CN114114322A - 一种适用于空间应用的大气探测激光雷达*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，包括大气激光器、激光控制器、激光指向对中机构、激光指向控制单元、接收望远镜、大气探测中继***、大气探测管理控制器和平台，提供三种工作模式：测量模式、自检模式和偏振校准模式。本发明输出高能量、窄脉宽、长寿命双波长激光脉冲，实现与接收望远镜光轴的同轴匹配，匹配精度达到微弧度量级，完成微弱回波信号的偏振探测和双波长探测，实现大气目标消光系数、后向散射系数的高精度测量，本发明利用高能量激光脉冲和高灵敏度探测实现对大尺度大气中气溶胶以及颗粒物、云层、大气分子的高精度探测，具有空间分辨率高，探测精度高的特点，为大气颗粒物污染的预警、预报创造有利条件。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***。
背景技术
对大气颗粒物空间分布的大范围、连续、定量监测，是了解大气颗粒物的组成、输送、形成机制、并对大气污染预报预警的前提条件，也是针对性的提出大气颗粒物治理措施的基础。目前我国大气环境监测体系存在区域覆盖不足、无法全天时、立体观测等不足，适用于空间应用的大气探测激光雷达***，可有效解决我国大气环境监测面临急需解决的相关问题。
适用于空间应用的大气探测激光雷达***以激光作为光源，通过遥感激光与大气中的颗粒物、分子等物质相互作用产生的散射回波信号来反演颗粒物物理参数，解决地面布站监测的覆盖性问题以及现有卫星遥感载荷无法全天时探测和获取颗粒物垂直分布的问题，得到颗粒物质量浓度反演所必须的颗粒物光学参数垂直分布信息。
上世纪九十年代，美国研制了第一台空间激光雷达(LITE，Lidar In-spaceTechnology Experiment)，搭载于“发现号”航天飞机。观测对象为云、气溶胶、行星边界层特性、同温层密度和温度，激光能量为50mJ，接收望远镜口径1m，光电转换器件为PMT探测器和APD 探测器，寿命10天。2006年美国发射了携带有CALIOP激光雷达的 CALIPSO卫星，CALIOP激光雷达采用1064nm和532nm双波长，在532nm具备偏振探测能力，主要观测云和气溶胶垂直分布、云的冰/水状态(通过偏振通道)以及气溶胶大小分类，激光能量为110mJ，接收望远镜口径1m，光电转换器件为PMT探测器和APD探测器，寿命3年。
目前，国内空间大气探测遥感领域还没有实现突破，中科院安徽光机所、中科院上海光机所等单位都曾开展过开展过地基大气探测激光雷达的研制，其中中科院安徽光机所已研制成功地基大气探测激光雷达，中科院安徽光机所研制完成的双波长偏振探测激光雷达，采用 1064nm和532nm双波长，具有偏振探测能力。
发明内容
本发明是为了解决对我国大气环境监测体系存在区域覆盖不足、无法全天时、立体观测等不足的问题，提出了一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，该***具有空间分辨率高，探测精度高的特点，并且利用空间平台的的覆盖范围广的优势，可实现对大气颗粒物空间分布的大范围、连续、定量监测，监测区域污染物日沉降及三维空间变化趋势，并获得区域污染总量变化，为定位污染来源，实现大气颗粒物污染的预警、预报创造有利条件。同时，可获取高空卷云垂直分布，提高云检测、云分类、云相态、气溶胶检测及分类等气候态检测阈值的反演精度，从而提高天气预报准确性，同时有力推动我国空间大气激光遥感载荷技术的发展。
本发明提供一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，包括大气激光器，与大气激光器电连接的激光控制器，设置在大气激光器激光输出端的激光指向对中机构，与激光指向对中机构电连接的激光指向控制单元，设置在大气激光器一侧的接收望远镜，设置在接收望远镜输出端的大气探测中继***，与激光控制器、激光指向控制单元、大气探测中继***均电连接的大气探测管理控制器；
大气激光器用于向大气输出激光脉冲，激光控制器用于向大气激光器供电并采集大气激光器的状态信息输出至大气探测管理控制器，激光指向对中机构用于在激光指向控制单元的控制下调整激光脉冲输出指向，接收望远镜用于接收激光脉冲进入大气后经大气后向散射的回波信号并传输至大气探测中继***，大气探测中继***用于将回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波后进行光电转换生成电信号并将电信号输出至大气探测管理控制器，大气探测管理控制器用于进行激光控制器、激光指向控制单元和大气探测中继***的工作时序控制以进入测量模式、自检模式和偏振校准模式；
大气探测中继***包括依次设置在接收望远镜输出光路上的大气探测中继单元、挡片、消偏片和自检光源，大气探测中继单元用于将回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波，挡片和消偏片可移动，挡片、消偏片和自检光源用于辅助实现自检模式和偏振校准模式，挡片用于遮挡回波信号和背景噪声，消偏片用于将回波信号由偏振光转为无偏振光。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，还包括与大气探测管理控制器和激光控制器电连接的平台，平台用于接收大气探测管理控制器传输的电信号并且给激光控制器和大气探测管理控制器供电；
大气激光器用于向大气输出双波长激光；
大气探测中继***还包括分别设置在大气探测中继单元输出光路上的平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道和1065nm波长探测通道，大气探测中继***由大气探测管理控制器供电。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，测量模式的工作方法为：大气激光器输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构调整方向后进入大气，大气后向散射的回波信号由接收望远镜接收传输至大气探测中继单元，挡片和消偏片设置在接收望远镜的输出光路以外，回波信号在大气探测中继单元中完成分色并产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，大气探测中继单元将532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，平行偏振探测通道接收平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器和平台，垂直偏振探测通道接收垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器和平台，1065nm波长探测器通道接收1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器和平台。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，自检模式的工作方法为：大气激光器处于停机状态，将挡片设置在接收望远镜的输出光路上、消偏片设置在接收望远镜的输出光路以外，自检光源输出532nm脉冲光源和1065nm脉冲光源并由光纤引入平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道和1065nm波长探测器通道进行光电转换生成电信号，电信号依次输出至大气探测管理控制器和平台。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，偏振校准模式的工作方法为：大气激光器向大气输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构进入大气，大气后向散射的回波信号由接收望远镜接收传输至大气探测中继***，将挡片和消偏片设置在接收望远镜的输出光路上，回波信号在大气探测中继单元中分色，产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，大气探测中继单元对532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，平行偏振探测通道接收平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次传输至大气探测管理控制器和平台，垂直偏振探测通道接收垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至大气探测管理控制器和平台，1065nm波长探测器通道接收 1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至大气探测管理控制器和平台；
偏振常数的计算方法为平行偏振探测通道输出光信号与垂直偏振探测通道输出光信号的比值。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，大气探测中继单元包括F-P标准具和窄带滤光片；
挡片通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
消偏片为多层光楔形退偏器，消偏片通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
自检光源包括532nm波长LED，1064nm波长LED和与532nm 波长LED、1064nm波长LED输出端连接的光纤；532nm波长LED、 1064nm波长LED产生的光源直接耦合进行光纤并传输至平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道和1065nm波长探测通道，大气探测管理控制器控制532nm波长LED、1064nm波长LED的发光时刻和发光时间并与大气探测中继单元信号采集时刻和采集时长匹配；
平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道和1065nm波长探测通道均包含PMT探测器和APD探测器。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，大气激光器包括主振荡器、放大器、倍频装置和调Q装置；
大气激光器使用主振荡器加放大器技术和倍频技术、主动调Q振荡器技术、电光效应诱导的偏振透过率控制技术、多维度多层级洁净控制防护技术；
大气激光器使用金属热沉和液冷散热进行温度控制。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，激光控制器用于向大气激光器提供恒流脉冲和触发脉冲，激光控制器用于采集大气激光器的温度、气压、激光能量参数并上报至大气探测管理控制器。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，激光指向对中机构包括转动机构和两点式结构固定在转动机构上的平面反射镜，转动机构为二维正交，转动机构包括步进电机和谐波减速器；
激光指向控制单元用于控制转动机构的指向并采集转动机构的转动角度信息上传给大气探测管理控制器。
本发明所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，作为优选方式，接收望远镜为离轴两反的卡塞格林望远镜。本发明解决的技术问题：针对我国大气环境监测体系存在区域覆盖不足、无法全天时、立体观测等不足，提出了一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，该***具有空间分辨率高，探测精度高的特点，并且利用空间平台的的覆盖范围广的优势，可实现对大气颗粒物空间分布的大范围、连续、定量监测，监测区域污染物日沉降及三维空间变化趋势，并获得区域污染总量变化，为定位污染来源，实现大气颗粒物污染的预警、预报创造有利条件。同时，可获取高空卷云垂直分布，提高云检测、云分类、云相态、气溶胶检测及分类等气候态检测阈值的反演精度，从而提高天气预报准确性，同时有力推动我国空间大气激光遥感载荷技术的发展。
本发明的技术方案：一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：它由大气激光器、激光控制器、激光指向对中机构、激光指向控制单元、大气探测中继单元和大气探测管理控制器、接收望远镜组成，利用高能量激光脉冲和高灵敏度探测实现对大尺度大气中气溶胶以及颗粒物、云层、大气分子的高精度探测。适用于空间应用的大气探测激光雷达***有三种工作模式，包括测量模式、自检模式和偏振校准模式。由平台选择***的工作模式，由大气探测管理控制器控制***的工作时序。
***工作在测量模式下，大气激光器输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构进入大气，大气后向散射回波信号由接收望远镜接收传输至大气探测中继单元，大气探测中继单元内部挡片和消偏片处于光路外，回波信号在大气探测中继单元完成分色，产生532nm 波长回波信号和1064nm波长回波信号，大气探测中继单元对532nm 波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号、垂直偏振回波信号，三种回波信号分别被平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道、 1064nm波长探测器通道接收，完成光电转换，大气探测中继单元将电信号传输给大气探测管理控制器，再传输至平台。
***工作在自检模式下，大气激光器不工作，大气探测中继单元内部挡片处于光路内，消偏片处于光路外，自检光源输出532nm脉冲光源和1064nm脉冲光源，由光纤引入平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道、1064nm波长探测器通道，完成光电转换，大气探测中继单元将电信号传输给大气探测管理控制器，再传输至平台。
***工作在偏振校准模式下，大气激光器输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构进入大气，大气后向散射回波信号由接收望远镜接收传输至大气探测中继单元，大气探测中继单元内部挡片和消偏片处于光路内，回波信号在大气探测中继单元完成分色，产生 532nm波长回波信号和1064nm波长回波信号，大气探测中继单元对532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号、垂直偏振回波信号，三种回波信号分别被平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道、1064nm波长探测器通道接收，完成光电转换，大气探测中继单元将电信号传输给大气探测管理控制器，再传输至平台；通过平行偏振探测通道和垂直偏振探测通道输出电信号幅值的比值获取偏振常数。
大气激光器为双波长高能量、窄脉宽、长寿命固体激光器，由激光控制器供电和控制。通过采用主振荡器加放大器技术和倍频技术，实现大能量双波长激光输出；采用主动调Q振荡器技术，实现窄脉宽激光输出；采用电光效应诱导的偏振透过率控制技术，实现高线偏振特性激光输出；采用多维度多层级洁净控制防护技术，实现激光器的气密性，控制激光器内部有机污染源，隔离激光器外部污染源，保证激光器内部工作环境的稳定性，实现长寿命激光输出；采用离轴两反的卡塞格林望远镜，实现双波长激光扩束，压缩激光发散角；采用金属热沉和液冷散热方式实现大功率激光器的温度控制。
激光控制器为大气激光器提供恒流脉冲和触发脉冲；采集大气激光器温度、气压、激光能量参数等遥测参数上报至大气探测管理控制器；由大气探测管理控制器控制，由平台供电。
大气激光指向对中机构由二维正交的转动机构和平面反射镜组成，由激光指向控制单元控制；二维正交的转动机构采用步进电机和谐波减速器实现高精度角度调整，调整精度为微弧度量级；平行反射镜采用两点式结构固定在二维正交的转动机构上，平面反射镜角度变化实现出射激光的指向变化。
激光指向控制单元由大气探测管理控制器供电和控制；控制激光指向对中机构的二维正交的转动机构，并采集二维正交的转动机构的转动角度信息上传给探测管理控制器。
大气探测中继单元由挡片、消偏片、自检光源、平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道、1064nm波长探测通道组成；采用分色、偏振分光、窄带滤波等技术，将回波信号分离为平行偏振回波信号、垂直偏振回波信号、1064nm波长回波信号，三种信号分别由平行偏振探测通道、垂直偏振探测通道、1064nm波长探测器通道接收；采用 F-P标准具和窄带滤光片组合的窄带滤波技术，抑制背景噪声，提高***信噪比；采用高灵敏度、大动态范围的PMT探测器和APD探测器，以及前置放大技术、高精度模数转换技术，实现回波信号的光电转换，并将电信号传输至探测管理控制器；由大气探测管理控制器供电和控制。
挡片用于遮挡回波信号和背景噪声；通过直驱电机实现挡片在光路内和光路外的位置切换。
消偏片将回波信号由偏振光转换为无偏振光；采用多层光楔形退偏器；通过直驱电机实现消偏片在光路内和光路外的位置切换。
自检光源由532nm波长LED、1064nm波长LED和光纤组成； LED产生的光源直接耦合进行光纤，由光纤传输至大气探测中继单元三个探测通道；由大气探测管理控制器控制LED发光时刻和发光时间，与大气探测中继单元信号采集时刻和采集时长匹配。
大气探测管理控制器控制***的工作时序；为激光指向控制单元和大气探测中继单元供电；控制激光控制器、激光指向控制单元和大气探测中继单元工作；采集***工作状态，并上报平台；采集回波信号转换的电信号，传输至平台；由平台供电和控制。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用双波长高能激光作为光源，激光与大气中的颗粒物、分子等物质相互作用产生的散射回波信号，对回波信号实现分色探测与偏振探测的结合，实现了对全球大气的大尺度、高精度、高空间分辨卫星遥感探测，解决大气探测区域覆盖性问题以及现有卫星遥感载荷无法全天时探测和获取颗粒物垂直分布的问题。
(2)本发明采用高能量、窄脉宽、长寿命激光器和高灵敏度、大动态范围探测技术，以及高精度收发光轴匹配技术，可完成大尺寸大气中气溶胶以及颗粒物、云层、大气分子的高精度探测，适用于空间卫星平台，提高了我国对大气颗粒物空间分布的大范围、连续、定量监测，为国内首次研制。
(3)本发明中大气激光器，采用主振荡器加放大器技术和倍频技术、主动调Q振荡器技术，采用电光效应诱导的偏振透过率控制技术，采用多维度多层级洁净控制防护技术，实现高能量、窄脉宽、长寿命、高线偏振特性的激光输出。采用金属热沉和液冷散热方式实现大功率激光器的温度控制，保证激光器的稳定性。
(4)本发明中激光指向对中机构采用步进电机和谐波减速器实现高精度的激光出射角度调整，平面反射镜采用两点式结构固定在转动机构上，调整精度达到微弧度量级；
(5)本发明中大气探测中继单元采用F-P标准具和窄带滤光片组合的窄带滤波技术，抑制背景噪声，提高***信噪比；采用高灵敏度、大动态范围的PMT探测器和APD探测器，以及前置放大技术、高精度模数转换技术实现对微弱信号的探测。
附图说明
图1为一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***整机组成原理框图；
图2为一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***整机三维模型。
附图标记：
1、大气激光器；2、激光控制器；3、激光指向对中机构；4、激光指向控制单元；5、接收望远镜；6、大气探测中继***；61、大气探测中继单元；62、挡片；63、消偏片；64、自检光源；65、平行偏振探测通道；66、垂直偏振探测通道；67、1065nm波长探测通道；7、大气探测管理控制器；8、平台。
具体实施方式
下面将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。
实施例1
如图1-2所示，一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，包括大气激光器1，与大气激光器1电连接的激光控制器2，设置在大气激光器1激光输出端的激光指向对中机构3，与激光指向对中机构3 电连接的激光指向控制单元4，设置在大气激光器1一侧的接收望远镜5，设置在接收望远镜5输出端的大气探测中继***6，与激光控制器2、激光指向控制单元4、大气探测中继***6均电连接的大气探测管理控制器7和与大气探测管理控制器7、激光控制器2电连接的平台8；
大气激光器1用于向大气输出激光脉冲，激光控制器2用于向大气激光器1供电并采集大气激光器1的状态信息输出至大气探测管理控制器7，激光指向对中机构3用于在激光指向控制单元4的控制下调整激光脉冲输出指向，接收望远镜5用于接收激光脉冲进入大气后经大气后向散射的回波信号并传输至大气探测中继***6，大气探测中继***6用于将回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波后进行光电转换生成电信号并将电信号输出至大气探测管理控制器7，大气探测管理控制器7用于进行激光控制器2、激光指向控制单元4和大气探测中继***6的工作时序控制以进入测量模式、自检模式和偏振校准模式；
大气激光器1用于向大气输出双波长激光；大气激光器1包括主振荡器、放大器、倍频装置和调Q装置；大气激光器1使用主振荡器加放大器技术和倍频技术、主动调Q振荡器技术、电光效应诱导的偏振透过率控制技术、多维度多层级洁净控制防护技术；大气激光器1使用金属热沉和液冷散热进行温度控制；
激光控制器2用于向大气激光器1提供恒流脉冲和触发脉冲，激光控制器2用于采集大气激光器1的温度、气压、激光能量参数并上报至大气探测管理控制器7；
激光指向对中机构3包括转动机构和两点式结构固定在转动机构上的平面反射镜，转动机构为二维正交，转动机构包括步进电机和谐波减速器；
激光指向控制单元4用于控制转动机构的指向并采集转动机构的转动角度信息上传给大气探测管理控制器7；
接收望远镜5为离轴两反的卡塞格林望远镜；
大气探测中继***6包括依次设置在接收望远镜5输出光路上的大气探测中继单元61、挡片62、消偏片63、自检光源64、设置在大气探测中继单元61输出光路上的平行偏振探测通道65、垂直偏振探测通道66和1065nm波长探测通道67，大气探测中继***6由大气探测管理控制器7供电，大气探测中继单元61用于将回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波，挡片62和消偏片63可移动，挡片62、消偏片 63和自检光源64用于辅助实现自检模式和偏振校准模式，挡片62用于遮挡回波信号和背景噪声，消偏片63用于将回波信号由偏振光转为无偏振光；
大气探测中继单元61包括F-P标准具和窄带滤光片；
挡片62通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
消偏片63为多层光楔形退偏器，消偏片63通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
自检光源64包括532nm波长LED，1064nm波长LED和与532nm 波长LED、1064nm波长LED输出端连接的光纤；532nm波长LED、 1064nm波长LED产生的光源直接耦合进行光纤并传输至平行偏振探测通道65、垂直偏振探测通道66和1065nm波长探测通道67，大气探测管理控制器7控制532nm波长LED、1064nm波长LED的发光时刻和发光时间并与大气探测中继单元61信号采集时刻和采集时长匹配；
平行偏振探测通道65、垂直偏振探测通道66和1065nm波长探测通道67均包含PMT探测器和APD探测器；
平台8用于接收大气探测管理控制器7传输的电信号并且给激光控制器2和大气探测管理控制器7供电；
测量模式的工作方法为：大气激光器1输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构3调整方向后进入大气，大气后向散射的回波信号由接收望远镜5接收传输至大气探测中继单元61，挡片62和消偏片63设置在接收望远镜5的输出光路以外，回波信号在大气探测中继单元61中完成分色并产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，大气探测中继单元61将532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，平行偏振探测通道 65接收平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器7和平台8，垂直偏振探测通道66接收垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器7和平台8，1065nm波长探测器通道67接收1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至大气探测管理控制器7和平台8；
自检模式的工作方法为：大气激光器1处于停机状态，将挡片62 设置在接收望远镜5的输出光路上、消偏片63设置在接收望远镜5的输出光路以外，自检光源64输出532nm脉冲光源和1065nm脉冲光源并由光纤引入平行偏振探测通道65、垂直偏振探测通道66和1065nm 波长探测器通道67进行光电转换生成电信号，电信号依次输出至大气探测管理控制器7和平台8；
偏振校准模式的工作方法为：大气激光器1向大气输出激光脉冲，激光脉冲经过激光指向对中机构3进入大气，大气后向散射的回波信号由接收望远镜5接收传输至大气探测中继***6，将挡片62和消偏片63设置在接收望远镜5的输出光路上，回波信号在大气探测中继单元61中分色，产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，大气探测中继单元61对532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，平行偏振探测通道65接收平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次传输至大气探测管理控制器7和平台8，垂直偏振探测通道66接收垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至大气探测管理控制器7和平台8，1065nm 波长探测器通道67接收1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至大气探测管理控制器7和平台8；
偏振常数的计算方法为平行偏振探测通道65输出光信号与垂直偏振探测通道66输出光信号的比值。
实施例2
一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，如图1所示为本发明一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***装置原理框图，由图可知包括：大气激光器1、激光控制器2、激光指向对中机构3、激光指向控制单元4、接收望远镜5、大气探测中继***6和大气探测管理控制器7组成。
大气激光器1输出高能量、窄脉宽双波长激光；激光控制器2为大气激光器供电，并采集大气激光器1温度、气压、激光能量遥测量；激光指向对中机构3调整激光输出方向，实现激光发射光轴和接收望远镜光轴的高精度匹配；激光指向控制单元4控制激光指向对中机构 3，并获取角度遥测量；大气探测中继***6对回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波，完成光信号到电信号的转化；大气探测中继***6内部挡片62、消偏片63和自检光源64辅助实现***不同的工作模式；大气探测管理控制器7用于控制***的工作时序、各单机的工作状态，并收集单机的遥测量和回波电信号上传给平台。
本实施例中的大气激光器1采用1:1冷备份设计，提高***的可靠性，大气激光器1光学腔采用主动调Q振荡器加一级放大器的主振荡功率放大技术(MOPA技术)方案：采用半导体激光二极管阵列 (LD阵列)泵浦、电光调Q的固体Nd:YAG激光器作为激光振荡器，采用MOPA技术对激光振荡器输出的1064nm脉冲激光进行功率放大，放大器采用LD阵列侧面泵浦Nd：YAG板条放大器，采用倍频晶体实现1064nm激光倍频输出532nm激光，采用离轴两反扩束镜，将激光发散角压缩15倍。大气激光器1输出激光波长为532.2nm和 1064.4nm，532nm波长激光能量为120mJ，1064nm波长激光能量为 120mJ，532nm波长激光脉冲宽度为25ns，1064nm波长激光脉冲宽度为25ns，532nm激光偏振度100:1，激光发散角100urad，大气激光器1工作寿命8年。
本实施例中激光控制器2采用1:1冷备份，与大气激光器1的主备份一一对应。激光控制器2由供配电电路、控制电路和LD电源电路组成，供配电电路将平台提供的30.5V电源变换为二次电源，包括双熔断器母线短路保护电路、遥控开关机继电器组电路、防浪涌电流电路、EMI电路、DC/DC电路、LDO电路及滤波电路等，为单机内各功能模块电路提供一次及二次电源。控制电路以浮点型DSP和反熔丝FPGA为核心，外加时钟、看门狗、存储器、接口芯片、光耦、模拟开关、运放、A/D转换等电路，接收大气探测管理控制器的控制指令，采集遥测数据并上报大气探测管理控制器。LD驱动电路为大气激光器提供恒流脉冲，由升压恒流电源、能库电容、MOSFET开关、稳流控制回路等部分组成。激光控制器2为大气激光器提供200W 输出功率，电流稳定性优于5％，电流脉冲频率20Hz。
本实施例中激光指向对中机构3采用1:1冷备份，与大气激光器 1的主备份一一对应。激光指向对中机3构采用嵌入式处理器+步进电机+精密减速机构驱动设计方案，步进电机和谐波减速器组合安装在底座上，谐波减速器输出轴上固定偏心轴，偏心轴上连接旋变。底座下支承座固定，下支承座通过两个轴承和十字轴连接，十字轴通过另两个轴承和上支承座连接。镜架固定在上支承座上，反射镜放置在镜架上。镜架上固定两个球头，两个球头和两个偏心滚轮对应靠紧。激光指向对中机构重复精度优于2.5urad，角度分辨率1urad，角度调整范围-1°到+1°。
本实施例中大气探测中继***5采用保偏反射镜进行回波信号的传输，单片保偏反射镜的消光比优于1000:1，采用分色镜完成 532nm波长回波信号和1064nm波长回波信号的分离，采用偏振分光片完成平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号的分离，平行偏振探测通道65和垂直偏振探测通道66的消光比均优于1000:1，采用F-P标准具和窄带滤光片组合实现128pm带宽的窄带滤波，采用高灵敏度 APD探测器和PMT探测器实现微弱信号探测，APD探测器和PMT 探测器可探测最小光信号优于100pW。
本实施例中大气探测管理控制器7采用1:1冷备份，可实现与其他单机的交叉控制，由综合电源模块和控制接口模块组成。综合电源模块包括熔断器、继电器、防浪涌电路、EMI滤波和两个DC-DC模块，实现单机内部供电和为电气***其它单机提供指令电；控制接口模块由看门狗、1553B，PROM，SDRAM，MRAM、晶振、422接口芯片、LVDS接口芯片、模拟开关、AD采集芯片等配置电路共同组成。
本实施例中的接收望远镜5采用同轴卡塞格林结构，接收有效口径1m，焦距8m，接收视场为200urad。
本实施例中接收望远镜5为主承力结构，大气激光器1、激光指向对中机构3和大气探测中继***6安装在接收望远镜的侧面和背面，如图2所示。激光控制器2、激光指向控制单元4和大气探测管理控制器7可安装于平台8上。
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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：包括大气激光器(1)，与所述大气激光器(1)电连接的激光控制器(2)，设置在所述大气激光器(1)激光输出端的激光指向对中机构(3)，与所述激光指向对中机构(3)电连接的激光指向控制单元(4)，设置在所述大气激光器(1)一侧的接收望远镜(5)，设置在所述接收望远镜(5)输出端的大气探测中继***(6)，与所述激光控制器(2)、激光指向控制单元(4)、大气探测中继***(6)均电连接的大气探测管理控制器(7)；
所述大气激光器(1)用于向大气输出激光脉冲，所述激光控制器(2)用于向所述大气激光器(1)供电并采集所述大气激光器(1)的状态信息输出至所述大气探测管理控制器(7)，所述激光指向对中机构(3)用于在所述激光指向控制单元(4)的控制下调整激光脉冲输出指向，所述接收望远镜(5)用于接收所述激光脉冲进入大气后经大气后向散射的回波信号并传输至所述大气探测中继***(6)，所述大气探测中继***(6)用于将所述回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波后进行光电转换生成电信号并将所述电信号输出至所述大气探测管理控制器(7)，所述大气探测管理控制器(7)用于进行所述激光控制器(2)、所述激光指向控制单元(4)和所述大气探测中继***(6)的工作时序控制以进入测量模式、自检模式和偏振校准模式；
所述大气探测中继***(6)包括依次设置在所述接收望远镜(5)输出光路上的大气探测中继单元(61)、挡片(62)、消偏片(63)和自检光源(64)，所述大气探测中继单元(61)用于将所述回波信号进行分色、偏振分光和窄带滤波，所述挡片(62)和所述消偏片(63)可移动，所述挡片(62)、所述消偏片(63)和所述自检光源(64)用于辅助实现所述自检模式和所述偏振校准模式，所述挡片(62)用于遮挡所述回波信号和背景噪声，所述消偏片(63)用于将所述回波信号由偏振光转为无偏振光。
2.根据权利要求1所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：还包括与所述大气探测管理控制器(7)和所述激光控制器(2)电连接的平台(8)，所述平台(8)用于接收所述大气探测管理控制器(7)传输的所述电信号并且给所述激光控制器(2)和所述大气探测管理控制器(7)供电；
所述大气激光器(1)用于向大气输出双波长激光；
所述大气探测中继***(6)还包括分别设置在所述大气探测中继单元(61)输出光路上的平行偏振探测通道(65)、垂直偏振探测通道(66)和1065nm波长探测通道(67)，所述大气探测中继***(6)由所述大气探测管理控制器(7)供电。
3.根据权利要求2所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述测量模式的工作方法为：所述大气激光器(1)输出所述激光脉冲，所述激光脉冲经过所述激光指向对中机构(3)调整方向后进入大气，大气后向散射的所述回波信号由所述接收望远镜(5)接收传输至所述大气探测中继单元(61)，所述挡片(62)和所述消偏片(63)设置在所述接收望远镜(5)的输出光路以外，所述回波信号在所述大气探测中继单元(61)中完成分色并产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，所述大气探测中继单元(61)将所述532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，所述平行偏振探测通道(65)接收所述平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)，所述垂直偏振探测通道(66)接收所述垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)，所述1065nm波长探测器通道(67)接收所述1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号后依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)。
4.根据权利要求2所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述自检模式的工作方法为：所述大气激光器(1)处于停机状态，将所述挡片(62)设置在所述接收望远镜(5)的输出光路上、所述消偏片(63)设置在所述接收望远镜(5)的输出光路以外，所述自检光源(64)输出532nm脉冲光源和1065nm脉冲光源并由光纤引入所述平行偏振探测通道(65)、所述垂直偏振探测通道(66)和所述1065nm波长探测器通道(67)进行光电转换生成电信号，所述电信号依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)。
5.根据权利要求2所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述偏振校准模式的工作方法为：所述大气激光器(1)向大气输出激光脉冲，激光脉冲经过所述激光指向对中机构(3)进入大气，大气后向散射的所述回波信号由所述接收望远镜(5)接收传输至所述大气探测中继***(6)，将所述挡片(62)和所述消偏片(63)设置在所述接收望远镜(5)的输出光路上，所述回波信号在所述大气探测中继单元(61)中分色，产生532nm波长回波信号和1065nm波长回波信号，所述大气探测中继单元(61)对所述532nm波长回波信号进行偏振分光，产生平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号，所述平行偏振探测通道(65)接收所述平行偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次传输至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)，所述垂直偏振探测通道(66)接收所述垂直偏振回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)，所述1065nm波长探测器通道(67)接收所述1065nm波长回波信号并进行光电转换生成电信号依次输出至所述大气探测管理控制器(7)和所述平台(8)；
偏振常数的计算方法为所述平行偏振探测通道(65)输出光信号与所述垂直偏振探测通道(66)输出光信号的比值。
6.根据权利要求2所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：
所述大气探测中继单元(61)包括F-P标准具和窄带滤光片；
所述挡片(62)通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
所述消偏片(63)为多层光楔形退偏器，所述消偏片(63)通过直驱电机进行光路内和光路外的位置切换；
所述自检光源(64)包括532nm波长LED，1064nm波长LED和与所述532nm波长LED、1064nm波长LED输出端连接的光纤；所述532nm波长LED、所述1064nm波长LED产生的光源直接耦合进行光纤并传输至所述平行偏振探测通道(65)、所述垂直偏振探测通道(66)和所述1065nm波长探测通道(67)，所述大气探测管理控制器(7)控制所述532nm波长LED、所述1064nm波长LED的发光时刻和发光时间并与所述大气探测中继单元(61)信号采集时刻和采集时长匹配；
所述平行偏振探测通道(65)、所述垂直偏振探测通道(66)和所述1065nm波长探测通道(67)均包含PMT探测器和APD探测器。
7.根据权利要求1所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述大气激光器(1)包括主振荡器、放大器、倍频装置和调Q装置；
所述大气激光器(1)使用主振荡器加放大器技术和倍频技术、主动调Q振荡器技术、电光效应诱导的偏振透过率控制技术、多维度多层级洁净控制防护技术；
所述大气激光器(1)使用金属热沉和液冷散热进行温度控制。
8.根据权利要求1所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述激光控制器(2)用于向所述大气激光器(1)提供恒流脉冲和触发脉冲，所述激光控制器(2)用于采集所述大气激光器(1)的温度、气压、激光能量参数并上报至所述大气探测管理控制器(7)。
9.根据权利要求1所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述激光指向对中机构(3)包括转动机构和两点式结构固定在所述转动机构上的平面反射镜，所述转动机构为二维正交，所述转动机构包括步进电机和谐波减速器；
所述激光指向控制单元(4)用于控制所述转动机构的指向并采集所述转动机构的转动角度信息上传给所述大气探测管理控制器(7)。
10.根据权利要求9所述的一种适用于空间应用的大气探测激光雷达***，其特征在于：所述接收望远镜(5)为离轴两反的卡塞格林望远镜。
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