基于三通道f-p標(biāo)準(zhǔn)具的多大氣參數(shù)同時高精度探測激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多大氣參數(shù)同時高精度探測激光雷達(dá)系統(tǒng)，特別涉及一種基于三通道F-P標(biāo)準(zhǔn)具的多大氣參數(shù)同時高精度探測激光雷達(dá)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，對氣溶膠的探測主要有米散射激光雷達(dá)、偏振激光雷達(dá)和高光譜分辨率激光雷達(dá)。米散射激光雷達(dá)由于激光回波信號中包含散射系數(shù)和消光系數(shù)兩個大氣參量的信息，反演過程中就必須對當(dāng)時的大氣狀態(tài)做一些假設(shè)，如假設(shè)激光雷達(dá)比等。而這些假設(shè)的值與真值往往存在較大的偏差，從而造成反演結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。偏振激光雷達(dá)在用雷達(dá)方程反演氣溶膠消光系數(shù)時，仍需要做與處理米散射雷達(dá)方程時同樣的假設(shè)。高光譜分辨率氣溶膠激光雷達(dá)利用氣溶膠散射譜寬不同于其他散射譜，通過使用高分辨率的干涉儀、原子或分子吸收濾光器，從大氣散射中將米散射和瑞利散射信號分離。這樣，可以不需要假設(shè)大氣的狀態(tài)，直接導(dǎo)出消光系數(shù)，提高參數(shù)反演的準(zhǔn)確性。然而，通過深入分析發(fā)現(xiàn)，在精確反演時，仍需要知道大氣溫度來扣除瑞利散射信號。激光雷達(dá)探測大氣溫度的方法主要有:差分吸收法、瑞利散射積分法、瑞利散射光譜分析法和轉(zhuǎn)動喇曼散射法等。差分吸收法對激光波長的單色性要求很高，輻射波長的精度與譜線寬直接影響到溫度測量的精度，同時需要穩(wěn)定的待測氣體濃度，實際一般很難達(dá)到。因此測量精度不高，并且要求至少兩個探測波長，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本也高。瑞利散射積分法直接探測大氣密度，再通過氣體狀態(tài)方程得到大氣溫度分布，該方法適合測量30km以上的中層大氣。瑞利散射光譜分析法利用瑞利散射線寬與溫度的函數(shù)關(guān)系測量大氣溫度。該方法需要借助高性能的分光器檢測出光譜信息，實現(xiàn)測量。但是，由于低空大氣中存在大量的氣溶膠會產(chǎn)生很強(qiáng)的信號干擾，因此低空大氣溫度探測存在測量精度非常不足的缺陷。通過測量大氣瑞利-布里淵散射譜的半高線寬實現(xiàn)對低空大氣測溫的方法雖然可以在頻域上減小米氏散射的干擾、提高測量精度，但是由于散射譜的半高線寬與溫度在理論上僅為近似關(guān)系，所以其測得的精度不高，約為5K。此外，具有高精度測溫能力的拉曼激光雷達(dá)可以用于探測O?Ilkm低空大氣溫度，其精度小于2K，但是拉曼散射信號的強(qiáng)度相對于米和瑞利散射要小3?4個量級，因此為實現(xiàn)準(zhǔn)確的測量需要較大的激光能量、接收望遠(yuǎn)鏡和高精度高效率的分光器，導(dǎo)致該方法檢測成本高，使用范圍受到很大限制。對大氣風(fēng)場的探測主要采用多普勒激光雷達(dá)。根據(jù)探測體制不同，所采用的鑒頻技術(shù)有相干探測技術(shù)和直接探測技術(shù)。相干探測系統(tǒng)具有很高的探測靈敏度，但它同時要求窄線寬脈沖激光技術(shù)和具有衍射極限的光學(xué)接收機(jī)，并且由于大氣湍流對激光相干性的破壞，有效探測距離受到限制。由于探測技術(shù)的局限，該類系統(tǒng)只適用于具有一定氣溶膠密度環(huán)境下的風(fēng)場觀測，在遠(yuǎn)海海面等氣溶膠密度很低的區(qū)域，它們將無能為力。相比而言，直接探測系統(tǒng)對光學(xué)系統(tǒng)和激光器的頻譜要求明顯降低，并且有效探測距離基本不受大氣湍流的影響。而且，直接探測技術(shù)既可利用氣溶膠，又可利用分子探測風(fēng)速，是目前國際上測量中高層大氣風(fēng)場普遍采用的技術(shù)。直接探測技術(shù)可進(jìn)一步分為邊緣探測技術(shù)和條紋成像技術(shù)。其中基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具邊緣技術(shù)是目前成熟度較好、國際上最為普遍采用的技術(shù)。但是其在反演風(fēng)速時，若是單邊緣技術(shù)，需假定大氣溫度和后向散射比；若是雙邊緣技術(shù)，需假定大氣溫度。這樣由于假定參數(shù)的不確定度造成較大的風(fēng)速反演誤差。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)沒有充分利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射信號的鑒頻能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于三通道F-P標(biāo)準(zhǔn)具的多大氣參數(shù)同時高精度探測激光雷達(dá)系統(tǒng)，能用基于三通道F-P標(biāo)準(zhǔn)具的激光雷達(dá)同時高精度測量對流層大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性等大氣參數(shù)。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明的風(fēng)速測量原理如圖1所示，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的三個通道分別設(shè)計為信號分離通道1、風(fēng)速探測通道II和溫度探測通道III。在測量過程中，望遠(yuǎn)鏡接收到的信號先經(jīng)信號通道I將米和瑞利后向散射信號分離，分離出的米散射信號再經(jīng)通道II測量風(fēng)速，分離出的瑞利散射信號再經(jīng)通道III測量大氣溫度。為實現(xiàn)信號的有效、高效分離和氣溶膠光學(xué)特性探測，通道I采用高光譜分辨率標(biāo)準(zhǔn)具；為提高風(fēng)速探測靈敏度和信噪比，通過對標(biāo)準(zhǔn)具通道II的透射和反射信號同時接收進(jìn)行風(fēng)速測量，如圖2所示；為提高溫度探測靈敏度和信噪比，通道III利用標(biāo)準(zhǔn)具相鄰兩級譜對瑞利散射譜的兩翼同時進(jìn)行測量，如圖3所示。采用三通道一體式F-P標(biāo)準(zhǔn)具不僅可以保證各通道頻譜間的相對穩(wěn)定性，而且能有效分離并充分利用米和瑞利后向信號。因此，基于該技術(shù)的激光雷達(dá)系統(tǒng)可同時高精度探測對流層大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性。為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊與穩(wěn)定，采用多模偏振不敏感的光學(xué)環(huán)行器實現(xiàn)信號分離。通過調(diào)研，目前市場上能提供的多模偏振不敏感的光學(xué)環(huán)行器的工作波長主要有850nm、1310nm和 1550nm(DK Photonics Technology C0.Limited ;0F_Link Communicat1ns C0.，Ltd)。由于米散射強(qiáng)度與波長的1.3次方近似成反比，瑞利散射強(qiáng)度與波長的4次方成反比；單光子計數(shù)APD探測模塊在850nm的量子效率達(dá)45% (美國Perkinelmer)，故采用850nm作為工作波長以獲得強(qiáng)的探測信號，激光器則選用穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器(美國SpectraD1de Labs ;加拿大 Terax1n ;德國 Toptica Photonics)。
[0005]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)組成。采用外腔式半導(dǎo)體激光器和喇叭形二極管放大器組成MOPA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)頻窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光系統(tǒng)作為發(fā)射源，發(fā)射852nm的激光用于對流層大氣風(fēng)場、溫度和氣溶膠光學(xué)特性等參數(shù)進(jìn)行探測。發(fā)射激光在經(jīng)過第二光隔離器之后，再由分束鏡分成兩束。占有很少能量的反射光作為參考光進(jìn)入第一 1X2光纖耦合器的一個支端，在經(jīng)過一段約10m長裸光纖后，其后向散射光由同側(cè)另一支端口輸出并進(jìn)入第二 I X 2光纖耦合器的一個輸入支端。占有絕大部分能量的透射光經(jīng)過擴(kuò)束鏡壓縮光束發(fā)散角后，依次通過45度反射鏡、二維掃描儀的兩個反射鏡，最終以預(yù)設(shè)的方位角和天頂角垂直透過玻璃平板進(jìn)入大氣被測區(qū)域。其大氣后向散射光由望遠(yuǎn)鏡接收，依次經(jīng)過中心波長為852nm的窄帶濾光片濾光和一段200m長裸光纖跳線延時后，進(jìn)入第二 1X2光纖耦合器的另一個輸入支端。從第二 1X2光纖親合器合束端輸出的光信號進(jìn)入第三1X2光纖親合器的合束端后，一小部分經(jīng)第三1X2光纖耦合器的一個輸出支端由第一雪崩光電二極管接收；大部分由另一個輸出支端輸出后，經(jīng)過第一光環(huán)路器的a — b路徑，由第一準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后正入射到三通道FP標(biāo)準(zhǔn)具的通道I (信號分離通道)。其透射光信號利用第五凸透鏡匯聚后進(jìn)入第四1X2光纖親合器的合束端后，一小部分經(jīng)第四1X2光纖親合器的一個輸出支端由第二雪崩光電二極管接收；大部分由另一個輸出支端輸出后，經(jīng)過第二光環(huán)路器的a — b路徑，由第二準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后正入射到三通道FP標(biāo)準(zhǔn)具的通道II (風(fēng)速探測通道)。其透射光信號利用第六凸透鏡匯聚后由第三雪崩光電二極管接收；而反射光信號反向經(jīng)過第二準(zhǔn)直鏡會聚后入射到第二光環(huán)路器的b端口，經(jīng)過第二光環(huán)路器的b — c路徑，直接由第四雪崩光電二極管接收。從三通道FP標(biāo)準(zhǔn)具的通道I反射的光信號反向經(jīng)過第一準(zhǔn)直鏡會聚后入射到第一光環(huán)路器的b端口，經(jīng)過第一光環(huán)路器的b — c路徑進(jìn)入第五I X 2光纖耦合器的合束端。其中一小部分經(jīng)第五1X2光纖耦合器的一個輸出支端由第五雪崩光電二極管接收；大部分經(jīng)第五1X2光纖耦合器的另一個輸出支端輸出，再由第三準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后正入射到三通道FP標(biāo)準(zhǔn)具的通道III (溫度探測通道)。其透射光信號利用第七凸透鏡匯聚后由第六雪崩光電二極管接收。六個雪崩光電二極管探測器的輸出信號先由多通道采集卡采集，再由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲、數(shù)據(jù)反演以及結(jié)果顯示等。整個系統(tǒng)的激光器、FP標(biāo)準(zhǔn)具、二維掃描儀、多通道采集卡等均通過RS232接口由計算機(jī)控制。本發(fā)明由外腔式半導(dǎo)體激光器、第一凸透鏡、第一光隔離器、第二凸透鏡、第三凸透鏡、喇叭形二極管放大器、第二光隔離器、分束鏡、擴(kuò)束鏡、45度反射鏡、二維掃描儀、玻璃平板、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、第四凸透鏡、窄帶濾光片、200m長裸光纖跳線、第一 1X2光纖親合器、10m長裸光纖、第二 1X2光纖親合器、第三1X2光纖親合器、第一雪崩光電二極管、第一光環(huán)路器、第一準(zhǔn)直鏡、三通道FP標(biāo)準(zhǔn)具、第五凸透鏡、第四1X2光纖耦合器、第二雪崩光電二極管、第二光環(huán)路器、第二準(zhǔn)直鏡、第六凸透鏡、第一光纖跳線、第三雪崩光電二極管、第四雪崩光電二極管、第五1X