基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的制作方法

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达。

背景技术：

差分吸收激光雷达以其高的时间分辨率、高的空间分辨率、长探测距离、高测量精度和全天候工作等优点，使其成为大气气体成分测量的主要仪器。差分吸收技术和三维扫描技术的结合，可实现对大气成分的高时空分辨的三维成像，其应用得到越来越多国家和地区的关注。

差分吸收激光雷达通常采用两个工作频率，其中一个频率的激光锁定在气体吸收线处，另外一个频率的激光偏离气体吸收线，通过测量这两束激光的大气回拨信号的差异以反演特定气体的浓度。自20世纪70年代开始，国内外就开展了差分吸收激光雷达的研究，测量的气体成分也多种多样。由于不同气体的吸收谱不同，使用的光源也各不相同，使用的光源包括：CO₂激光器、染料激光器、Ho：YLF激光器、拉曼激光器、Nd:YAG激光器、光参量振荡激光器等。例如：1998年Thomas M.Taczak和Dennis K.Killinger报道了大气水汽和CO₂探测的基于2μm激光器的差分吸收激光雷达，其采用2.006μm的窄线宽的、波长可连续调谐的Ho：YLF激光器。2003年，Michael A.Krainak等人报道了一种积分路径的1.57μm差分吸收激光雷达，光源采用连续波半导体激光器，通过扫描CO₂的吸收线测量CO₂的浓度。2008年，德国A.Amediek等人研制了基于种子注入OPO的1.57μm差分吸收激光雷达，并且首次实现了水平方向的大气的CO₂浓度探测。其采用分布式反馈激光器作为种子光，利用Nd:YAG激光器作为泵浦光，通过KTP非线性晶体将1064nm光转为1.57μm。2009年，Daisuke Sakaizawa等人研制了基于准相位匹配的光参量振荡器的差分吸收激光雷达。2010年，美国NASA的James B.Abshire等人研制了基于光放大器的脉冲差分吸收激光雷达机载系统，其种子光为分布式反馈激光器，其经声光调制器和光放大器后生成峰值功率为25W的脉冲光，并于2013年进行的飞行试验验证了其精度优于1ppmv。

相比于欧美等国，国内差分吸收激光雷达的研制还处于起步阶段。其研制单位有：上海光机所、哈尔滨工业大学、中科院安徽光机所、长春光机所、西南物理所和哈工大光电子技术研究所等。

本发明的发明人经过研究发现：现有的差分吸收激光雷达大多采用窄线宽的相干激光光源，其造价高，结构相对复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，其光源采用非相干光源，该激光雷达具有造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。

本发明是这样实现的：一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，包括：光源模块，第一滤波模块、第二滤波模块、第一光开关、第一分束器、光放大器、出射望远镜、接收望远镜、第一光延时元件、第二滤波模块、衰减器、第二分束器、气体吸收池、第二光延时元件、耦合器、探测器、数据采集模块和数字信号处理模块；

所述光源模块用于输出脉冲光；所述第一滤波模块用于对输入的光信号过滤，输出两个工作波长的激光，一个工作波长位于待测气体吸收线的峰值处，另一个工作波长偏离待测气体吸收线；

光源模块出射的激光经第一滤波模块后输出两个工作波长的激光，一个工作波长位于待测气体吸收线的峰值处，另外一个工作波长偏离待测气体吸收线，这两个工作波长的光源经第一光开关选通后，经第一分束器分成两路，一路用做探测光，另一路用作参考光；所述探测光经光放大器放大后入射到出射望远镜并发射到大气中，所述参考光经衰减器衰减到单光子水平后，由第二分束器分成两路，一路经气体吸收池后进入耦合器；另一路经第二光延时元件延时后进入耦合器；气体吸收池内填充有待测气体，出射激光与大气作用后的大气回波信号被接收望远镜接收后经第一光延时元件延时，从而使回波信号和参考信号在时域上分开；第二滤波模块用于滤除回波信号的大气背景；第一光延时元件输出的回波信号经第二滤波模块滤除大气背景后进入耦合器；耦合器出射的信号由探测器探测，数据采集模块将探测器探测的电信号转换为数字信号，数字信号处理模块根据数据采集模块输出的数字信号反演大气成分信息。

进一步地，所述光源模块包括非相干光源和脉冲调制器，所述非相干光源用于输出连续光，所述脉冲调制器用于将输入的连续光调制为脉冲光。

进一步地，所述光源模块包括非相干光源，所述非相干光源用于输出脉冲光。

进一步地，所述第一滤波模块为滤波器，所述滤波器为波分复用器WDM、布拉格光栅、法布里-帕罗干涉仪或马赫-曾德干涉仪。

进一步地，根据权利要求所述的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，其特征在于，所述非相干光源的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的第一输出端与第二输出端均与第一光开关的输入端连接，第一光开关的输出端与脉冲调制器的输入端连接，脉冲调制器的输出端与第一分束器的输入端连接，第一分束器的第一输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与出射望远镜连接；

第一分束器的第二输出端与衰减器连接，衰减器与第二分束器的输入端连接，第二分束器的第一输出端与气体吸收池的输入端连接，气体吸收池的输出端与耦合器的第一输入端连接，第二分束器的第二输出端与第二光延时元件的第一端连接，第二光延时元件的第二端与耦合器的第二输入端连接；

接收望远镜的输出端与第一光延时元件的第一端连接，第一光延时元件的第二端与第二滤波模块的输入端连接，第二滤波模块的输出端与耦合器的第三输入端连接；

耦合器的输出端与探测器连接，探测器与数据采集模块连接，数据采集模块与数字信号处理模块连接。

进一步地，所述第一滤波模块包括第二光开关、第二布拉格光栅和第三布拉格光栅；

从非相干光源出射的激光经第二光开关-进行选通，从第二光开关-输出的一路激光经第二布拉格光栅-滤出的激光的中心波长位于待测气体吸收线的峰值处，从第二光开关-输出的另外一路激光经第三布拉格光栅-滤出的激光的中心波长偏离待测气体吸收线。

进一步地，所述第二布拉格光栅-、第三布拉格光栅均为光纤布拉格光栅；

所述非相干光源的输出端与第二光开关的输入端连接，第二光开关的第一输出端与第二布拉格光栅-的输入端连接，第二光开关-的第二输出端与第三布拉格光栅-的输入端连接，第二布拉格光栅-的输出端和第三布拉格光栅-的输出端均与第一光开关的输入端连接，第一光开关的输出端与脉冲调制器的输入端连接，脉冲调制器的输出端与第一分束器的输入端连接，第一分束器的第一输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与出射望远镜连接；

第一分束器的第二输出端与衰减器连接，衰减器与第二分束器的输入端连接，第二分束器的第一输出端与气体吸收池的输入端连接，气体吸收池的输出端与耦合器的第一输入端连接，第二分束器的第二输出端与第二光延时元件的第一端连接，第二光延时元件的第二端与耦合器的第二输入端连接；

接收望远镜的输出端与第一光延时元件的第一端连接，第一光延时元件的第二端与第二滤波模块的输入端连接，第二滤波模块的输出端与耦合器的第三输入端连接；

耦合器的输出端与探测器连接，探测器与数据采集模块连接，数据采集模块与数字信号处理模块连接。

进一步地，所述第二滤波模块包括第一光纤布拉格光栅和光纤环形器，第一光延时元件的第二端与光纤环形器的输入端连接，光纤环形器的收发端与第一光纤布拉格光栅连接，光纤环形器的输出端与耦合器的第三输入端连接。

进一步地，所述第二滤波模块为法布里-帕罗干涉仪、马赫泽德干涉仪、分子吸收滤波器、迈克耳孙干涉仪、菲佐型干涉仪或干涉滤光片。

进一步地，所述非相干光源为红外光源，所述光源模块，第一滤波模块、第二滤波模块、第一光开关、第一分束器、光放大器、出射望远镜之间采用光纤连接；所述接收望远镜、第一光延时元件、第二滤波模块、衰减器、第二分束器、气体吸收池、第二光延时元件、耦合器、探测器之间采用光纤连接。

1、本发明使用了非相干的非相干光源作为光源。非相干光源的主要优点为：

1)相比于0.3μm至10μm的激光，1.5μm激光的人眼允许曝光的最大功率最大，更容易实现人眼安全；

2)非相干光源受湍流的影响小，有更高的精确度；

3)宽谱非相干光源可以降低光纤光学中的非线性效应，获得很大的出射功率。

2、本发明采用波分复用技术。通过第一滤波模块选通需要的激光中心波长，这一结构便于气体差分吸收激光雷达功能的集成化。

3、本发明使用了气体吸收池或称为复合气体腔来校准中心波长的偏移。通过向复合气体腔中填充待测气体，实现系统中心波长偏移的监测和校准。

4、本发明使用了时分复用技术，通过第一光延时元件和第二光延时元件的使用，从而使参考激光经气体吸收池15的信号、参考激光的能量检测信号、大气的回波信号在时域上先后进入探测器探测，仅使用单个探测器完成了对参考光和信号光的同时探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例1提供的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构示意图；

图3是本发明实施例3提供的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构示意图；

图4是本发明实施例4提供的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

图1是本发明实施例提供的一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构框图，如图1所示，包括：光源模块，第一滤波模块、第二滤波模块、第一光开关3、第一分束器6、光放大器7、出射望远镜8、接收望远镜9、第一光延时元件10、第二滤波模块、衰减器13、第二分束器14、气体吸收池15、第二光延时元件16、耦合器17、探测器18、数据采集模块19和数字信号处理模块20；

所述光源模块用于输出脉冲光。

在一个可选的实施例中，如图1所示，光源模块包括非相干光源1和脉冲调制器4，所述非相干光源1用于输出连续光，所述脉冲调制器4用于将输入的连续光调制为脉冲光。脉冲调制器4包括但不限于声光调制器、电光调制器和强度调制器，脉冲调制器4由脉冲信号发生器5驱动。

所述第一滤波模块用于对输入的光信号过滤，输出两个工作波长的激光，一个工作波长位于待测气体吸收线的峰值处，另一个工作波长偏离待测气体吸收线。位于待测气体吸收线的峰值处的激光可以表示为on激光，偏离待测气体吸收线的激光可以表示为off激光。

本发明采用非相干的非相干光源，通过滤波器对非相干谱进行提取，可对吸收谱位于该频谱范围的气体进行检测。待测气体包括但不限于水汽、CO₂、HCN、CO、CH₄。只要待测气体吸收线位于非相干光源频谱范围，均可采用本发明的激光雷达进行测量。

光源模块出射的激光经滤波模块后输出两个工作波长的激光，一个工作波长位于待测气体吸收线的峰值处，另外一个工作波长偏离待测气体吸收线，这两个工作波长的光源经第一光开关3选通后，经第一分束器6分成两路，一路用做探测光，另一路用作参考光；第一光开关3用于选通on激光和off激光，从而使这两个激光在时域上分开。所述探测光经光放大器7放大后入射到出射望远镜8并发射到大气中。衰减器13用于将参考光衰减到单光子水平，从而防止参考光信号过强损害探测器18。所述参考光经衰减器13衰减到单光子水平后，由第二分束器14分成两路，一路经气体吸收池15后进入耦合器17；另一路经第二光延时元件16延时后进入耦合器17。气体吸收池15用于标定出射激光，其气体成分和待探测的大气成分一致。气体吸收池15内填充有待测气体，出射激光与大气作用后的大气回波信号被接收望远镜9接收后经第一光延时元件10延时，从而使回波信号和参考信号在时域上分开；第二滤波模块用于滤除背景噪声；第一光延时元件10输出的回波信号经第二滤波模块滤除大气背景后进入耦合器17；耦合器17出射的信号由探测器18探测，数据采集模块19将探测器18探测的电信号转换为数字信号，数字信号处理模块20根据数据采集模块19输出的数字信号反演大气成分信息。

在一个可选的实施例中，如图1所示，所述第一滤波模块为滤波器2，所述滤波器2为波分复用器WDM、布拉格光栅、法布里-帕罗干涉仪或马赫-曾德干涉仪。

在一个可选的实施例中，所述滤波器2为光纤器件，波分复用器WDM为光纤波分复用器WDM、布拉格光栅为光纤布拉格光栅、法布里-帕罗干涉仪为光纤法布里-帕罗干涉仪；马赫-曾德干涉仪为光纤马赫-曾德干涉仪。

所述非相干光源1的输出端与滤波器2的输入端连接，滤波器2的第一输出端与第二输出端均与第一光开关3的输入端连接，第一光开关3的输出端与脉冲调制器4的输入端连接，脉冲调制器4的输出端与第一分束器6的输入端连接，第一分束器6的第一输出端与光放大器7的输入端连接，光放大器7的输出端与出射望远镜8连接。

第一分束器6的第二输出端与衰减器13连接，衰减器13与第二分束器14的输入端连接，第二分束器14的第一输出端与气体吸收池15的输入端连接，气体吸收池15的输出端与耦合器17的第一输入端连接，第二分束器14的第二输出端与第二光延时元件16的第一端连接，第二光延时元件16的第二端与耦合器17的第二输入端连接。

接收望远镜9的输出端与第一光延时元件10的第一端连接，第一光延时元件10的第二端与第二滤波模块的输入端连接，第二滤波模块的输出端与耦合器17的第三输入端连接；

耦合器17的输出端与探测器18连接，探测器18与数据采集模块19连接，数据采集模块19与数字信号处理模块20连接。

数据采集模块19可以是数据采集卡，也可以是其他类型的模数转换器件ADC。

数字信号处理模块20根据数据采集模块19输出的数字信号反演大气成分信息是指，数字信号处理模块20根据数据采集模块19输出的数字信号反演待测气体的信息。数字信号处理模块20包括但不限于计算机、单片机、DSP、FPGA。

在一个可选的实施例中，如图1所示，所述第二滤波模块包括第一光纤布拉格光栅12和光纤环形器11，第一光延时元件10的第二端与光纤环形器11的输入端连接，光纤环形器11的收发端与第一光纤布拉格光栅12连接，光纤环形器11的输出端与耦合器17的第三输入端连接。

第一光延时元件10和第二光延时元件16用于调节参考激光信号和大气回波信号的延时，从而使参考激光经气体吸收池15的信号、参考光的能量检测信号、大气的回波信号在时域上先后进入探测器探测。在一个可选的实施例中，第一光延时元件10为延时光纤，第二光延时元件16为延时光纤。

在一个可选的实施例中，第一分束器6和第二分束器14为光纤分束器。

在一个可选的实施例中，探测器18为单光子探测器，其包括但不限于InGaAs探测器、频率上转换单光子探测器、超导纳米线单光子探测器。

在一个可选的实施例中，所述非相干光源1为红外光源，所述光源模块，第一滤波模块、第二滤波模块、第一光开关3、第一分束器6、光放大器7、出射望远镜8之间采用光纤连接；所述接收望远镜9、第一光延时元件10、第二滤波模块、衰减器13、第二分束器14、气体吸收池15、第二光延时元件16、耦合器17、探测器18之间采用光纤连接。

在一个可选的实施例中，所述非相干光源1输出的激光波长为1.5um；所述光放大器7为掺铒光纤放大器EDFA。

需要说明的是，本发明的光学器件可以是光纤器件，也可以是传统光学器件。例如，第一分束器和第二分束器可以是棱镜等分束器，也可以是光纤分束器。非相干光源可以是光纤激光器，也可以是非光纤的激光器。

本发明提供的基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达具有如下有益效果：

1、本发明使用了非相干的非相干光源作为光源。非相干光源的主要优点为：

1)相比于0.3μm至10μm的激光，1.5μm激光的人眼允许曝光的最大功率最大，更容易实现人眼安全；

2)非相干光源受湍流的影响小，有更高的精确度；

3)宽谱非相干光源可以降低光纤光学中的非线性效应，获得很大的出射功率。

2、本发明采用波分复用技术。通过第一滤波模块选通需要的激光中心波长，这一结构便于气体差分吸收激光雷达功能的集成化。

3、本发明使用了气体吸收池或称为复合气体腔来校准中心波长的偏移。通过向复合气体腔中填充待测气体，实现系统中心波长偏移的监测和校准。

4、本发明使用了时分复用技术，通过第一光延时元件和第二光延时元件的使用，从而使参考激光经气体吸收池15的信号、参考激光的能量检测信号、大气的回波信号在时域上先后进入探测器探测，仅使用单个探测器完成了对参考光和信号光的同时探测。

实施例2

图2是本发明实施例提供的另外一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构框图，实施例2与实施例1的区别在于光源模块的具体形式，如图2所示，所述光源模块包括非相干光源1，所述非相干光源1用于输出脉冲光。在实施例2中，由于非相干光源1输出脉冲光，因此，本实施例中不需要脉冲调制器。本实施例的其余部分与实施例1相同，不再赘述。

实施例3

图3是本发明实施例提供的另外一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构框图，实施例3与实施例1的区别在于第一滤波模块的具体形式。

如图3所示，所述第一滤波模块包括第二光开关2-1、第二布拉格光栅2-2和第三布拉格光栅2-3；

从非相干光源1出射的激光经第二光开关2-1进行选通，从第二光开关2-1输出的一路激光经第二布拉格光栅2-2滤出的激光的中心波长位于待测气体吸收线的峰值处，从第二光开关2-1输出的另外一路激光经第三布拉格光栅2-3滤出的激光的中心波长偏离待测气体吸收线。

在一个可选的实施例中，所述第二布拉格光栅2-2、第三布拉格光栅2-3均为光纤布拉格光栅。

所述非相干光源1的输出端与第二光开关2-1的输入端连接，第二光开关2-1的第一输出端与第二布拉格光栅2-2的输入端连接，第二光开关2-1的第二输出端与第三布拉格光栅2-3的输入端连接，第二布拉格光栅2-2的输出端和第三布拉格光栅2-3的输出端均与第一光开关3的输入端连接，第一光开关3的输出端与脉冲调制器4的输入端连接，脉冲调制器4的输出端与第一分束器6的输入端连接，第一分束器6的第一输出端与光放大器7的输入端连接，光放大器7的输出端与出射望远镜8连接；

第一分束器6的第二输出端与衰减器13连接，衰减器13与第二分束器14的输入端连接，第二分束器14的第一输出端与气体吸收池15的输入端连接，气体吸收池15的输出端与耦合器17的第一输入端连接，第二分束器14的第二输出端与第二光延时元件16的第一端连接，第二光延时元件16的第二端与耦合器17的第二输入端连接；

接收望远镜9的输出端与第一光延时元件10的第一端连接，第一光延时元件10的第二端与第二滤波模块的输入端连接，第二滤波模块的输出端与耦合器17的第三输入端连接；

耦合器17的输出端与探测器18连接，探测器18与数据采集模块19连接，数据采集模块19与数字信号处理模块20连接。

除第一滤波模块外，本实施例的其余部分均与实施例1相同，不再赘述。当然，本实施例中的光源模块也可采用实施例2中光源模块的形式。

实施例4

图4是本发明实施例提供的另外一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达的结构框图，实施例4与实施例1的区别在于第二滤波模块的具体形式。

如图4所示，所述第二滤波模块还可以是第二滤波元件122，第二滤波元件122为法布里-帕罗干涉仪、马赫泽德干涉仪、分子吸收滤波器、迈克耳孙干涉仪、菲佐型干涉仪或干涉滤光片。优选的，所述第二滤波模块为光纤器件，即法布里-帕罗干涉仪为光纤法布里-帕罗干涉仪、马赫泽德干涉仪为光纤马赫泽德干涉仪、分子吸收滤波器为光纤分子吸收滤波器、迈克耳孙干涉仪为光纤迈克耳孙干涉仪、菲佐型干涉仪为光纤菲佐型干涉仪。

第一光延时元件10的第二端与第二滤波元件的输入端连接，第二滤波元件的输出端与耦合器17的第三输入端连接。

除第一滤波模块外，本实施例的其余部分均与实施例1相同，不再赘述。当然，本实施例中的光源模块也可采用实施例2中光源模块的形式；本实施例中的第一滤波模块也可采用实施例3中第一滤波模块的形式，不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。