12)、平衡探测器(13)以及第二采集卡(14)；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器(1)的输出端与分束器(2)的输入端连接，分束器(2)的a端和脉冲发生器(3)的输入端连接，脉冲发生器(3)的输出端和激光放大器(4)的输入端连接，激光放大器(4)的输出端和激光发射***(5)连接；所述激光发射***(5)将激光发射到大气中后，大气的回波信号通过望远镜(6)接收，由望远镜(6)接收的回波信号接入滤波器(7)的输入端，滤波器(7)的输出端与探测器(8)的输入端连接，探测器(8)的输出端与第一采集卡(9)的输入端连接，第一采集卡(9)的输出端与计算机(10)的输入端连接；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器(11)的输出端和3dB光纤分束器(12)的b端口连接，分束器(2)的b端和3dB光纤分束器(12)的a端口连接，3dB光纤分束器(12)的输出端和平衡探测器(13)的输入端连接，平衡探测器(13)的输出端和第二采集卡(14)的输入端连接，第二采集卡(14)的输出信号接入计算机(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，实现大气成分探测的过程如下：
步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；所述波长可调谐连续激光器(1)通过控制器调节波长扫描范围；
步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；
步骤3、调节激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；
步骤4、通过激光频率标定部分的测量，确定每个扫描台阶上的激光的出射频率；
步骤5、通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，通过Gauss、Voigt或者galatry函数对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合。
4.一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，适用于相干探测方案，其包括：波长可调谐连续激光器(1)、第一分束器(2)、第二分束器(3)、脉冲发生器(4)、激光放大器(5)、激光发射***(6)，望远镜(7)、可调衰减器(8)、第一3dB分束器(9)、第一平衡探测器(10)、第一采集卡(11)，计算机(12)，飞秒激光器(13)、3dB光纤分束器(14)、平衡探测器(15)以及第二采集卡(16)；上述器件组成探测部分与激光频率标定部分；其中：
探测部分的结构如下：波长可调谐连续激光器(1)的输出端与第一分束器(2)的输入端连接，第一分束器(2)的a端和第二分束器(3)的输入端连接，第二分束器(3)的b端口和脉冲发生器(4)的输入端连接，脉冲发生器(4)的输出端和激光放大器(5)的输入端连接，激光放大器(5)的输出端和激光发射***(6)连接，激光通过激光发射***(6)发射到大气中，大气的回波信号通过望远镜(7)接收，由望远镜(7)接收的回波信号接入第一3dB分束器(9)的a输入端，第二分束器(3)的a端口和可调衰减器(8)的输入端连接，可调衰减器(8)的输出端和第一3dB分束器(9)的b输入端连接，第一3dB分束器(9)的输出端和第一平衡探测器(10)连接，第一平衡探测器(10)输出的电信号通过第一采集卡(11)采集，采集获得的信号通过计算机(12)处理；
激光频率标定部分的结构如下：飞秒激光器(13)的输出端和第二3dB光纤分束器(14)的b端口连接，第一分束器(2)的b端和第二3dB光纤分束器(14)的a端口连接，第二3dB光纤分束器(14)的输出端和第二平衡探测器(15)的输入端连接，第二平衡探测器(15)的输出端和第二采集卡(16)的输入端连接，第二采集卡(16)的输出信号接入计算机(12)。
5.根据权利要求4所述的一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，实现大气成分探测的过程如下：
步骤1、根据需要探测的气体类型，确定波长扫描范围；所述波长可调谐连续激光器(1)通过控制器调节波长扫描范围；
步骤2、在每个扫描台阶上通过脉冲累计完成特定波长的大气回波信号探测；
步骤3、调节激光波长并重复步骤2，测量完成整个波长扫描范围内的大气回波信号，获得不同距离处待测气体的吸收线；
步骤4、通过激光频率标定部分的测量，确定每个扫描台阶上的激光的出射频率；
步骤5、通过对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合并对比数据库，从而获得不同距离处的待测气体的浓度信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于波长可调谐激光源的气体成分探测激光雷达，其特征在于，通过Gauss、Voigt或者galatry函数对频率标定的待测气体的吸收线进行非线性拟合。
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