CN110988913A - 一种双光轴结构的半导体激光云高仪 - Google Patents

一种双光轴结构的半导体激光云高仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双光轴结构的半导体激光云高仪，属于半导体激光云高仪技术领域，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比，采用双光轴设计，优点是结构简单，不需要补偿措施就能避免接收机饱和以及有效避免光学干扰，同时能够提高近场云高的探测能力，采用长焦距大孔径透镜因其结构简单、成本低、容易实现，采用空间光阑减小与***内壁散射产生的杂散光对近场的影响，滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％，有效抑制其他各种波长的背景光，仅让工作波段的回波光进入探测器，提高***信噪比。

Description

一种双光轴结构的半导体激光云高仪
技术领域
本发明涉及一种半导体激光云高仪，特别是涉及一种双光轴结构的半导体激光云高仪，属于半导体激光云高仪技术领域。
背景技术
漂浮在空气中的水汽、水滴、冰晶等以及这些物质的混合物成了我们常见的云。全球50％以上的天空上覆盖着形状各异、大小不一的云，这些云分布于地面与20千米的空中范围内，其底部不接触地面。
地球上的水汽循环形成了云，太阳辐射在地表的水面上，水汽蒸发变为水蒸气，当大气中的水汽过饱和或者遇冷时，就会液化为小水滴或凝结为冰晶，并悬浮于空中就形成了云。云的形状千奇百怪，各不相同，是由于云中的粒子将直射的太阳光散射向各个方向的结果。不同高度的云，有不同的特性，云的特性、云量的多少、空间分布及其演变过程，可以反映出大气的稳定程度和大气运动状态，是预兆天气变化趋势的重要因素之一。
云在天气变化、降水和大气辐射等地球物理平衡过程中起着重要的作用，同时对国民日常生产活动产生重要的影响。
在当今的大气科学与气象预报的研究中，对云的研究是其中一个重要研究内容，云是一种气象现象，是水汽循坏过程中的一个重要角色，是产生降水的前提条件，通过观察云的形状、云量以及空间分布，可以对大气的运动状态及变化趋势做预判，因此云是对天气进行预判的一个重要参考因素，可以为日常生活和生产活动提供行动指导，目前我国众多城乡地区普遍开展人工降雨来合理开发空中云水资源，用以解决地区干旱与缓解用水紧张等问题，通过分析天气特性和云层的变化来确定可用于增雨的地点和催化目标云层，来实现定点人工增雨的目的，因此需要可以实现云层实时在线检测的技术与设备，来完成对云层的分析认识，从而确定人工降雨作业条件，科学的提高人工赠雨的成功率，提高效益。
云底，是下边界的云，我们通常所说的云高是指水平面的测量平台到云下边界的垂直高度，然而，在台站测量场上，水平面高度为测量场的海拔高度，云的种类繁多，形状各异，每一朵云有不同的粒子尺寸，浓度和含水量，这都会导致激光回拨信号散射的大小不一样，但总的来说，云是水滴或冰晶及其混合物汇聚形成的，当激光从大气中向上传播达到云边界处时，会产生激烈的各种散射，激光脉冲的峰值功率、激光云高仪的性能指标、云的类别、云底的高度以及大气的特性等因素都影响着后向散射信号的强弱，一般情况下，云的高度越高，探测器能够探测到的回波信号也越小，于是，通过分析接收后向散射信号的变化，可以获取云层的位置信息，再利用激光雷达方程反演出云高，目前为止，可用于测量云高的方法有：估计测量法、云幕灯测云法、探空气球测云法、旋转光束云高仪法、微脉冲激光雷达法和半导体激光云高仪等方法。
现有技术中的半导体激光云高仪在对云端进行测量的时候探测高度有限、噪声水平高、需要补偿措施就能避免接收机饱和以及有效避免光学干扰、近场云高的探测能力弱、杂散光较强、探测精准度不够、滤除外界杂散光能力较弱、半导体激光云高探测时，来自太阳辐射、大气透明度、大气湍流等环境大气不稳定性因素，以及光电探测器的各种内部电噪声和背景辐射噪声，这些噪声会进入信号检测***，它们不仅会增加信号检测***的设计难度，而且还会降低整个***的探测性能。这些因素使半导体激光云高仪光电探测器接收的激光信号的信噪比大大降低，较低的信噪比信号不能直接用于反演云高信息，为此发明一种双光轴结构的半导体激光云高仪来优化上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种双光轴结构的半导体激光云高仪，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比，采用双光轴设计，优点是结构简单，不需要补偿措施就能避免接收机饱和以及有效避免光学干扰，同时能够提高近场云高的探测能力，采用长焦距大孔径透镜因其结构简单、成本低、容易实现，采用空间光阑减小与***内壁散射产生的杂散光对近场的影响，滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％，有效抑制其他各种波长的背景光，仅让工作波段的回波光进入探测器，提高***信噪比。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种双光轴结构的半导体激光云高仪，包括发射***、接收***、测控与信号处理***和软件反演***；
所述发射***，用于发射出射向云层的激光；
所述接收***，用于接收发射***将激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号；
所述测控与信号处理***，用于完成***供电、信号采集与预处理、数据实时存储和上传、测量状态参数获取，同时还用于完成所述发射***以及所述接收***时序管理控制；
所述软件反演***，用于反演云高信息直观演示云高信息；
所述测控与信号处理***通过控制所述发射***向云层发射激光并控制所述接收***接收激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号，将接收的信息再通过所述测控与信号处理***处理后发送至软件反演***内进行反演云高信息直观演示云高信息。
优选的，所述发射***包括半导体激光器和长焦距大孔径透镜以及空间光阑，在所述半导体激光器发射激光后通过所述长焦距大孔径透镜进行准直，同时通过空间光阑进行对快轴多余光线的阻挡。
优选的，所述接收***包括伽利略型望远***、滤光片、聚焦透镜、探测器APD和视场光阑；
通过伽利略型望远***接收信号，使接收到的光垂直经过滤光片，再通过聚焦透镜二次聚焦，最后通过视场光阑将光聚焦于探测器APD光敏面上。
优选的，所述探测器APD，用于把大气后向散射的激光信号转换为电信号，其中探测器APD响应的光谱范围是400nm—1100nm。
优选的，所述滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％。
优选的，所述测控与信号处理***包括电源模块、激光器发射控制模块、接收与低噪声放大模块、数据高数采集预处理模块、***工作状态监测及***维护模块；
优选的，电源模块，用于全***的交流、直流供电，给***提供可靠电压，确保***各部分都正常工作；
激光器发射控制模块，用于控制半导体激光器的发射强度和发送时间；
接收与低噪声放大模块，用于对探测器APD接收到的信息进行两级运放电路相减隔断直流以及通过放大电路把回波信号幅度放大调整到转换电路允许的输入电平范围内；
数据高数采集预处理模块，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比；
***工作状态监测模块，用于检测***的工作状态并实时预警；
***维护模块，用于对***进行定期维护。
优选的，所述与云层相互作用生成的后向散射信号，经接收***聚焦后，会聚于光电探测器光敏面上，将光信号转换为电信号，然后用ADC芯片完成信号的数模转换采集。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比，采用双光轴设计，优点是结构简单，不需要补偿措施就能避免接收机饱和以及有效避免光学干扰，同时能够提高近场云高的探测能力，采用长焦距大孔径透镜因其结构简单、成本低、容易实现，采用空间光阑减小与***内壁散射产生的杂散光对近场的影响，滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％，有效抑制其他各种波长的背景光，仅让工作波段的回波光进入探测器，提高***信噪比。
附图说明
图1为按照本发明的一种双光轴结构的半导体激光云高仪的一优选实施例的***图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，包括发射***、接收***、测控与信号处理***和软件反演***；
所述发射***，用于发射出射向云层的激光；
所述接收***，用于接收发射***将激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号；
所述测控与信号处理***，用于完成***供电、信号采集与预处理、数据实时存储和上传、测量状态参数获取，同时还用于完成所述发射***以及所述接收***时序管理控制；
所述软件反演***，用于反演云高信息直观演示云高信息；
所述测控与信号处理***通过控制所述发射***向云层发射激光并控制所述接收***接收激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号，将接收的信息再通过所述测控与信号处理***处理后发送至软件反演***内进行反演云高信息直观演示云高信息。
激光器在驱动电路的的控制下发射高频激光脉冲，经发射***扩束准直后向上传播到云层，与云层相互作用生成的后向散射信号，经接收***聚焦后，会聚于光电探测器光敏面上，将光信号转换为电信号，然后用ADC芯片完成信号的数模转换采集，及FPGA芯片完成信号的平均累计预处理，最后将数据发送至上位机进行云层信息的反演和显示。
由于需测云层高度范围较大，因此***接收到的后向散射信号功率波动范围较大，远场信号会比近场信号小几个数量级。云高仪***需要增加发射半导体激光器的功率，或者降低探测器等效噪声水平，来提高可探测最高云层高度；又要避免近场强烈的后向散射信号，以免减小激光回波信号的变化范围。所以在激光探测云高时，采用双光轴设计，优点是结构简单，不需要补偿措施就能避免接收机饱和以及有效避免光学干扰，同时能够提高近场云高的探测能力。
在本实施例中，所述发射***包括半导体激光器和长焦距大孔径透镜以及空间光阑，在所述半导体激光器发射激光后通过所述长焦距大孔径透镜进行准直，同时通过空间光阑进行对快轴多余光线的阻挡。
采用长焦距大孔径透镜因其结构简单、成本低、容易实现，采用空间光阑减小与***内壁散射产生的杂散光对近场的影响。
在本实施例中，所述接收***包括伽利略型望远***、滤光片、聚焦透镜、探测器APD和视场光阑；
通过伽利略型望远***接收信号，使接收到的光垂直经过滤光片，再通过聚焦透镜二次聚焦，最后通过视场光阑将光聚焦于探测器APD光敏面上。
采用伽利略型望远***因其没有能量聚焦、且体积较小、成本低，采用视场光阑在探测器前面，来减少***的杂散光。
在本实施例中，所述探测器APD，用于把大气后向散射的激光信号转换为电信号，其中探测器APD响应的光谱范围是400nm—1100nm。
在本实施例中，所述滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％，有效抑制其他各种波长的背景光，仅让工作波段的回波光进入探测器，提高***信噪比。
在本实施例中，所述测控与信号处理***包括电源模块、激光器发射控制模块、接收与低噪声放大模块、数据高数采集预处理模块、***工作状态监测及***维护模块；
在本实施例中，电源模块，用于全***的交流、直流供电，给***提供可靠电压，确保***各部分都正常工作；
激光器发射控制模块，用于控制半导体激光器的发射强度和发送时间；
接收与低噪声放大模块，用于对探测器APD接收到的信息进行两级运放电路相减隔断直流以及通过放大电路把回波信号幅度放大调整到转换电路允许的输入电平范围内；
数据高数采集预处理模块，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比；
***工作状态监测模块，用于检测***的工作状态并实时预警；
***维护模块，用于对***进行定期维护。
在本实施例中，所述与云层相互作用生成的后向散射信号，经接收***聚焦后，会聚于光电探测器光敏面上，将光信号转换为电信号，然后用ADC芯片完成信号的数模转换采集。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，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所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：包括发射***、接收***、测控与信号处理***和软件反演***；
所述发射***，用于发射出射向云层的激光；
所述接收***，用于接收发射***将激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号；
所述测控与信号处理***，用于完成***供电、信号采集与预处理、数据实时存储和上传、测量状态参数获取，同时还用于完成所述发射***以及所述接收***时序管理控制；
所述软件反演***，用于反演云高信息直观演示云高信息；
所述测控与信号处理***通过控制所述发射***向云层发射激光并控制所述接收***接收激光发射至云层后与云层相互作用生成的后向散射信号，将接收的信息再通过所述测控与信号处理***处理后发送至软件反演***内进行反演云高信息直观演示云高信息。
2.根据权利要求1所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述发射***包括半导体激光器和长焦距大孔径透镜以及空间光阑，在所述半导体激光器发射激光后通过所述长焦距大孔径透镜进行准直，同时通过空间光阑进行对快轴多余光线的阻挡。
3.根据权利要求1所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述接收***包括伽利略型望远***、滤光片、聚焦透镜、探测器APD和视场光阑；
通过伽利略型望远***接收信号，使接收到的光垂直经过滤光片，再通过聚焦透镜二次聚焦，最后通过视场光阑将光聚焦于探测器APD光敏面上。
4.根据权利要求3所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述探测器APD，用于把大气后向散射的激光信号转换为电信号，其中探测器APD响应的光谱范围是400nm—1100nm。
5.根据权利要求3所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述滤光片采用参数中心波长为905nm、直径25.4mm、带宽25nm的干涉滤光片，带通内的透过率约为50％—75％，带阻内的透过率<1％。
6.根据权利要求3所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述测控与信号处理***包括电源模块、激光器发射控制模块、接收与低噪声放大模块、数据高数采集预处理模块、***工作状态监测及***维护模块。
7.根据权利要求6所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：电源模块，用于全***的交流、直流供电，给***提供可靠电压，确保***各部分都正常工作；
激光器发射控制模块，用于控制半导体激光器的发射强度和发送时间；
接收与低噪声放大模块，用于对探测器APD接收到的信息进行两级运放电路相减隔断直流以及通过放大电路把回波信号幅度放大调整到转换电路允许的输入电平范围内；
数据高数采集预处理模块，通过把隔断直流放大后的信号用ADC芯片进行高速信号采集与FPGA完成数据多次累积平均等处理来提高***信噪比；
***工作状态监测模块，用于检测***的工作状态并实时预警；
***维护模块，用于对***进行定期维护。
8.根据权利要求3所述的一种双光轴结构的半导体激光云高仪，其特征在于：所述与云层相互作用生成的后向散射信号，经接收***聚焦后，会聚于光电探测器光敏面上，将光信号转换为电信号，然后用ADC芯片完成信号的数模转换采集。
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