测量大气二氧化碳浓度的差分吸收激光雷达系统的制作方法

本专利涉及一种测量二氧化碳浓度的激光雷达系统。尤其涉及了用啁啾波形声光调制的测量大气二氧化碳浓度的差分吸收激光雷达系统

背景技术：

差分吸收激光雷达同时发射两种波长的激光束，其一波长位于1572nm波段大气二氧化碳的光谱吸收峰上，称之为探测波长；其二波长位于1572nm波段大气二氧化碳光谱的两个相邻吸收峰之间的谷底，称之为参考波长。探测波长和参考波长相差很小。

根据差分吸收激光雷达方程可以知道，测量大气空气柱的二氧化碳浓度必须得到发射光功率与回波光功率的探测波长与参考波长的光强度比值和空气柱的长度。有关探测大气二氧化碳柱浓度的激光雷达系统，已有专利号2015100288831，采用电光调制器正弦波调制发射激光的强度，但是电光调制器的直流偏置电压不稳，寄生波形使得回波失真。该系统可以得到探测波长和参考波长经过一段大气柱的光强度比值，但是不能获得空气柱的长度，需要额外的测距单元。因此，如何弥补这一缺陷，正是本专利所要解决的核心问题。

技术实现要素：

本专利旨在提出一种啁啾波形声光调制的差分吸收激光雷达系统，能解决电光调制造成波形失真的问题，并且不需要额外的测距单元，能同时测量大气二氧化碳的柱浓度和距离。

本专利所述的激光雷达系统如附图1所示，包括波长控制器1，探测激光器2，参考激光器3，第一声光调制器4，第二声光调制器5，啁啾信号发生器6，光纤合束器7，光纤放大器8，准直镜9，望远镜10，第一光电探测器11，第二光电探测器12，采集卡13和上位机14，第一光纤分束器15，第二光纤分束器16，第三光纤分束器17。

系统测量原理如下：波长控制器1采用光谱调制稳频技术；波长控制器1的控制通道1将探测激光器2的波长控制在1572.335nm，波长控制器1的控制通道2将参考激光器3的波长控制在1572.180nm；探测激光器2的激光通过第一光纤分束器15分为1％能量和99％能量两路激光，其中1％能量的激光反馈到波长控制器1的反馈通道1，99％能量的激光接入第一声光调制器4的输入端；参考激光器3的激光通过第二光纤分束器16分为1％能量和99％能量两路激光，其中1％能量的激光反馈到波长控制器1的反馈通道2，99％能量的激光接入第二声光调制器5的输入端；啁啾信号发生器6产生第一啁啾信号I1和第二啁啾信号I2，其中I1输入到第一声光调制器4的驱动端，I2输入到第二声光调制器5的驱动端，同时I1和I2保存到上位机14中；第一声光调制器4对探测激光器2的激光进行啁啾强度调制；第二声光调制器5对参考激光器3的激光进行啁啾强度调制；第一声光调制器4输出端的探测调制激光和第二声光调制器5输出端的参考调制激光通过70:30的光纤合束器7耦合，其中70％接第一声光调制器4输出端，30％接第二声光调制器5输出端；光纤放大器8将光纤合束器7耦合后的输出激光进行功率放大，功率放大后的激光通过第三光纤分束器17后分为1％能量和99％能量两路激光，1％能量激光输入到第一光电探测器11中，99％能量通过准直镜9发射出去；望远镜10接收到回波光信号；望远镜10输出端接入第二光电探测器12的输入端；采集卡13采集第一光电探测器11输出端的发射监视模拟信号I′3和第二光电探测器12输出端的回波模拟信号I′4，上位机14通过网口传输接收采集卡13采集后的发射监视数字信号I3和回波数字信号I4；上位机14对I1，I2，I3，I4数据处理后得到二氧化碳浓度和距离。

所述波长控制器1为双通道反馈控制器，采用光谱调制稳频技术，能控制探测激光器2和参考激光器3的波长，满足本专利要求。

所述探测激光器2和参考激光器3是波长在1572nm可调谐激光器，采用外腔可调谐激光器ECDL或者分布式反馈激光器DFB。

所述第一声光调制器4和第二声光调制器5，其工作波长覆盖激光器的波长，其线性度满足调制要求。

所述啁啾信号发生器6，生成第一啁啾信号I1和第二啁啾信号I2。

所述光纤合束器7是30:70合束器，其工作频率覆盖激光器的波长。

所述光纤放大器8是掺铒光纤放大器，其工作波长符合激光器的波长，其出射功率满足测量要求。

所述准直镜9，可以将出射的激光变为平行光。

所述望远镜10，采用反射式牛顿望远镜或者卡塞格林望远镜。

所述第一光电探测器11和第二光电探测器12采用InGaAs单元探测器。

所述采集卡13是AD采集卡，其采样率和采样精度满足要求。

所述上位机14是普通的PC机。

所述第一光纤分束器15，第二光纤分束器16，第三光纤分束器17是1：99分束器，其工作频率覆盖激光器的波长。

系统的数据处理方法如下：①I1与I3混频后做快速傅里叶变换，得到参考波长的发射强度Eoff；②I2与I3混频后做快速傅里叶变换，得到参考波长的发射强度Eon；③I1与I4混频后做快速傅里叶变换，得到参考波长的回波强度Soff；④I2与I4混频后做快速傅里叶变换，得到探测波长的回波强度Son；⑤得到二氧化碳浓度其中空气柱的距离其中τ为发射与接收之间时间差，由I3与I4的互相关函数得到，c为光速；Δσ为二氧化碳吸收截面差，由HITRAN数据库获得；Nair为空气分子密度，由理想气体状态方程获得，其中p为气体压强，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

本专利的有益效果在于：

1.系统的数据处理全部由上位机14完成，减少了一系列硬件设备的需要，系统简单易操作；

2.采用啁啾波声光调制，保证波形稳定，能测量3公里以内的二氧化碳浓度和距离；

3.波长控制单元1采用光谱调制稳频技术，保证系统能长时间工作。

附图说明

图1为本系统的系统结构图，图中：1-波长控制器，2-探测激光器，3-参考激光器，4-第一声光调制器，5-第二声光调制器，6-啁啾信号发生器，7-光纤合束器，8-光纤放大器，9-准直镜，10-望远镜，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-采集卡，14-上位机，15-第一光纤分束器，16-第二光纤分束器，17-第三光纤分束器。

图2上位机处理与显示流程图。

具体实施方式

根据发明内容所述方法，我们设计了一套差分吸收激光雷达系统，其中波长控制器1为自行研制的双通道反馈控制器，波长控制精度高于0.01nm；探测激光器2和参考激光器3为自行研制的单模保偏DFB激光器，其波长覆盖1572nm，输出功率大于10mW；第一声光调制器4和第二声光调制器5为中国电子科技集团第二十六研究所的SGTF80-1645-1P保偏光纤声光调制器；啁啾信号发生器6采用DDS直接数字频率合成器9859器件生成，产生第一啁啾信号I1和第二啁啾信号I2，其中I1的起始频率f0为200kHz，调制带宽B为400kHz，调制周期T为50ms；I2的起始频率f1为210kHz，调制带宽B为400kHz，调制周期T为50ms；光纤合束器7为WBC型的30:70的单模保偏光纤耦合器；光纤放大器8是合肥脉锐光电技术有限公司研制的EDFA-BA-33-B-1573掺铒光纤放大器；准直镜9是THORLABS公司生产的1550nm单模尾纤GRIN光纤准直镜；望远镜10是Sky-Watcher公司的卡塞格林望远镜；第一光电探测器11和第二光电探测器12是带宽1M，具有500mV/W光电转换能量的InGaAs探测器；采集卡13是自行研制的采样率15Msps，分辨率16bit的双通道AD采集卡；第一光纤分束器15，第二光纤分束器16和第三光纤分束器17为WBC型的1:99的单模保偏光纤耦合器。

如图2所示，上位机14处理与显示步骤如下：步骤18由啁啾信号发生器6产生的第一啁啾信号I1和第二啁啾信号I2保存于上位机14中；步骤19上位机14通过网口传输接收采集卡13采集后的发射监视数字信号I3和回波数字信号I4；步骤20上位机14检验数据格式，若数据格式正确，进入步骤21解析数据为发射监视数字信号I3和回波数字信号I4，若数据格式不正确，则返回步骤19；步骤22上位机14进行数据处理：I3与I4的互相关函数得到发射与接收之间的距离值R；I1与I3混频后做快速傅里叶变换，得到参考波长的发射强度Eoff；I2与I3混频后做快速傅里叶变换，得到探测波长的发射强度Eon；I1与I4混频后做快速傅里叶变换，得到参考波长的回波强度Soff；I2与I4混频后做快速傅里叶变换，得到探测波长的回波强度Son；最后根据公式1得到二氧化碳浓度。步骤23上位机14显示与刷新二氧化碳浓度值与距离值，返回步骤19。