基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，利用Etalon的透过光谱特征，让宽频的非注入激光脉冲通过Etalon，产生一系列在频率独立的窄带激光，通过光学发射系统将该窄带激光发出。激光测速系统接收待测目标的后向散射回波，经准直后使用偏振光学系统将后向散射光以一定的入射角再次进入Etalon，在Etalon的前面和后面各设置一个光电倍增管，分别称为参考通道和信号通道，两通道的比值与待测目标的速度成正比关系，通过实测两通道的比值，结合测速系统的标定结果，可以获得待测目标的运动速度。该系统相比于现有的系统，具有成本低、工作稳定等优点。
【专利说明】
基于非注入激光器和Eta I on的激光测速系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，属于气象技术领域。
【背景技术】
[0002]多普勒测风激光雷达由于其独特的优势，目前已经得到越来越多的关注和应用。目前多普勒测风激光雷达技术从多普勒频移检测手段上分可以分为直接探测技术和相干探测技术。直接探测技术使用高分辨的光谱设备，如原子分子吸收池、法布里-珀罗干涉仪，利用高分辨光谱设备陡峭的光谱曲线，将激光频率的变化转化为通过的光强的变化。相干探测技术利用光学混频原理，将包含多普勒频移的后向散射光信号与本地光信号进行混频，得到中频信号，对该信号进行傅里叶变化即可以得到多普勒频移。
[0003]无论是直接探测技术还是相干探测技术，系统均使用单频激光器。目前获得单频激光的最常用的办法是种子注入。种子注入的原理是通过技术手段使脉冲激光器出光时不从自发辐射开始，而是在脉冲产生前，给激光器注入模式很好的窄频连续激光，使脉冲激光器在种子激光的基础上起振，该技术称为种子注入技术，用于注入的窄带连续激光称为种子激光器。种子注入技术使得激光器输出的激光具有与种子光相似的特性，具有很窄的线宽。毫无疑问种子注入激光是一种主从激光产生系统，系统包含两个完整的系统，种子激光器和高能脉冲激光，两个系统本身就比较复杂，再考虑需要协同工作，更增加了研制难度。
[0004]因此，用于多普勒测风激光雷达的种子注入激光器，一直是多普勒激光雷达技术发展中的一个障碍。从造价方面，种子注入激光器由于系统复杂，其成本往往是非注入激光器的几倍甚至几十倍。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，使用非注入的激光器结合Etalon进行多普勒频移检测，能够用来测量物体或者大气风速。与传统的激光雷达相比，减小了系统复杂性，降低了研制成本;而且，本系统收发激光均使用一个Etalon，使得系统测量效果与激光频率的变化本身没关系，提高了系统的测量准确性。
[0006]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]本实用新型提供一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，包括作为系统发射光源的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT和微处理器；
[0008]非注入脉冲激光器发出的激光经过扩束器扩束后，传输至第一全反射镜；第一全反射镜反射后的激光再依次经过偏振片、半波片、第一PBS传输至Etalon，其中，偏振片的透振方向平行于反射后激光的偏振方向，调整半波片使得反射后激光的偏振方向与第一PBS的偏振方向平行，使激光完全透过第一 I3BS5Etalon输出的激光依次经过第二 roS、第三I3BS后传输至四分之一波片，其中，第二TOS、第三PBS的偏振方向与Etalon输出的激光的偏振方向平行;激光经四分之一波片后偏振方向旋转45度，再依次经过准直镜、发射接收镜照射在待测物体上，并产生后向散射光;后向散射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三PBS、第三全反射镜传输至分束片，后向散射光经分束片分为两束，一束依次经过第一汇聚透镜和第一 PMT，另一束依次经过第二全反射镜、第一 I3BS、Etalon、第二 PBS、第二汇聚透镜和第二 PMT;第一 PMT、第二 PMT分别与微处理器连接。
[0009]作为本实用新型的进一步优化方案，非注入脉冲激光器的工作波长为532nm。
[0010]作为本实用新型的进一步优化方案，扩束镜的倍率为20。
[0011]作为本实用新型的进一步优化方案，Etalon的自由光谱范围为4GHz，精细度为12。
[0012]作为本实用新型的进一步优化方案，非注入脉冲激光器的光束直径为0.5_，发散角为2.7mrad。
[0013]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0014]I)本实用新型的系统不使用种子注入激光进行速度测量，减小了测速系统的复杂度，降低了成本；
[0015]2)本实用新型使用偏振光学系统，使发射系统和接收系统使用同一个Etalon，光谱间距取决于系统入射角度差异，使测速系统不受激光器频率抖动、外界温度的影响，测速更加准确可靠。
【附图说明】
[0016]图1是测速系统示意图。
[0017]图2是激光发射光谱和通过Etalon后的发射光谱，其中，(a)为激光的发射光谱和Eta I on的透过率光谱图，(b)为通过Eta I on以后的光谱图。
[0018]图3是不同入射角时Etalon的透过光谱。
[0019]其中，M1、M2、M3为全反射镜;PBSUPBS2JBS3为偏振分束镜;PMT1、PMT2为光电倍增管。
[0020]图4是不同速度时光电倍增管输出幅度之比。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图以及具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明:
[0022]本实施例中，一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，如图1所示，包括作为系统发射光源的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT和微处理器。本实施例中，根据光路的走向可分为发射系统和反射系统两个部分，其中，发射系统沿光路依次包括非注入脉冲激光器、扩束镜、第一全反射镜M1、第一PBS、Etalon、第二PBS、第三PBS、四分之一波片、准直镜、发射接收镜;反射系统沿光路依次包括发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三PBS、第三全反射镜M3、分束片，分束片后分为两路，一路为第一汇聚透镜、第一 PMT，另一路为第二全反射镜M2、第一 PBS、Etalon、第二 PBS、第二汇聚透镜、第二 PMT。发射系统和接收系统使用同一个Etalon，光谱间距取决于系统入射角度差异，使测速系统不受激光器频率抖动、外界温度的影响，测速更加准确可靠。
[0023]其中，发射光源非注入脉冲激光器是一个532nm脉冲激光器，光束直径为0.5mm，发散角为2.7mrad;扩束镜是一个20倍扩束的光学系统，经过扩束系统后发出高准直的脉冲激光(发散角为0.135mrad)，以保证Etalon能够具有很高的光谱分辨率。
[0024]其中，偏振片和半波片:旋转偏振片使其透振方向平行于激光的偏振方向，可以压缩激光的垂直分量，得到更为纯净的偏振光，减少背景噪声;半波片可用于旋转激光的偏振方向，使激光的偏振方向与后续的三个PBS的偏振方向平行，从而发射激光能顺利通过三个PBS发出，并且后向散射光能经过三个PBS进入各自的探测器，达到发射系统和接收系统共同使用Etalon的目的；
[0025]其中，Etalon:该Etalon自由光谱范围为4GHz，精细度为12，因此该Etalon的透过光谱宽度为4/12=0.33GHz。宽带的激光通过Etalon时，Etalon起到光梳的作用，产生窄带的激光;接收系统中由于接收光对Etalon的入射角度不同于出射光，因此，对接收到的后向散射光，其光谱有一个相对移动，根据熟知的多普勒检测方法中的边缘技术方法，利用该光谱移动可以判别多普勒频移的大小，进而计算得到待测物理的速度。
[0026]其中，三个PBS构成偏振导光系统，根据PBS的特点，可以透过平行偏振光，所以发射光源发射的激光可以顺利通过三个PBS，从而从发射系统发出；而后向散射光，由于偏振方向经四分之一波片变成了垂直偏振的激光，因此不能穿过PBS，而是被其反射，同时经过两个全反射镜(M2和M3)的配合，偏振导光系统将后向散射光引入Etalon，并且进入Etalon的入射角可调，该角度设定为Imrad，用于鉴别多普勒频移；
[0027]其中，四分之一波片、准直镜和发射接收镜，该部分的作用在于将激光以平行光的形式发射出去，同时接收后向散射信号，后向散射信号经准直后，再次经过四分之一波片，四分之一波片的作用在于激光两次通过该波片，偏振方向旋转90°，所以不能穿过PBS，而是被PBS反射，使偏振导光系统生效，及后向散射光沿偏振导光系统进入Etalon。
[0028]其中，第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT构成探测系统，每部分包括一个汇聚透镜和一个光电倍增管(PMT)，其作用在于对分束片分束后的两路光信号(参考光信号和信号光)进行光电转化，以便后级的微处理器进行数据处理，输出待测物体的速度?目息O
[0029]基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统的工作过程如下:首先，采用非注入脉冲激光器作为光源发射激光，并通过扩束镜对激光进行扩束;其次，第一全反射镜对扩束后的激光进行反射，使其能够入射到Etalon;再次，在第一全反射镜与Etalon之间设置偏振片和半波片，在Etalon之前设置第一 PBS，在Etalon之后连续设置第二、第三PBS，其中，偏振片的偏振方向与第一全反射镜反射后激光的偏振方向平行以压缩激光的垂直分量;调整半波片使第一全反射镜反射后激光的偏振方向与后级的三个PBS的偏振方向平行以使激光能够完全通过三个PBS;再次，Etalon的输出激光经过第二和第三PBS后，通过四分之一波片将其偏振方向旋转45度，再经过准直镜和发射接收镜照射到待测物体上产生后向反射光;再次，后向反射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片，经四分之一波片旋转偏振方向后的后向反射光被第三PBS反射;再次，第三全反射镜将被第三PBS反射的后向反射光传输至分束片，分束片将后向散射光分为两束，其中，一束直接经过汇聚透镜传输至第一 PMT;另一束被第二全反射镜反射后依次经过第一 PBS、Etalon、第二 PBS、汇聚透镜传输至第二PMT;再次，第一 PMT和第二 PMT分别将接收到的后向散射光转换为第一和第二电信号后，传输至微处理器进行处理;最后，微处理器根据系统标定得到的第一、第二电信号与待测物体速度之间的函数，计算得到待测物体速度并输出。其中，系统标定的方法为:选取若干不同已知速度的参考物体分别作为待测物体，启动系统后得到若干组第一、第二电信号，拟合得到第一、第二电信号与速度之间的函数，从而完成系统标定，并将函数存放于微处理器。
[0030]基于上述基于非注入激光和Etalon的激光测速系统的进行激光测速方法，包括以下步骤:
[0031 ] I )532nm脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜后压缩发散角，经全反射镜Ml导向Etalon，激光在Etalon上的入射角度可以通过调整Ml来实现，使得激光垂直入射到Etalon上；
[0032]2)旋转偏振片使得偏振片后面光强最大，这时偏振片的透振方向平行于发射激光的偏振方向；
[0033]3)旋转半波片使得发射激光的偏振方向与PBSl的方向匹配，此时发射激光完全通过PBSl；
[0034]4)透射激光照射到Etalon上，由于Etalon透过光谱的特性，导致从Etalon另一端出射的激光在频率上被分为几个独立的峰。如图2所示，其中，(a)是激光的发射光谱和Eta I on的透过率光谱图，(b)是通过Eta I on以后的光谱图；
[0035]5)激光通过Etalon后，由于平行于I3BS的方向，因此，连续穿过roS2、PBS3，经四分之一波片后偏振方向旋转45度；
[0036]6)发射激光通过准直镜、发射接收镜后进入大气中，照射在待测物体上或大气中的气溶胶颗粒物上；
[0037]7)发射激光与具有一定速度的待测物体相互作用，根据多普勒效应原理，后向散射光携带多普勒频移信息；
[0038]8)发射接收镜接收来自待测物体的后向散射，并经过准直镜变为平行光；
[0039]9)后向散射光经过四分之一波片，其偏振方向沿原来的方向旋转45度，使后向散射光的偏振方向垂直于发射激光的偏振方向；
[0040]10)后向散射光被PBS3、全反射镜M2反射，分束片将后向散射光分为两部分，10%的后向散射光经汇聚透镜汇聚后，被PMTl探测；
[0041 ] 11)90%的后向散射光经全反射镜M3和PBSl反射后以一定角度进入Etalon，后向散射光在Etalon上的入射角可以通过M3调整；调整M3角度使Etalon的光谱相对于发射激光的光谱有一个相对移动，产生类似于多普勒激光雷达中边缘技术的效果，如图3所示；
[0042]12)经过Etalon的后向散射信号经PBS3反射后，再经汇聚透镜汇聚，被PMT2探测；
[0043]13)计算PMTl、PMT2的输出值的比值，其比值与多普勒频移有关，根据系统标定结果(比值与待测物体速度的一一对应关系)，即可以得到待测物体的运动速度。
[0044]基于以上的系统及探测方法和步骤，我们在实验室建立了该系统，并利用速度可以调的旋转圆盘作为待测物体进行了测量，测量结果如图4所示，其中，横坐标为圆盘的旋转速度(周/分钟)，根据圆盘的半径和激光入射角度可以直接转化线速度，纵坐标为两通道的比值，可以看出圆盘速度改变时，PMT1、PMT2的输出值的比值发生了变化。图4中的直线为测量点的拟合直线，可以看出PMTl、PMT2的输出值的比值与旋转圆盘的旋转速度具有很好的线性关系，因此，实验室原理实验证明，该激光测速系统是可行的。
[0045]以上所述，仅为本实用新型中的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，包括作为系统发射光源的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT和微处理器； 非注入脉冲激光器发出的激光经过扩束器扩束后，传输至第一全反射镜;第一全反射镜反射后的激光再依次经过偏振片、半波片、第一PBS传输至Etalon，其中，偏振片的透振方向平行于反射后激光的偏振方向，调整半波片使得反射后激光的偏振方向与第一PBS的偏振方向平行，使激光完全透过第一 I3BS; Etalon输出的激光依次经过第二 roS、第三I3BS后传输至四分之一波片，其中，第二PBS、第三I3BS的偏振方向与E talon输出的激光的偏振方向平行;激光经四分之一波片后偏振方向旋转45度，再依次经过准直镜、发射接收镜照射在待测物体上，并产生后向散射光;后向散射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三PBS、第三全反射镜传输至分束片，后向散射光经分束片分为两束，一束依次经过第一汇聚透镜和第一 PMT，另一束依次经过第二全反射镜、第一 roS、Etalon、第二 roS、第二汇聚透镜和第二 PMT;第一 PMT、第二 PMT分别与微处理器连接。2.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，非注入脉冲激光器的工作波长为532nm。3.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，扩束镜的倍率为20。4.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，Etalon的自由光谱范围为4GHz，精细度为12。5.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，非注入脉冲激光器的光束直径为0.5mm，发散角为2.7mrad。
【文档编号】G01S17/58GK205608176SQ201620430829
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】单坤玲, 萨日娜, 卜令兵, 王楠, 张衡衡
【申请人】南京信息工程大学