专利名称：一种全高程大气风温密探测激光雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达，尤其涉及从近地面到110公里全高程范围的大气风场、温度和密度同时探测激光雷达。
背景技术：
从近地面到110公里大气层段，是日-地关系链中的重要环节，也是大气科学和空间环境研究的重要领域。激光雷达由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高、不存在大气探测盲区等独特优点，成为这一层段大气探测的必备手段。全高程大气风场、温度、密度的同时测量，不仅在深入了解地球大气层动力学、光化学过程和全球气候变化等方面具有极其 重要的科学价值，同时，对卫星发射和回收、空间环境预报等具有极其重要的应用价值。利用碘分子(或F-P标准具)多普勒频率鉴别的测风激光雷达，实现了对2(T80km大气风场和温度的同时探测(G. Baumgarten, et. al. Doppler Rayleigh/ Mie/Ramanlidar for wind and temperature measurements in the middle atmosphere up to80km，Atmos. Meas. Tech.，3，1509 1518，2010. Chiao-Yao She, Direct-detectionDoppler wind measurements with a Cabannes - Mie lidar: A. Comparison betweeniodine vapor filter and Fabry Perot interferometer methods, Applied Optics,46(20) : 4434 4443，2007)。利用脉冲染料放大及三频率声光调制的高分辨率钠层风温激光雷达，实现了对80 1 IOkm高空钠层风场和温度的同时探测(Kam S. Arnold, C. Y. She, Metalfluorescence lidar and the middle atmosphere, Contemporary Physics, 2003，44(I):35 49， Chiao-Yao She, et al. Simultaneous three frequency Na lidarmeasurements of radial wind and temperature in the mesopause region, Geophys.Res. Lett. , 21(17): 1771 1774，1994. Hu Xiong, et al. Sodium fluorescenceDoppler lidar to measure atmospheric temperature in the mesopause region.Chinese Sci Bull, 56: 417 423， 2011)。将三台分别利用拉曼散射、瑞利散射和共振荧光的激光雷达联合起来，实现了 I 105 公里夜间温度探测(Temperature lidar measurements from I to 105 kmaltitude using resonance, Rayleigh, and Rotational Raman scattering， Atmos.Chem. Phys. 4:793 800，2004 ；Lidar temperature measurements of gravity wavesover Kiihlungsborn from I to 105 km: A winter-summer comparison, Journal ofGeophysical Research, 111 (D24108), 2006)。利用两次倍频余光复用、双光纤焦面分光和原子滤光等关键技术的全天时、全高程大气探测激光雷达，实现从:TllOkm大气密度同时探测和8(TlIOkm钠层密度全天时探测(全天时、全高程大气探测激光雷达，新型专利号200920083967. 5 ;双波长高空探测激光雷达技术，中国激光，33(5) :601 606，2006)。但是到目前为止，尚未见关于单台激光雷达实现全高程风场、温度、密度同时探测激光雷达的报道。如果利用上述多台激光雷达设备简单堆砌到一起实现全高程风场、温度、密度同时探测，这种多激光器、多望远镜、多采集卡的简单组合方式，一方面会导致系统复杂，造价昂贵，维护费用高等；另一方面，还会由于多台激光雷达设备的一致性和稳定性问题，使得全高程数据反演精度产生额外误差，从而降低系统探测精度和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种全高程大气风温密探测激光雷达。该激光雷达通过借鉴三频率钠层风温激光雷达、碘分子(或标准具)多普勒鉴频测风激光雷达和全天时、全高程大气探测激光雷达等关键技术，再有效融入两次倍频余光复用技术、三方向激光束切换技术、三方向光纤切换技术、时序自动控制技术以及数据反演融合技术，实现了单台激光雷达从近地面到IlOkm全高程大气风场、温度、密度的同时探测，从而进一步增强了单台激光雷达的探测能力，为大气多参量同时连通性探测提供了一种更为有效的设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种全高程大气风温密探测激光雷达由激光发射单元、光学接收单元、信号检测单元组成。激光发射单兀由连续光激光器、声光调制器、脉冲染料放大器、第一直角棱镜、第一三方向激光束切换器、Nd = YAG激光器、二倍频器、双色强光分束器、光吸收器、第二直角棱镜和第二三方向激光束切换器组成。由于从近地面到IlOkm大气层段的空间范围大，单独采用瑞利散射机制或者共振荧光机制方式无法实现全高程的同时探测，须采用532nm激光(瑞利散射机制)和589 nm钠(或770 nm钾)激光(共振突光机制)同时发射，才能实现全高程的多参量的同时激发与回波信号获取。本发明采用一束532 nm激光束用于激发中低空大气分子瑞利散射和多普勒频移，同时获得从近地面到80km大气的风场、温度和密度；另一束589 nm激光束用于激发高空钠层原子的多普勒展宽和频移，获取8(Tll0km层段的风场、温度和密度。Nd: YAG激光器采用种子注入锁定在碘分子吸收谱线上的 NchYAG 激光器(Iodine filter based mobile Doppler lidar to make continuousand full azimuth scanned wind measurements: data acquisition and analysissystem, data retrieval methods, and error analysis, APPLIED OPTICS, 2010,49(36) :6960^6978)，以保证这种激光器输出的532 nm激光波长满足碘分子(或标准具)多普勒频率鉴别的要求。Nd = YAG激光器腔内倍频器出来的532 nm激光经直角棱镜和三方向激光束切换器后发射，用于激发中低空大气分子瑞利散射信息。单模环形腔连续光激光器输出的589 nm激光(钠原子D2线无多普勒饱和荧光光谱的测量，光学学报，2010, 30 (4)，1036^1040)经三频率声光调制器后作为种子光源进入脉冲染料放大器，脉冲染料放大器的泵浦光由Nd = YAG激光器剩余的1064 nm激光经过二倍频器获得第二束532 nm激光，脉冲染料放大器出来的589 nm脉冲激光，经直角棱镜和三方向激光束切换器后发射，用于激发闻空纳层原子。光学接收单元中，由于多普勒风场测量原理限制其只能获得平行于接收望远镜光轴方向的视向风场，要想实现矢量风场测量，必须采用至少两台接收望远镜，这两台望远镜在水平面上的投影正交放置，并与竖直方向呈9角度，0角在15 45度之间，通过数据处理即可反演出大气的三维矢量风场信息。本发明采用三台望远镜，两台望远镜在水平面上的投影正交放置，并与竖直方向呈相同的夹角9，6角在15 45度之间，实现大气风场测量；另一台望远镜竖直放置，不仅可直接获得竖直(天顶)方向的大气温度、密度，还可利用竖直方向风速为零这一特性来校准两斜向风场，进一步提高风场探测精度。每台望远镜焦平面放置2根光纤，采用双光纤焦面分光技术，分别接收532nm和589nm两种波长的回波光，从而实现全高程风场、温度、密度的同时接收和检测。激光发射单元发射的532 nm和589 nm激光束由三方向激光束切换器分时向3个方向发射，发射方向依次平行于光学接收单元的三台接收望远镜的接收视场光轴。在信号检测单元中，由三方向光纤切换器接收的532 nm回波光经过多普勒鉴频器后进入光电探测器，将光信号转换成电信号送入数据采集卡；由另一三方向光纤切换器接收的589 nm回波光经过钠原子滤光器后进入另一光电探测器，将光信号转换成电信号送入另一数据采集卡，这两路数据采集卡由计算机控制和数据存取。计算机控制时序控制器，使得时序控制器一方面控制激光发射、信号采集等的同步，另一方面控制三方向激光束切换器和三方向光纤切换器同步切换，以保证发射和接收对准同一方向，实现三方向分时发射和接收。全高程大气温度、风场的数据处理中，还需采用数据反演融合技术，利用精度较高的钠层温度低端r80km)给精度相对较低的瑞利温度高端一个初始参考温度，以便提高中层大气温度的反演精度；在风场探测中，钠层风场低端和瑞利风场高端都存在较大误差，采用加权平均技术同样也可提高风场的探测精度；利用瑞利密度与激光线宽，可标定钠层密度，有效提高全高程大气多参量探测精度。本发明的优点和效果
一种全高程大气风温密探测激光雷达实现了单台激光雷达从近地面到IlOkm全高程大气风场、温度、密度的全高程同时探测。本激光雷达具有技术方案先进、系统集成度高、工作可靠、使用维护方便等优点。特别是，通过采用二次倍频余光复用技术、双光纤焦面分光技术的有机融合，实现一套激光雷达系统同时发射和接收532 nm和589 nm两束窄线宽脉冲激光，保证了全高程风场、温度、密度的同时探测，并节省了大功率激光器、望远镜等大型精密昂贵部件的采购及维护成本；通过采用三方向光纤切换技术，可有效提高系统在三方向上检测系统的一致性，降低系统误差，提高探测精度；通过采用三方向激光束切换技术，单脉冲能量比分光方式提高3倍，可有效提高系统的信噪比；时序控制器负责控制双波长激光发射和三方向回波信号的同步检测与存储，确保了全高程收发在时间和空间上的一致；通过采用数据反演融合技术，大大提高全高程风场、温度反演精度，为中高层大气观测研究提供一种高性能探测设备，也为临近空间大气环境探测和空间天气监测预报提供了一种有效的新手段。
图I为一种全高程大气风温密探测激光雷达的结构示意图。其中1激光发射单元、101连续光激光器、102声光调制器、103脉冲染料放大器、104第一直角棱镜、105第一三方向激光束切换器、106 二倍频器、107双色强光分束器、108光吸收器、111 Nd = YAG激光器、112第二直角棱镜、113第二三方向激光束切换器；
2光学接收单兀、210第一望远镜、220第二望远镜、230第三望远镜、211第一 589 nm光、纤、212第一 532 nm光纤、221第二 589 nm光纤、222第二 532 nm光纤、231第三589 nm光纤、232第三532 nm光纤、241第一三方向光纤切换器、242第二三方向光纤切换器；
3信号检测单元、301原子滤光器、302第一光电探测器、303第一采集卡、311多普勒鉴频器、312第二光电探测器、313第二采集卡、304计算机和305时序控制器。图2为三方向激光束切换器的结构示意图。其中401电动平移台控制器、402外箱体、403内箱体、404平移导轨、405驱动装置、411第三直角棱镜、412第四直角棱镜、413第一双轴倾斜台、414左限位器、421第五直角棱镜、422第二双轴倾斜台、423中限位器、431第六直角棱镜、432第七直角棱镜、433第三双轴倾斜台、434右限位器。 图3为三方向光纤切换器的结构示意图。其中501第二电动平移台控制器、502第二外箱体、503第二内箱体、504第二平移导轨、505第二驱动装置、511第八直角棱镜、512第一准直镜、513第二左限位器、521第二准直镜、522第二中限位器、531第九直角棱镜、532第三准直镜、533第二右限位器。
具体实施例方式实施例I
一种全高程大气风温密探测激光雷达由激光发射单元I、光学接收单元2、信号检测单元3组成；
激光发射单元I由连续光激光器101、声光调制器102、脉冲染料放大器103、第一直角棱镜104、第一三方向激光束切换器105、二倍频器106、双色强光分束器107、光吸收器108、Nd = YAG激光器111、第二直角棱镜112和第二三方向激光束切换器113组成；连续光激光器101、声光调制器102和脉冲染料放大器103依次同轴放置,第一直角棱镜104的一个直角面与该轴垂直，另一个直角面对准第一三方向激光束切换器105的进光口 ；Nd:YAG激光器111输出532 nm激光的出光口对准第二直角棱镜112的一个直角面，第二直角棱镜112的另一个直角面对准第二三方向激光束切换器113的进光口 ；Nd:YAG激光器111输出1064nm激光的出光口、二倍频器106和光吸收器108依次同轴放置，在二倍频器106和光吸收器108之间放置与该轴向成45度角的双色强光分束器107，双色强光分束器107的反射方向对准脉冲染料放大器103的泵浦光进光口 ；
第一三方向激光束切换器105和第二三方向激光束切换器113的结构相同，三方向激光束切换器由电动平移台控制器401、外箱体402、内箱体403、平移导轨404、驱动装置405、五个直角棱镜411、412、421、431、432、三个限位器414、423、434和三个双轴倾斜台413、422、433组成；外箱体402的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为进光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置左限位器414、右限位器434及中限位器423，外箱体402的底面嵌有左右方向运动的平移导轨404 ;内箱体403底部安置驱动装置405，驱动装置405放置在平移导轨404上；内箱体403由左右面板、后面板和底面板组成，左右面板和后面板的中心处均设有圆孔，内箱体403左右面板与外箱体402左右面板的圆孔圆心同轴，内箱体403左右面板的圆孔处分别安置第三直角棱镜411及第六直角棱镜431，这两个直角棱镜相距60 mnTlOO mm ;三个双轴倾斜台413、422、433分别安置在外箱体402左右面板及后面板圆孔处的外面，三个双轴倾斜台413、422、433上各安置一个直角棱镜412、421,432 ； 当驱动装置405沿平移导轨404向左移动时，内箱体403接触到左限位器414停止，这时，第六直角棱镜431的中心对准外箱体402前面板圆孔的中心，从进光口垂直入射的激光束经第六直角棱镜431反射，反射光正好从内箱体403右面板圆孔及外箱体402右面板圆孔垂直穿出，再经第七直角棱镜432发射；
当驱动装置405沿平移导轨404向右移动时，内箱体403接触到中限位器423停止，这时，外箱体402前后面板圆孔与内箱体403后面板圆孔的中心在一直线上，从进光口垂直入射的激光束经内箱体403后面板圆孔及外箱体402后面板圆孔垂直穿出，再经第五直角棱镜421发射；
当驱动装置405沿平移导轨404继续向右移动时，内箱体403接触到右限位器434而停止，这时，第三直角棱镜411的中心对准外箱体402前面板圆孔的中心，进光口垂直入射的激光束经第三直角棱镜411反射，反射光正好从内箱体403左面板圆孔及外箱体402左面板圆孔垂直穿出，再经第四直角棱镜412发射；
然后驱动装置405回到最左边初始位置，开始下一轮的分时切换工作；
第一三方向激光束切换器105中第四直角棱镜412反射的589 nm激光束与第一望远镜210接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器113中第四直角棱镜412反射的532nm激光束偏离第一望远镜210接收视场的光轴方向I. 5^15毫弧度；第一三方向激光束切换器105中第五直角棱镜421反射的589 nm激光束与第二望远镜220接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器113中第五直角棱镜421反射的532 nm激光束偏离第二望远镜220接收视场的光轴方向I. 5^15毫弧度；第一三方向激光束切换器105中第七直角棱镜432反射的589 nm激光束与第三望远镜230接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器113中第七直角棱镜432反射的532 nm激光束偏离第三望远镜230接收视场的光轴方向I. 5^15毫弧度；
光学接收单元2由三台望远镜210、220、230，六根光纤211、212、221、222、231、232和两台三方向光纤切换器241、242组成；第二望远镜220的接收视场光轴为竖直方向；第一望远镜210接收视场的光轴和第三望远镜230接收视场的光轴在水平面上的投影正交且与第二望远镜220光轴具有相同的夹角0，15° < 9 <45° ;第一 589 nm光纤211和第一532 nm光纤212的进光端并排相距3 30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第一望远镜210的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第一望远镜210接收视场的光轴平行；第二 589 nm光纤221和第二 532 nm光纤222的进光端并排相距3 30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第二望远镜220的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第二望远镜220接收视场的光轴平行；第三589 nm光纤231和第三532 nm光纤232的进光端并排相距3 30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第三望远镜230的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第三望远镜230接收视场的光轴平行；
第一三方向光纤切换器241和第二三方向光纤切换器242的结构相同,三方向光纤切换器由第二电动平移台控制器501、第二外箱体502、第二内箱体503、第二平移导轨504、第二驱动装置505、两个直角棱镜511、531、三个限位器513、522、533和三个准直镜512、521、532组成；第二外箱体502的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为出光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置第二左限位器513、第二中限位器522及第二右限位器533，第二外箱体502的底面嵌有左右方向的第二平移导轨504 ;第二内箱体503底部安置第二驱动装置505，第二驱动装置505放置在第二平移导轨504上；第二内箱体503由左右面板、后面板和底面板组成，第二内箱体503后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，第二外箱体502左右面板与第二内箱体503左右面板的圆孔圆心同轴，第二内箱体503左右面板的圆孔处分别安置第八直角棱镜511及第九直角棱镜531，两个直角棱镜511、531相距60 mnTlOO mm分别固定在第二内箱体503的底板上；第二外箱体502左面板、后面板和右面板圆孔处分别安置一个准直镜，第一准直镜512和第三准直镜532的光轴与第二外箱体502左右面板的圆孔圆心同轴，第二准直镜521的光轴与第二外箱体502前后面板的圆孔圆心同轴；
第一 589 nm光纤211的出光端端面位于第一三方向光纤切换器241的第一准直镜512焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器241的第一准直镜512的光轴同轴；第二 589 nm光纤221的出光端端面位于第一三方向光纤切换器241的第二准直镜521焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器241的第二准直镜521的光轴同轴；第三589 nm光纤231的出光端端面位于第一三方向光纤切换器241的第三准直镜532 焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器241的第三准直镜532的光轴同轴；
第一 532 nm光纤212的出光端端面位于第二三方向光纤切换器242的第一准直镜512焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器242的第一准直镜512的光轴同轴；第二 532 nm光纤222的出光端端面位于第二三方向光纤切换器242的第二准直镜521焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器242的第二准直镜521的光轴同轴；第三532 nm光纤232的出光端端面位于第二三方向光纤切换器242的第三准直镜532焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器242的第三准直镜532的光轴同轴；
当第二驱动装置505沿第二平移导轨504向左移动时，第二内箱体503接触到第二左限位器513停止，这时，第九直角棱镜531的中心对准第二外箱体502前面板圆孔的中心，光束经第三准直镜532进入三方向光纤切换器，经第九直角棱镜531反射，反射光正好从第二外箱体502前面板的出光口垂直穿出；
当第二驱动装置505沿第二平移导轨504向右移动时，第二内箱体503接触到第二中限位器522停止，这时，第二外箱体502前后面板圆孔与第二内箱体503后面板圆孔中心在一直线上，光束经第二准直镜521进入三方向光纤切换器，直接通过第二内箱体503后面板圆孔及第二外箱体502前面板的出光口垂直穿出；
当第二驱动装置505继续沿第二平移导轨504向右移动时，第二内箱体503接触到第二右限位器533而停止，这时，第八直角棱镜511的中心对准第二外箱体502前面板圆孔的中心，光束经第一准直镜512进入三方向光纤切换器，经第八直角棱镜511反射，反射光正好从第二外箱体502前面板的出光口垂直穿出；
检测控制单元3由原子滤光器301、第一光电探测器302、第一采集卡303、多普勒鉴频器311、第二光电探测器312、第二采集卡313、计算机304和时序控制器305组成；原子滤光器301的光轴与光学接收单兀2的第一三方向光纤切换器241的第二外箱体502前后面板圆孔中心同轴，第一光电探测器302的感光面对准原子滤光器301的出光口，第一光电探测器302的输出端与第一采集卡303输入端连接，第一采集卡303信号输出端与计算机304连接；多普勒鉴频器311的光轴与光学接收单元2的第二三方向光纤切换器242的第二外箱体502前后面板圆孔中心同轴，第二光电探测器312的感光面对准多普勒鉴频器311的出光口，第二光电探测器312的输出端与第二采集卡313输入端连接，第二采集卡313信号输出端与计算机304连接；计算机304与时序控制器305输入端连接；
时序控制器305输出端分别连接到激光发射单元I的Nd: YAG激光器111的控制信号输入端、声光调制器102的控制信号输入端、第一三方向激光束切换器105的电动平移台控制器401、第二三方向激光束切换器113的电动平移台控制器401、光学接收单元2的第一三方向光纤切换器241的第二电动平移台控制器501及第二三方向光纤切换器242的第二电动平移台控制器501。一种全高程大气风温密探测激光雷达的工作流程为
激光发射单元I中Nd = YAG激光器111输出532 nm单模脉冲激光经第二直角棱镜112后进入第二三方向激光束切换器113,分时逐方向地发射532 nm激光束,激发大气分子的瑞利散射和多普勒频移信息。三个方向的回波光分时分别被光学接收单元2中望远镜210、220、230接收，并分别聚焦到各自焦平面上的532 nm光纤进光端端口，再经532 nm光纤212、222、232传导进入第二三方向光纤切换器242，同步地将三个方向的回波光送入多普勒鉴频器311，再经第二光电探测器312进行光电信号转换后，其电信号被第二采集卡313采集，最后回波光信息由计算机304存储和处理，获得大气风场、温度、密度信息。激光发射单元I中连续光激光器101产生589 nm单模连续种子激光，经声光调制器102变频后进入脉冲染料放大器103，脉冲染料放大器103所需的532 nm泵浦光由Nd = YAG激光器111首次二倍频后剩余的1064 nm激光，经二倍频器106后再经双色强光分束器107反射后获得，脉冲染料放大器103输出的589 nm单模脉冲激光经第一直角棱镜104反射后进入第一三方向激光束切换器105，分时逐方向地发射589 nm激光束，激发钠层原子的共振荧光和多普勒展宽信息。三个方向的回波光分时分别被光学接收单元2中望远镜210、220、230接收，并分别聚焦到各自焦平面上的589 nm光纤进光端端口，再经589nm光纤211、221、231传导进入第一三方向光纤切换器241，同步地将三个方向的回波光送入原子滤光器301,再经第一光电探测器302进行光电信号转换后,其电信号被第一米集卡303采集，最后回波光信息由计算机304存储和处理，获得钠层风场、温度、密度信息。信号检测单元3的计算机304控制时序控制器305，使得第一三方向激光束切换器105、第二三方向激光束切换器113、第一三方向光纤切换器241及第二三方向光纤切换器242的切换状态一致，实现三个方向分时发射的激光束能够同步发射和接收。
权利要求
1.一种全高程大气风温密探测激光雷达，其特征在于，该激光雷达由激光发射单元(I)、光学接收单元(2)、信号检测单元(3)组成； 激光发射单元(I)由连续光激光器(101)、声光调制器(102)、脉冲染料放大器(103)、第一直角棱镜(104)、第一三方向激光束切换器(105)、二倍频器(106)、双色强光分束器(107)、光吸收器(108)、Nd: YAG激光器(111)、第二直角棱镜(112)和第二三方向激光束切换器(113)组成；连续光激光器(101)、声光调制器(102)和脉冲染料放大器(103)依次同轴放置，第一直角棱镜(104)的一个直角面与该轴垂直，另一个直角面对准第一三方向激光束切换器(105)的进光口 ；Nd:YAG激光器(111)输出532 nm激光的出光口对准第二直角棱镜(112)的一个直角面，第二直角棱镜(112)的另一个直角面对准第二三方向激光束切换器(113)的进光口 ；Nd:YAG激光器(111)输出1064 nm激光的出光口、二倍频器(106)和光吸收器(108)依次同轴放置，在二倍频器(106)和光吸收器(108)之间放置与该轴向成45度角的双色强光分束器(107)，双色强光分束器(107)的反射方向对准脉冲染料放大器(103)的泵浦光进光口 ； 第一三方向激光束切换器(105)和第二三方向激光束切换器(113)的结构相同,三方向激光束切换器由电动平移台控制器(401)、外箱体(402)、内箱体(403)、平移导轨(404)、驱动装置(405)、五个直角棱镜(411)、(412)、(421)、(431)、(432)、三个限位器(414)、(423)、(434)和三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)组成；外箱体(402)的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为进光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置左限位器(414)、右限位器(434)及中限位器(423)，外箱体(402)的底面嵌有左右方向运动的平移导轨(404);内箱体(403)底部安置驱动装置(405)，驱动装置(405)放置在平移导轨(404)上；内箱体(403)由左右面板、后面板和底面板组成，左右面板和后面板的中心处均设有圆孔，内箱体(403)左右面板与外箱体(402)左右面板的圆孔圆心同轴，内箱体(403)左右面板的圆孔处分别安置第三直角棱镜(411)及第六直角棱镜(431)，这两个直角棱镜相距60 mnTlOO mm ;三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)分别安置在外箱体(402)左右面板及后面板圆孔处的外面，三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)上各安置一个直角棱镜(412)、(421)、(432)； 当驱动装置(405)沿平移导轨(404)向左移动时，内箱体(403)接触到左限位器(414)停止，这时，第六直角棱镜(431)的中心对准外箱体(402)前面板圆孔的中心，从进光口垂直入射的激光束经第六直角棱镜(431)反射，反射光正好从内箱体(403)右面板圆孔及外箱体(402)右面板圆孔垂直穿出，再经第七直角棱镜(432)发射； 当驱动装置(405)沿平移导轨(404)向右移动时，内箱体(403)接触到中限位器(423)停止，这时，外箱体(402)前后面板圆孔与内箱体(403)后面板圆孔的中心在一直线上，从进光口垂直入射的激光束经内箱体(403)后面板圆孔及外箱体(402)后面板圆孔垂直穿出，再经第五直角棱镜(421)发射； 当驱动装置(405)沿平移导轨(404)继续向右移动时，内箱体(403)接触到右限位器(434)而停止，这时，第三直角棱镜(411)的中心对准外箱体(402)前面板圆孔的中心，进光口垂直入射的激光束经第三直角棱镜(411)反射，反射光正好从内箱体(403)左面板圆孔及外箱体(402)左面板圆孔垂直穿出，再经第四直角棱镜(412)发射； 然后驱动装置(405)回到最左边初始位置，开始下一轮的分时切换工作；第一三方向激光束切换器(105)中第四直角棱镜(412)反射的589 nm激光束与第一望远镜(210)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第四直角棱镜(412)反射的532 nm激光束偏离第一望远镜(210)接收视场的光轴方向I. 5^15毫弧度；第一三方向激光束切换器(105)中第五直角棱镜(421)反射的589 nm激光束与第二望远镜(220)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第五直角棱镜(421)反射的532nm激光束偏离第二望远镜(220)接收视场的光轴方向I. 5^15毫弧度；第一三方向激光束切换器(105)中第七直角棱镜(432)反射的589 nm激光束与第三望远镜(230)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第七直角棱镜(432)反射的532 nm激光束偏离第三望远镜(230)接收视场的光轴方向I. 5 15毫弧度； 光学接收单元(2)由三台望远镜(210)、(220)、(230)，六根光纤(211)、(212)、(221)、(222)、(231)、(232)和两台三方向光纤切换器(241) 、(242)组成；第二望远镜(2 20)的接收视场光轴为竖直方向；第一望远镜(210)接收视场的光轴和第三望远镜(230)接 收视场的光轴在水平面上的投影正交且与第二望远镜(220)光轴具有相同的夹角9，.15。〈 0〈45。;第一 589 nm光纤(211)和第一 532 nm光纤(212)的进光端并排相距3 30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第一望远镜(210)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均 与第一望远镜(210)接收视场的光轴平行；第二 589 nm光纤(221)和第二 532 nm光纤(222)的进光端并排相距:T30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第二望远镜(220)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第二望远镜(220)接收视场的光轴平行；第三589 nm光纤(231)和第三532 nm光纤(232)的进光端并排相距:T30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第三望远镜(230)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第三望远镜(230)接收视场的光轴平行； 第一三方向光纤切换器(241)和第二三方向光纤切换器(242)的结构相同,三方向光纤切换器由第二电动平移台控制器(501)、第二外箱体(502)、第二内箱体(503)、第二平移导轨(504)、第二驱动装置(505)、两个直角棱镜(511)、(531)、三个限位器(513)、(522)、(533)和三个准直镜(512)、(521)、(532)组成；第二外箱体(502)的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为出光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置第二左限位器(513)、第二中限位器(522)及第二右限位器(533)，第二外箱体(502)的底面嵌有左右方向的第二平移导轨(504);第二内箱体(503)底部安置第二驱动装置(505)，第二驱动装置(505)放置在第二平移导轨(504)上；第二内箱体(503)由左右面板、后面板和底面板组成，第二内箱体(503)后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，第二外箱体(502)左右面板与第二内箱体(503)左右面板的圆孔圆心同轴，第二内箱体(503)左右面板的圆孔处分别安置 第八直角棱镜(511)及第九直角棱镜(531)，两个直角棱镜(511)、(531)相距.60 mnTlOO mm分别固定在第二内箱体(503)的底板上；第二外箱体(502)左面板、后面板和右面板圆孔处分别安置一个准直镜，第一准直镜(512)和第三准直镜(532)的光轴与第二外箱体(502)左右面板的圆孔圆心同轴，第二准直镜(521)的光轴与第二外箱体(502)前后面板的圆孔圆心同轴； 第一589 nm光纤(211)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第一准直镜(512)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第一准直镜(512)的光轴同轴；第二 589 nm光纤(221)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第二准直镜(521)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第二准直镜(521)的光轴同轴；第三589 nm光纤(231)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第三准直镜(532)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第三准直镜(532)的光轴同轴； 第一532 nm光纤(212)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第一准直镜(512)焦平面处,该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第一准直镜(512)的光轴同轴；第二 532 nm光纤(222)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第二准直镜(521)焦平面处,该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第二准直镜(521)的光轴同轴；第三532 nm光纤(232)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第三准直镜(532)焦平面处,该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第三准直镜(532)的光轴同轴； 当第二驱动装置(505)沿第二平移导轨(504)向左移动时，第二内箱体(503)接触到第二左限位器(513)停止，这时，第九直角棱镜(531)的中心对准第二外箱体(502)前面板圆孔的中心，光束经第三准直镜(532)进入三方向光纤切换器，经第九直角棱镜(531)反射，反射光正好从第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出； 当第二驱动装置(505)沿第二平移导轨(504)向右移动时，第二内箱体(503)接触到第二中限位器(522)停止，这时，第二外箱体(502)前后面板圆孔与第二内箱体(503)后面板圆孔的中心在一直线上，光束经第二准直镜(521)进入三方向光纤切换器，直接通过第二内箱体(503)后面板圆孔及第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出； 当第二驱动装置(505)继续沿第二平移导轨(504)向右移动时，第二内箱体(503)接触到第二右限位器(533)而停止，这时，第八直角棱镜(511)的中心对准第二外箱体(502)前面板圆孔的中心，光束经第一准直镜(512)进入三方向光纤切换器，经第八直角棱镜(511)反射，反射光正好从第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出； 检测控制单兀(3)由原子滤光器(301)、第一光电探测器(302)、第一米集卡(303)、多普勒鉴频器(311)、第二光电探测器(312)、第二采集卡(313)、计算机(304)和时序控制器(305)组成；原子滤光器(301)的光轴与光学接收单兀(2)的第一三方向光纤切换器(241)的第二外箱体(502)前后面板圆孔中心同轴，第一光电探测器(302)的感光面对准原子滤光器(301)的出光口，第一光电探测器(302)的输出端与第一采集卡(303)输入端连接，第一采集卡(303)信号输出端与计算机(304)连接；多普勒鉴频器(311)的光轴与光学接收单元(2)的第二三方向光纤切换器(242)的第二外箱体(502)前后面板圆孔中心同轴，第二光电探测器(312)的感光面对准多普勒鉴频器(311)的出光口，第二光电探测器(312)的输出端与第二采集卡(313)输入端连接,第二采集卡(313)信号输出端与计算机(304)连接；计算机(304)与时序控制器(305)输入端连接； 时序控制器(305)输出端分别连接到激光发射单元(I)的Nd = YAG激光器(111)的控制信号输入端、声光调制器(102)的控制信号输入端、第一三方向激光束切换器(105)的电动平移台控制器(401)、第二三方向激光束切换器(113)的电动平移台控制器(401)、光学接收单元(2)的第一三方向光纤切换器(241)的第二电动平移台控制器(501)及第二三方向光纤切换器(242)的第二电动平移台控制器(501)。
2.根据权利要求I所述的一种全高程大气风温密探测激光雷达，其特征在于，所述信号检测单元(3)中多普勒鉴频器(311)采用碘分子鉴频器、双边缘标准具、单边缘标准具或原子鉴频器。
3.根据权利要求I所述的一种全高程大气风温密探测激光雷达，其特征在于，所述光学接收单元(2)中的第一望远镜(210)、第二望远镜(220)和第三望远镜(230)同时采用反射式望远镜、折射式望远镜、折反式望远镜或组合望远镜。
全文摘要
本发明公开了一种全高程大气风温密探测激光雷达。该激光雷达由激光发射单元(1)、光学接收单元(2)、信号检测单元(3)三单元组成。通过采用二次倍频余光复用、双光纤焦面分光、三方向激光束切换、三方向光纤切换、时序控制、数据反演融合技术有机结合，形成全高程大气风温密探测激光雷达。其优点是能实现从近地面到110km高度范围的大气风场、温度、密度多参量同时探测。本发明具有技术方案科学、系统集成度高、自动化程度好、工作可靠和使用方便等优点，为中高层大气研究和中高层大气环境监测提供一种高性能探测手段。
文档编号G01S17/95GK102749627SQ20121017858
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月2日 优先权日2012年6月2日
发明者宋沙磊, 张俊, 李亚娟, 李发泉, 杨勇, 林鑫, 武魁军, 程学武, 龚顺生 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所