一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器的制作方法

[0001]
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器。


背景技术：

[0002]
高光谱分辨率激光雷达技术(high-spectral-resolution lidar，hsrl)是在米散射雷达技术的基础上发展而来的一种高精度气溶胶探测技术，主要利用气溶胶散射谱宽不同于其他散射谱，通过使用单频率脉冲激光器，高分辨率的干涉仪、原子吸收滤光器或分子吸收滤光器等精细光谱分辨技术，从大气散射信号中分离米散射和瑞利散射光谱(谱宽与大气温度有关)信号，不需要假设大气的状态，就可以直接导出消光系数。因此能够克服单纯米散射激光雷达的缺陷，从而达到精确探测气溶胶光学特性的目的。高光谱分辨率激光雷达技术对分光系统精确度和中心谱线的稳定度要求高，需要窄线宽的种子注入激光器，对激光波长的稳定性要求较高，基于上述原因，提出高精度的鉴频和锁频系统，实现高光谱探测。
[0003]
传统的鉴频系统采用固定腔空气隙fabry-perot标准具(f-p)的技术方案，fabry-perot标准具主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板组成，两板的内表面镀反射膜。为了得到尖锐的干涉条纹，两镀膜面应保持平行。如果两板之间的光程固定，称为固定式fabry-perot标准具；如果两板之间的光程可以调节，则称为可调谐式fabry-perot标准具。
[0004]
常规鉴频器采用固定式fabry-perot标准具，无法实现透过率调节、带宽调节、精细度调节等；而采用可调谐式fabry-perot标准具的鉴频器通常采用调节标准具温度或者角度实现透过率调节、带宽调节、精细度调节等。采用上述两种方法的常规鉴频器非常容易受到外界环境影响，而且带宽只能达到ghz量级。


技术实现要素：

[0005]
本发明是为了解决现有鉴频器环境适应性差、精细度低、带宽宽的问题，提供一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，通过综控电路控制，采用pzt实时控制双波长锁定共焦腔设计，实现低频噪声和高频噪声的补偿，提高鉴频器环境适应性，并在满足高光谱雷达带宽的前提下，实现高精度的鉴频。具有补偿低频噪声和高频噪声的能力，具有高环境适应性、窄带宽、高精度鉴频的优点，带宽可以达到mhz量级。
[0006]
本发明提供一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，包括共焦腔镜，连接在共焦腔镜一侧的压电陶瓷，设置在共焦腔镜另一侧的光电探测器和与压电陶瓷、光电探测器均电连接的综控电路；
[0007]
共焦腔镜包括平行放置的第一共焦腔镜和第二共焦腔镜，第一共焦腔镜、第二共焦腔镜为曲率相同并镀有相同激光透过率介质膜的凹面镜，第一共焦腔镜、第二共焦腔镜均放置在镜片焦平面处并且与压电陶瓷组成使激光自再现的共焦腔；
[0008]
压电陶瓷用于在综控电路的控制下进行第一模式激光扫描和第二模式激光扫描，
第二模式激光扫描的扫描范围小于第一模式扫描的扫描范围；
[0009]
光电探测器用于监测通过共焦腔的锁频激光并将产生的谐振信号反馈给综控电路；
[0010]
综控电路用于通过控制压电陶瓷步长控制共焦腔腔长，综控电路用于接收光电探测器反馈的谐振信号并通过第一模式激光扫描和第二模式激光扫描双重结合控制共焦腔腔长以对雷达探测到的回波光进行鉴频。
[0011]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，锁频激光为单频激光且沿垂直于共焦腔镜方向入射，穿过压电陶瓷和共焦腔，入射到光电探测器；
[0012]
回波光沿垂直于共焦腔镜方向入射，在综控电路控制下，穿过压电陶瓷和共焦腔，入射到光电探测器。
[0013]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，鉴频器使用方法包括如下步骤：
[0014]
s1、共焦腔粗扫描：综控电路设置在粗扫描状态，综控电路控制压电陶瓷进行第一模式激光扫描，当锁频激光沿垂直共焦腔的方向入射时，锁频激光穿过共焦腔后射向光电探测器，光电探测器探测到锁频激光并产生谐振信号反馈给综控电路；
[0015]
s2、共焦腔细扫描：综控电路接到谐振信号后进入细扫描状态，综控电路控制压电陶瓷进行第二模式激光扫描，锁频激光穿过共焦腔后射向光电探测器，光电探测器探测到锁频激光并产生精确谐振信号反馈给综控电路；
[0016]
s3、修正及鉴频：综控电路根据精确谐振信号，通过算法修正532nm谐振峰和1064nm谐振峰位置，保持共焦腔腔长不变，探测雷达532nm回波信号完成鉴频。
[0017]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，步骤s1中，粗扫描状态为等分扫描，对应共焦腔腔长等间隔连续变化，寻找谐振主峰，谐振信号是根据比较算法判断谐振峰满足谐振主峰条件后发出的信号。
[0018]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，步骤s2中，细扫描状态为根据谐振主峰对应的压电陶瓷驱动电压，将压电陶瓷扫描电压范围压缩到全范围的四分之一并且根据算法进行的等分不变。
[0019]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，第一共焦腔镜、第二共焦腔镜材质为jgs1、zf6、k9玻璃中的一种；
[0020]
光电探测器使用高速si光电探测器。
[0021]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，压电陶瓷为多芯片粘合而成的分离式环形促动器，压电陶瓷两端装有陶瓷端板并采用金属封装。
[0022]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，压电陶瓷步进精度为0.1nm，压电陶瓷行程为5～10μm。
[0023]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，综控电路为cpld、arm、fpga模块中的一种。
[0024]
本发明所述的一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，作为优选方式，介质膜为1064nm激光和532nm激光透过率的介质膜，锁频激光波长为1064nm，回波光波长为
532nm。
[0025]
本发明具有以下优点：
[0026]
(1)本发明通过综控电路控制，采用pzt(压电陶瓷)实时控制双波长锁定共焦腔设计，实现低频噪声和高频噪声的补偿，提高鉴频器环境适应性，并在满足高光谱雷达带宽的前提下，实现高精度的鉴频。
[0027]
(2)本发明通过一种新的共焦激光鉴频器设计方法，解决了现有鉴频器环境适应性差、精细度低、带宽宽的问题，具有补偿低频噪声和高频噪声的能力，具有高环境适应性、窄带宽、高精度鉴频的优点，带宽可以达到mhz量级。
附图说明
[0028]
图1为一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器结构示意图；
[0029]
图2为一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器结构使用方法流程图；
[0030]
图3为一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器工作逻辑示意图。
[0031]
附图标记：
[0032]
1、共焦腔镜；11、第一共焦腔镜；12、第二共焦腔镜；2、压电陶瓷；3、光电探测器；4、综控电路。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
实施例1
[0035]
如图1所示，一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，包括共焦腔镜1，连接在共焦腔镜1一侧的压电陶瓷2，设置在共焦腔镜1另一侧的光电探测器3和与压电陶瓷2、光电探测器3均电连接的综控电路4；
[0036]
共焦腔镜1包括平行放置的第一共焦腔镜11和第二共焦腔镜12，第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12为曲率相同并镀有相同激光透过率介质膜的凹面镜，第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12均放置在镜片焦平面处并且与压电陶瓷2组成使激光自再现的共焦腔；
[0037]
压电陶瓷2用于在综控电路4的控制下进行第一模式激光扫描和第二模式激光扫描，第二模式激光扫描的扫描范围小于第一模式扫描的扫描范围；
[0038]
光电探测器3用于监测通过共焦腔的锁频激光并将产生的谐振信号反馈给综控电路4；
[0039]
综控电路4用于通过控制压电陶瓷2步长控制共焦腔腔长，综控电路4用于接收光电探测器3反馈的谐振信号并通过第一模式激光扫描和第二模式激光扫描双重结合控制共焦腔腔长以对雷达探测到的回波光进行鉴频。
[0040]
实施例2
[0041]
如图1所示，一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，包括共焦腔镜1，连接在共焦腔镜1一侧的压电陶瓷2，设置在共焦腔镜1另一侧的光电探测器3和与压电陶瓷2、光电探测器3均电连接的综控电路4；
[0042]
共焦腔镜1包括平行放置的第一共焦腔镜11和第二共焦腔镜12，第一共焦腔镜11、
第二共焦腔镜12为曲率相同并镀有相同激光透过率介质膜的凹面镜，第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12均放置在镜片焦平面处并且与压电陶瓷2组成使激光自再现的共焦腔；
[0043]
第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12材质为jgs1、zf6、k9玻璃中的一种；
[0044]
介质膜为1064nm激光和532nm激光透过率的介质膜，锁频激光波长为1064nm，回波光波长为532nm；
[0045]
压电陶瓷2用于在综控电路4的控制下进行第一模式激光扫描和第二模式激光扫描，第二模式激光扫描的扫描范围小于第一模式扫描的扫描范围；
[0046]
光电探测器3用于监测通过共焦腔的锁频激光并将产生的谐振信号反馈给综控电路4；
[0047]
光电探测器3使用高速si光电探测器；
[0048]
综控电路4用于通过控制压电陶瓷2步长控制共焦腔腔长，综控电路4用于接收光电探测器3反馈的谐振信号并通过第一模式激光扫描和第二模式激光扫描双重结合控制共焦腔腔长以对雷达探测到的回波光进行鉴频；
[0049]
锁频激光为单频激光且沿垂直于共焦腔镜1方向入射，穿过压电陶瓷2和共焦腔，入射到光电探测器3；
[0050]
回波光沿垂直于共焦腔镜1方向入射，在综控电路4控制下，穿过压电陶瓷2和共焦腔，入射到光电探测器3；
[0051]
综控电路4为cpld、arm、fpga模块中的一种。
[0052]
实施例3
[0053]
如图1所示，一种用于高光谱激光雷达的共焦激光鉴频器，包括以下组成部分：第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12，压电陶瓷2，光电探测器3以及综控电路4；
[0054]
共焦腔镜11和12由jgs1玻璃构成，镀有相同1064nm和532nm激光透过率的介质膜，透过率50％～90％，并且相互之间严格平行放置；
[0055]
压电陶瓷2采用多芯片粘合而成的分离式环形促动器，两端装有陶瓷端板，采用金属封装，一端与共焦腔镜1.1连接，步进精度0.1nm，行程5～10μm；
[0056]
第一共焦腔镜11、第二共焦腔镜12和压电陶瓷2组成共焦腔用于对532nm回波光进行鉴频，共焦腔相当于一个空间法布里珀罗标准具；
[0057]
综控电路4连接压电陶瓷2和光电探测器3，控制压电陶瓷2步进实现对腔长的控制，通过光电探测器3监测谐振信号反馈综控电路4；
[0058]
综控电路4初始进入粗扫描状态，控制压电陶瓷2大范围持续周期性扫描，1064nm锁频激光沿垂直共焦腔的方向入射，穿过共焦腔后光电探测器3探测到产生的谐振信号，反馈给综控电路4；
[0059]
综控电路4接到谐振信号反馈，进入细扫描状态，控制压电陶瓷2小范围持续周期性扫描，1064nm锁频激光通过共焦腔后产生的谐振信号精确探测后反馈综控电路4；
[0060]
综控电路4根据反馈，通过算法修正532nm谐振峰和1064nm谐振峰位置，保持腔长不变，探测雷达532nm回波信号完成鉴频。
[0061]
实施例1-3的使用方法，如图2-3所示，包括如下步骤：
[0062]
s1、共焦腔粗扫描：综控电路4设置在粗扫描状态，综控电路4控制压电陶瓷2进行第一模式激光扫描，当锁频激光沿垂直共焦腔的方向入射时，锁频激光穿过共焦腔后射向
光电探测器3，光电探测器3探测到锁频激光并产生谐振信号反馈给综控电路4；
[0063]
粗扫描状态为等分扫描，对应共焦腔腔长等间隔连续变化，寻找谐振主峰，谐振信号是根据比较算法判断谐振峰满足谐振主峰条件后发出的信号；
[0064]
s2、共焦腔细扫描：综控电路4接到谐振信号后进入细扫描状态，综控电路4控制压电陶瓷2进行第二模式激光扫描，锁频激光穿过共焦腔后射向光电探测器3，光电探测器3探测到锁频激光并产生精确谐振信号反馈给综控电路4；
[0065]
细扫描状态为根据谐振主峰对应的压电陶瓷2驱动电压，将压电陶瓷2扫描电压范围压缩到全范围的四分之一并且根据算法进行的等分不变；
[0066]
s3、修正及鉴频：综控电路4根据精确谐振信号，通过算法修正532nm谐振峰和1064nm谐振峰位置，保持共焦腔腔长不变，探测雷达532nm回波信号完成鉴频。
[0067]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。