本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，包括信號(hào)發(fā)射通道，用于發(fā)出激光信號(hào)；信號(hào)接收通道，用于接收發(fā)出的激光信號(hào)以及接收激光信號(hào)出射到大氣中所產(chǎn)生的回波信號(hào)；信號(hào)處理通道，用于將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行分析處理；信號(hào)發(fā)射通道、信號(hào)接收通道和信號(hào)處理通道為全光纖結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)具有連續(xù)高重頻、高靈敏度等特點(diǎn)，采用的全光纖結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)20kHz，皮瓦量級(jí)的信號(hào)探測，具有很高的時(shí)空分辨率，整個(gè)系統(tǒng)體積小，穩(wěn)定性高。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置
本專利技術(shù)屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域，特別涉及一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置。
技術(shù)介紹
大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中直徑為0.0Ol-1OOum的液體或固體微粒，它的產(chǎn)生受自然源(火山、沙塵暴等)和人工源(工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等)多方面因素的影響。雖然氣溶膠在大氣中的含量相對(duì)較少，卻可以改變大氣的循環(huán)模式，影響局部地區(qū)的空氣質(zhì)量和氣候變化，甚至危及人們的人身健康和生存環(huán)境。因此，對(duì)氣溶膠探測的研究近年來也受到越來越多的重視。激光雷達(dá)是大氣參數(shù)探測的有效手段之一，是一種具有高時(shí)空分辨率，可以連續(xù)監(jiān)測氣溶膠變化的主動(dòng)遙感設(shè)備。由于激光發(fā)散角小、波長短、能量密度高、單色性好等特性，能有效的與大氣氣溶膠粒子相互作用，使激光雷達(dá)可以有效的監(jiān)測氣溶膠光學(xué)特性及分布特征，彌補(bǔ)過去傳統(tǒng)探測儀器的不足。常用的用來精確測量反演大氣氣溶膠分布信息的有拉曼激光雷達(dá)和高光譜分辨率激光雷達(dá)，兩者相比，拉曼激光雷達(dá)是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成本低廉，新興的一種氣溶膠探測雷達(dá)技術(shù)，通過激光和氣溶膠粒子非彈性散射間接反演獲得氣溶膠特性信息，必須考慮氣溶膠粒子組分、散射光譜及抑制其他散射信號(hào)等的影響。米氏散射激光雷達(dá)是最為常見的一種用來測量氣溶膠特性的雷達(dá)，利用激光與大氣氣溶膠粒子之間的米氏散射獲得相應(yīng)的回波信號(hào)，散射回波與散射粒子(如氣溶膠)有關(guān)，因而可以反演計(jì)算出表征散射粒子特性的某些參數(shù)(參考[I]周軍，岳古明等.大氣氣溶膠光學(xué)特性激光雷達(dá)探測[J].量子電子學(xué)報(bào)，1988，15(2))。先前技術(shù)[2](伯廣宇等.探測大氣溫度和氣溶膠的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達(dá)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30 (I))給出了合肥地區(qū)對(duì)流層溫度、氣溶膠的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，采用532nm脈沖固體激光器，在20Hz重頻下，累計(jì)10000次脈沖信號(hào)獲得30m的空間分辨率；先前技術(shù)[3] (Zhou jun, et al.Two-ffavelength Mie Lidar for Monitoring of TroposphericAerosol [J].Acta Optica Sinica, 2000, 20 (10))建立了一臺(tái)雙波長 Mie 散射激光雷達(dá)，同時(shí)探測532nm和1064nm兩個(gè)波長對(duì)流層氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線，也是采用脈沖固體激光器、空間光路來實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)探測，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜(需水冷)，重頻低，分辨率有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的:本專利技術(shù)旨在提供一種連續(xù)高重頻、高靈敏度全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，采用全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)20kHz，皮瓦量級(jí)的信號(hào)探測；具有很高的時(shí)空分辨率，整個(gè)系統(tǒng)體積小，穩(wěn)定性高。技術(shù)方案:一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，包括:信號(hào)發(fā)射通道，用于發(fā)出激光信號(hào)；信號(hào)接收通道，用于接收發(fā)出的激光信號(hào)以及接收激光信號(hào)出射到大氣中所產(chǎn)生的回波信號(hào)；信號(hào)處理通道，用于將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行分析處理；所述信號(hào)發(fā)射通道、信號(hào)接收通道和信號(hào)處理通道為全光纖結(jié)構(gòu)。所述信號(hào)發(fā)射通道與信號(hào)接收通道之間設(shè)置環(huán)形器，用于將激光信號(hào)的發(fā)射與回波信號(hào)的接收光路同軸，環(huán)形器還與信號(hào)處理通道相連，信號(hào)接收通道接收的回波信號(hào)經(jīng)由環(huán)形器輸送到信號(hào)處理通道。所述環(huán)形器為三端口結(jié)構(gòu)，環(huán)形器的端口 I連接信號(hào)發(fā)射通道，環(huán)形器的端口 II連接信號(hào)接收通道，環(huán)形器的端口 III連接信號(hào)處理通道，信號(hào)發(fā)射通道發(fā)出的激光信號(hào)輸入到端口 I后由端口 II輸出至信號(hào)接收通道，信號(hào)接收通道接收到的回波信號(hào)輸入到端口II由端口III輸出至信號(hào)處理通道。所述信號(hào)發(fā)射通道包括脈沖光纖激光器和光隔離器，脈沖光纖激光器為全光纖結(jié)構(gòu)，用于發(fā)出激光信號(hào)及對(duì)激光信號(hào)的脈寬和功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用全光纖結(jié)構(gòu)脈沖激光器作為信號(hào)源，具有高重頻、高平均功率、脈寬、功率可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，光束質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無需水冷。所述光隔離器為光纖隔離器，通過光纖熔接與脈沖光纖激光器連接，用于消除回波信號(hào)的對(duì)激光器的影響。所述信號(hào)接收通道包括沿所述激光信號(hào)傳播方向依次設(shè)置的傳導(dǎo)光纖、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括目鏡和物鏡，傳導(dǎo)光纖位于目鏡的前焦面處，與目鏡完成光纖稱合器功倉泛。所述傳導(dǎo)光纖為粗纖芯的多模光纖，傳導(dǎo)光纖的數(shù)值孔徑NA〉= 0.18，具有大數(shù)值孔徑。所述信號(hào)處理通道包括沿依次設(shè)置的濾波片、雪崩光電二極管、光子計(jì)數(shù)器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。雪崩光電二極管配合濾波片使用具有增益和靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測，增加整體探測能力。所述濾波片為1064nm在線窄帶濾波片，兩端帶光纖輸出封裝。所述雪崩光電二極管為光纖接收端口，用于直接接收光纖信號(hào)或空間光信號(hào)。工作原理:發(fā)出的激光信號(hào)依次通過光學(xué)隔離器、環(huán)形器，并由傳導(dǎo)光纖直接輸出注入到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，準(zhǔn)直擴(kuò)束后射向大氣；被氣溶膠散射的回波信號(hào)通過望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)再次耦合進(jìn)傳導(dǎo)光纖，并經(jīng)過環(huán)形器改變方向，由光纖輸出到濾波片，經(jīng)雪崩光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過后續(xù)光子計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)處理及反演即可獲得所需的氣溶膠特性數(shù)據(jù)。有益效果:本專利技術(shù)提出采用全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)20kHz，皮瓦量級(jí)的信號(hào)探測；具有很高的時(shí)空分辨率，整個(gè)系統(tǒng)體積小，穩(wěn)定性高。脈沖光纖激光器具有較高光束質(zhì)量，重頻高達(dá)20kHz，平均功率為10W，脈寬10?200ns可調(diào)，輸出的1064nm激光適合于米氏散射激光雷達(dá)應(yīng)用，能更快獲得分辨率更高氣溶膠特性數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)內(nèi)部采用光纖傳導(dǎo)信號(hào)，可以更好消除雜散光影響，增加信噪比。可以有效實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測，結(jié)構(gòu)緊促輕便，簡單穩(wěn)定。與目前氣溶膠探測方案相比還具有如下特點(diǎn):1.采用全光纖結(jié)構(gòu)脈沖激光器作為信號(hào)源，具有高重頻、高平均功率、脈寬、功率可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，光束質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無需水冷；2.信號(hào)收發(fā)均采用全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，減小光路損耗，使系統(tǒng)體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單；環(huán)形器的使用可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線同軸，降低了信號(hào)追蹤、捕獲難度。3.雪崩光電二極管配合濾波片使用具有增益和靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測，增加系統(tǒng)的探測能力。4.激光雷達(dá)是一種具有高時(shí)空分辨率、可連續(xù)工作的主動(dòng)遙感設(shè)備，能夠聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)大幅面長時(shí)間氣溶膠變化的監(jiān)測。【附圖說明】圖1是本專利技術(shù)的示意圖。【具體實(shí)施方式】如圖1所示，一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，包括脈沖光纖激光器1、光隔離器2、環(huán)形器3、傳導(dǎo)光纖4、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)5、出射光束6、回波信號(hào)7、濾波片8、雪崩光電二極管9、光子計(jì)數(shù)器10和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)5由目鏡51、物鏡52構(gòu)成，為標(biāo)準(zhǔn)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，同時(shí)作為發(fā)射天線和接收天線；脈沖光纖激光器I為MOPA結(jié)構(gòu)的全光纖脈沖激光器，波長1064nm，平均功率〈10W，重頻<20kHz，脈寬和功率可調(diào)節(jié)，脈沖光纖激光器I重復(fù)頻率從幾十Hz到20kHz，脈寬為10-200ns可調(diào)，脈沖光纖激光器I使本專利技術(shù)氣溶膠雷達(dá)空間分辨率極限能達(dá)到幾十甚至十幾米精度。脈沖光纖激光器I產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)過光隔離器2、環(huán)形器3直接由傳導(dǎo)光纖4散射輸出到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)目鏡51、物鏡52,經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后直接輸出作為出射光束6 ;環(huán)形器3為三端口結(jié)構(gòu)，環(huán)形器的端口 I與光隔離器2連接，環(huán)形器的端口 II所連接的傳導(dǎo)光纖4的端面位于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)5目鏡本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，其特征在于，包括：信號(hào)發(fā)射通道，用于發(fā)出激光信號(hào)；信號(hào)接收通道，用于接收信號(hào)發(fā)射通道發(fā)出的激光信號(hào)以及接收激光信號(hào)出射到大氣中所產(chǎn)生的回波信號(hào)(7)；信號(hào)處理通道，用于將回波信號(hào)(7)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行分析處理；所述信號(hào)發(fā)射通道、信號(hào)接收通道和信號(hào)處理通道均為全光纖結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，其特征在于，包括: 信號(hào)發(fā)射通道，用于發(fā)出激光信號(hào)； 信號(hào)接收通道，用于接收信號(hào)發(fā)射通道發(fā)出的激光信號(hào)以及接收激光信號(hào)出射到大氣中所產(chǎn)生的回波信號(hào)(7)； 信號(hào)處理通道，用于將回波信號(hào)(7)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行分析處理； 所述信號(hào)發(fā)射通道、信號(hào)接收通道和信號(hào)處理通道均為全光纖結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)射通道與信號(hào)接收通道之間設(shè)置環(huán)形器(3)，用于將激光信號(hào)的發(fā)射光路與回波信號(hào)(7)的接收光路同軸，環(huán)形器(3)還與信號(hào)處理通道相連，信號(hào)接收通道接收的回波信號(hào)(7)經(jīng)由環(huán)形器(3)輸送到信號(hào)處理通道。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，其特征在于，所述環(huán)形器(3)為三端口結(jié)構(gòu)，環(huán)形器(3)的端口 I連接信號(hào)發(fā)射通道，環(huán)形器(3)的端口 II連接信號(hào)接收通道，環(huán)形器(3)的端口III連接信號(hào)處理通道，信號(hào)發(fā)射通道發(fā)出的激光信號(hào)輸入到端口 I后由端口 II輸出至信號(hào)接收通道，信號(hào)接收通道接收到的回波信號(hào)(7)輸入到端口II由端口III輸出至信號(hào)處理通道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖激光雷達(dá)氣溶膠探測裝置，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)射通道包括脈沖光纖激光器(I)和光隔離器(2)，脈沖光纖激光器(I...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周軍，盧棟，朱海龍，王國峰，郝麗云，
申請(專利權(quán))人：南京中科神光科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32
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