可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达的制作方法

本发明涉及气象激光雷达技术领域，具体涉及一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达。

背景技术：

差分吸收激光雷达是一种利用气体的吸收谱线来完成气体含量路径分布的探测设备。其原理是分别发射两种波长非常接近的激光束，其中一个波长在吸收谱线内，称为on-line，另一个波长在吸收谱线外，称为off-line，由于发射能量一致，波长几乎一致，回波能量也均来自于气溶胶米散射，两者的回波比值就可以直接反应出路径吸收的分布情况。

目前的水汽差分吸收激光雷达存在两个问题：一是吸收线一般并不位于常用增益材料的波长范围内，例如nd：yag激光器波长位于1064nm，而不是位于936nm吸收带上，同时还要求较高的激光功率，导致了最终设计必然采用光参量振荡器来完成大能量的非线性波长转换，使得复杂性和造价迅速上升；另一个是光学系统的分光能力和发射激光的线宽提升能力相比相差若干量级，目前激光器线宽可轻易达到0.1pm，而光学滤光片的fwhm却往往在1nm量级，系统带宽和信号带宽严重不匹配，单频激光的窄带优势未能发挥，导致信噪比损失严重，只得提高发射能量依靠上百毫焦的脉冲功率来保持探测距离，故目前的水汽差分吸收激光雷达在经济性和体积重量上都有待提高。

技术实现要素：

针对前述技术问题，本发明的目的在于提供一种可解决目前水汽差分吸收雷达结构复杂、体积重量庞大的缺点的相干测风激光雷达。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达，包括双波长种子激光器1、声光移频调制器2、光纤放大器3、光学收发天线4、2x2保偏耦合器5、平衡探测器6、采集控制器7，声光移频调制器2的输入端与双波长种子激光器1的输出端相连接，光纤放大器3的输入端与声光移频调制器2的输出端相连接，光学收发天线4的输入端与光纤放大器3的输出端相连接并将通过光纤放大器3放大后的能量脉冲发射到外部空间，光学收发天线4的输出端与2x2保偏耦合器5的输入端相连接同时将接收到的外部空间返回的回波信号发送至2x2保偏耦合器5，2x2保偏耦合器5的输入端还与双波长种子激光器1的输出端相连接，2x2保偏耦合器5的输出端与平衡探测器6的输入端相连，采集控制器7输入端与平衡探测器6的输出端相连接同时用于采集由平衡探测器6探测到的差拍信号并对该差拍信号进行分析继而得到风场和水汽的信息。

优选的，光纤放大器3选用tdfa光纤放大器

优选的，双波长种子激光器1内设有用于交替产生两个波长的窄线宽连续激光的一个或两个谐振腔。

本发明具有如下优点：

1、本发明为一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达，将光纤相干测风激光雷达的单频种子光源改为双频种子光源，不需要数百毫焦的脉冲能量，就可以使得测风激光雷达额外获得测量水汽差分吸收的能力。从而解决目前水汽差分吸收雷达结构复杂、体积重量庞大的缺点。

以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下：

附图标记

1-双波长种子激光器、2-声光移频调制器、3-光纤放大器、4-光学收发天线、5-2x2保偏耦合器、6-平衡探测器、7-采集与控制电路。

附图说明

图1是本实施例一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1，本发明提供一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达，包括双波长种子激光器1、声光移频调制器2、光纤放大器3、光学收发天线4、2x2保偏耦合器5、平衡探测器6、采集控制器7，声光移频调制器2的输入端与双波长种子激光器1的输出端相连接，光纤放大器3的输入端与声光移频调制器2的输出端相连接，光学收发天线4的输入端与光纤放大器3的输出端相连接并将通过光纤放大器3放大后的能量脉冲发射到外部空间，光学收发天线4的输出端与2x2保偏耦合器5的输入端相连接同时将接收到的外部空间返回的回波信号发送至2x2保偏耦合器5，保偏耦合器5的输入端还与双波长种子激光器1的输出端相连接，保偏耦合器5的输出端与平衡探测器6的输入端相连，采集控制器7输入端与平衡探测器6的输出端相连接同时用于采集由平衡探测器6探测到的差拍信号并对该差拍信号进行分析继而得到风场和水汽的信息。

本发明采用的方案是：

双波长种子激光器1交替产生两个波长(on-line和off-line)的窄线宽连续激光，然后一束种子光通过声光移频器2进行移频并形成脉冲调制，调制脉冲通过光纤放大器3，所得到的能量脉冲通过光学收发天线4发射到外部空间，光学收发天线4接收到外部空间返回的回波信号，并将该回波信号与未移频的另一束种子光一起通过2x2保偏耦合器5后，再经平衡探测器6进行相干外差检测；采集控制器7内设有采集与控制电路，主要用于采集由平衡探测器6探测到的差拍信号并对该差拍信号进行分析从而得到风场和水汽的信息。本发明中使用平衡探测器来进行光学相干外差检测，系统带宽可以轻易达到1pm量级，较低的发射功率就可达到很高的探测距离。

本发明中的2x2保偏耦合器是为了配合平衡探测器进行相干外差探测的器件。

结合hitran分子谱线数据库，水汽在2um附近有一片吸收区，故而在本实施例中光纤放大器3选用tdfa光纤放大器，种子光源波长也选择在2um附近，例如on-line为1971.00nm，而off-line为1969.80nm，这样的两个波长的水汽质量吸收系数相差数十倍，从而可获得高灵敏度的差分吸收截面。由于种子激光波长可通过压电或控温改变腔长的方式进行调谐，为保证高湿度值和低湿度值等不同动态范围的灵敏度一致性，将on-line波长设计成可调谐的，在高湿时调整到低吸收系数，而低湿时则调整到高吸收系数。

此外该采集控制器7还用于对双波长种子激光器1进行控制，从而使双波长种子激光器1交替产生两个波长(on-line和off-line)的窄线宽连续激光。

本发明中双波长种子激光器1发射双波长种子源，可由设置在双波长种子激光器1内的一个谐振腔产生，也可由设置在双波长种子激光器1内的两个谐振腔产生，且on-line波长可通过压电或控温改变腔长的方式进行调谐。当交替产生的两个波长的窄线宽连续激光由一个谐振腔产生时，通过使用安装在双波长种子激光器内的pzt改变谐振腔的腔长，从而可分别得到两个相近的波长。

当交替产生两个波长的窄线宽连续激光是由两个谐振腔产生时，则由安装在激光器内的光开关作输出选择切换，即两个谐振腔内产生不同波长的窄线宽连续激光，由光开关分别控制两个谐振腔输出的接通和关闭，从而使两个不同波长的窄线宽连续激光交替出现。

本发明为一种可进行水汽差分吸收测量的相干测风激光雷达，采用了两个非常接近的波长进行相干探测，并且发射能量和接收处理的过程一样，除去水汽吸收谱线对on-line和off-line的影响不同外，其它传输条件是完全一致的，故而比较这两个波长的能量衰减情况就可得到该路径的差分吸收信息。因多普勒效应，气溶胶的径向速度也会导致频率偏移，故也可通过采集控制器对回波中的多普勒频移信息进行分析计算从而得到传统的径向风场。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。