CN1233759A - 探测大气的非相干激光雷达*** - Google Patents
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Abstract
一种探测大气的非相干激光雷达***,主要用于探测大气的风速、气溶胶密度和云层高度。它含有一台单频激光器,激光束经过一个声光调制器调制,产生两光束Gb、Gt。光束Gt经放大器、光学单向器从扫描收发光学组件射向大气目标。由目标反射回来的信号光Gh经收发光学组件收集,通过单向器,与光束Gb一起进入伺服控制的共焦结构的法布里—珀罗干涉仪至光电探测器和数据采集处理器。它具有***简单、较高的接收效率和信噪比、信号数据处理简便的特点。
Description
本发明涉及探测大气的一种激光雷达***,特别是涉及采用非相干方法测量大气风速的激光雷达***。主要用于探测大气的风速、气溶胶密度和云层高度等。
激光雷达测风速是利用连续激光的多普勒频移,采用光学外差技术实现的。其原理是:大气中气溶胶大分子或悬浮微粒的群速反映大气的风速,它们引起后向散射光的多普勒频移υd。沿光线方向的风速V与多普勒频移υd有关系:
υd=2V/λ
若用固体(YAG)激光器做光源,λ=1.06μm,则有υd=1.89MHz/(m/s)。测出多普勒频移,便可计算出沿光线方向的径向风速。
已有技术1:
如图1所示[Coherent launch-site atmospheric wind sounder:theory and experiment.James G.Hawley,Russell Targ,Sammy W.Henderson,Charley P.Hale,Michael J.Kavaya,and Daniel Moerder,Appl.Opt.32,4557-4568(1993)]。其探测***是一台连续单频激光器1的输出光束Gb作为本机振荡源,其频率为υl,另一束光经放大器2脉冲放大后作为探测光束Gt经一光学单向器3从带有扫描控制器8的收发光学组件4射向大气目标。由目标反射回来的光信号产生多普勒频移,频率为υl+υd。回波光束Gh经收发光学组件4和单向器3,通过耦合器5与本机振荡源在光电探测器6中混频,所得的差频信号即多普勒频移υd。该信号由数据采集处理器7处理,可以获得大气风速的数值。
这种***的限制在于:目标反射回来的信号光其波面会产生畸变,加上收发光学组件接收角的影响,混频效率低,影响信噪比和作用距离。
已有技术2:
如图2所示。[A simple two component laser Doppler anemometer using a rotatingdiffraction grating,J.Oldengarm & Prabha Venkatesh,J.Phys.E.Sci.Instr.9,1009-1012(1976)]。它的探测***是一台连续激光器1的输出,用一旋转光栅9经频率调制后通过分束器10分束,一般以四束光成正交形式再经收发光学组件4射向目标,由目标反射回来的信号经收发光学组件4接收,在光电探测器6中获得光束间两两干涉产生的多普勒频移信号。该信号由数据采集处理器7处理,可以获得目标速度。
这种***的限制在于:连续激光器的功率低,仪器的光路布局要求在目标区光束相交,因此作用距离很短。
为了克服上述***的限制,曾发展了一种非相干脉冲多普勒测速激光雷达。它与相干多普勒激光雷达***的主要区别在于探测多普勒频移不采用光学外差技术。
已有技术3:
如图3所示[Observation of winds with an incoherent lidar detector,Vincent J.Abreu,John Barnes,and Paul B.Hays,Appl.Opt.31,4509-4514(1992)]。激光发射结构基本上和已有技术1相似。接收部分为了实现用非相干的探测目标回波的多普勒频移,采用一固定平板法布里--珀罗干涉仪11作高分辨率的滤光器。光电探测器6则需采用一种两维多通道成象光电探测器,以便探测到至少一个完整的法布里--珀罗干涉仪自由光谱区内的回波,然后将探测信号送到数据采集处理器7处理,获得目标速度。
这种***的限制在于:由于接收组件中采用固定平板法布里--珀罗干涉仪作高分辨率的滤光器,限制了接收视场;因平板法布里--珀罗干涉仪的输出中有高次分量,即使采用两维多通道成象光电探测器,探测到的信号通常也只是一个完整的法布里--珀罗干涉仪自由光谱区内的回波,这仅仅是接收信号的一部分,影响接收效率也影响作用距离;而且,所用的两维多通道成像光电探测器是一种比较昂贵的光电子元件,两维信号处理也比较复杂。
为了解决非相干激光雷达有效地探测目标回波的多普勒频移的问题,人们做了许多工作,提出了一些可能解决问题的设想,例如采用球面法布里--珀罗干涉仪、原子或分子的吸收谱线作为高分辨率的滤光器等[Edge technique:theory and application tothe lidar measurement of atmospheric wind,C.Laurence Korb,Bruce M.Gentry,and Chi Y.Weng,Appl.Opt.31,4202-4213(1992)]。
本发明的目的是为了克服已有***1-3的困难,提出非相干激光雷达***,对接收视场没有特别的限制,可以提高接收效率和信噪比。对激光输出的频率和光强起伏不敏感。对光电探测器6的要求不苛刻,可以不必使用两维多通道成像光电探测器,信号数据处理简便。既可以测量大气风速,还可以测量大气密度和云层高度等参数。
本发明的***结构如图4所示。含有一台连续单频主振荡激光器1,输出的光束经过一个声光调制器12调制,产生两束频率和时间波形都不一样的光束Gb、Gt。其中一束Gb是连续光束,送入带伺服控制器13的法布里--珀罗干涉仪14,作为控制法布里--珀罗干涉仪共振腔长的频率标准光束。另一光束Gt,其强度经声光调制器12的时间调制后由放大器2放大,作为探测光束Gt经一光学单向器3从收发光学组件4射向大气目标。光束Gb和光束Gt的频率差为声光调制频率υΩ。由目标反射回来的信号光束Gh经收发光学组件4收集,通过单向器3,进入伺服控制的法布里--珀罗干涉仪14,由光电探测器6探测,深测到的信号送入数据采集处理器7中进行处理。当法布里--珀罗干涉仪取共焦结构,如图4所示,其透过率和入射光频间的关系如图5所示。
共焦的法布里--珀罗干涉仪14,它由有共同焦点O的两块球面镜141、142,和压电陶瓷143构成。当两球面镜141与142之间是空气间隙,间距为L,两块共焦球面镜141和142的反射率分别为R,则当激光波长为λ时,透射与入射的强度比为:
IT/Io={1+4R Sin2(δ/2)/(1-R2)}-1
其中δ=4πL/λ。Io-为入射光强,IT-为透射光强,该法布里--珀罗干涉仪自由光谱区的频率宽度为:△υ=C/4L。透射最大的半宽度为:
如果共焦的法布里--珀罗干涉仪的透过峰通过伺服控制锁定在光束Gb的频率υGb处,如图5所示。探测光束Gt的频率υGt位于该透过峰的半腰△ω,由大气风场目标反射回来、有多普勒频移的光信号透过共焦法布里--珀罗干涉仪时,其输出强度将会随多普勒频移而变。测出这一变化,通过信号数据采集处理器7处理,则可获得大气的风场数据。
本发明的优点:
(1)因接收***以伺服控制的共焦的法布里-珀罗干涉仪14为高分辨率滤光器,所以本发明的激光雷达***对接收视场没有特别的限制,它具有较高的接收效率和信噪比。
(2)本发明的激光雷达***是由激光器1输出的激光束经声光调制器12后分成两束光束Gb、Gt。其中一束是连续光束Gb,伺服控制的共焦法布里-珀罗干涉仪锁定在Gb上,所以适用于任意波长的激光,而且对激光输出频率和光强起伏不敏感。
(3)本发明的激光雷达***与已有技术3比,对光电探测器6的要求不苛刻,可以不必使用两维多通道成像光电探测器,而且信号数据处理简便。
(4)本发明的激光雷达***既可以测量大气风速,又可以测量大气密度和云层高度等其它大气参数。
附图说明:
图1:为已有技术1探测大气的激光雷达***示意图。
图2:为已有技术2的激光测速***示意图。
图3:为已有技术3探测大气的激光雷达***示意图。
图4:为本发明的探测大气的非相干激光雷达***示意图。
图5:为共焦的法布里--珀罗干涉仪的透过率和入射光频率之间的关系图,其中,横坐标为光束频率υ,纵坐标为任意光强单位I。
实施例:
如图4所示,一台连续单频激光器1,输出的光束经过一个声光调制器12调制,产生两束频率和时间波形都不一样的主振荡光束Gb、Gt。其中一束是连续光束Gb,送入带伺服控制器13的法布里--珀罗干涉仪14,作为控制的法布里--珀罗干涉仪共振腔长的频率标准光束。另一光束Gt,其强度经时间调制后由放大器2放大,作为探测光束Gt经一光学单向器3从收发光学组件4射向大气目标。由目标反射回来的信号光Gh经收发光学组件4收集,通过单向器3,进入伺服控制的法布里--珀罗干涉仪14,由光电探测器6探测。为了合理地布局各个器件,在图4的光路中加入透反镜Mt、反射镜M2、M3,以及棱镜P1、P2。伺服控制器13是由光电探测和电子线路控制的压电陶瓷构成。法布里--珀罗干涉仪14是共焦结构,它的空气间隙间距L=30毫米,两块共焦球面镜反射率分别为R=0.8,激光波长λ=0.53微米时,透射与入射的强度比IT/IO≈10%。该法布里--珀罗干涉仪自由光谱区的频率宽度为△υ=2.5千兆赫,当F≈15时(R≈0.8),则△ω1/2≈160兆赫,当声光调制频率υΩ为80兆赫时,探测光束Gt的频率正好位于法布里--珀罗干涉仪透过峰的半腰,如图5所示。
由大气风场目标反回有多普勒频移的光信号透过共焦的法布里--珀罗干涉仪时,其输出强度将会随多普勒频移而变。测出这一变化,通过信号数据采集处理器7处理,就可获得大气的风场数据。
Claims (2)
1.一种探测大气的非相干激光雷达***,含有
(1)一台连续单频激光器(1),输出两束光Gb、Gt,
(2)沿光束Gt前进的方向上,依次置有放大器(2),光学单向器(3)和收发光学组件(4);
(3)沿光束Gb前进的方向上,有法布里-珀罗干涉仪(14);
(4)对着法布里--珀罗干涉仪(14)输出端置有光电探测器(6);
(5)光电探测器(6)的输出连接于数据采集处理器(7);
(6)数据采集处理器件(7)与收发光学器件(4)的扫描控制器(8)相连;
其特征在于:
(7)置于激光器(1)与放大器(2)之间有声光调制器(12),激光器(1)的输出光束经声光调制器(12)之后分成两束光Gb、Gt;
(8)法布里--珀罗干涉仪(14)是共焦结构的,带有伺服控制器(13)。
2.根据权利要求1的激光雷达***,其特征在于伺服控制的法布里-珀罗干涉仪(14)是由有共同焦点O的两块球面镜(141)与(142),和压电陶瓷(143)构成的共焦结构。
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