一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法与流程

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法。

背景技术：

1、中高层大气温度和风场的高分辨探测是当今大气探测和空间物理领域的研究热点之一。窄线宽钠多普勒激光雷达可实现中层顶大气温度和风场的同时探测，是大气科学研究空间环境监测预报等的重要观测手段，为开展大气波动传播能量和动量循环过程高中低大气相互耦合作用等前沿科学问题的研究提供关键数据来源。

2、以钠原子为示踪物，研制的三频钠激光雷达，可同时探测中高层区的温度和风场。一般发射三束589nm脉冲激光锁定在钠原子d2a峰值点和其两翼处，两翼处和峰值点的波长频率相差630mhz。采用饱和吸收方法可将589nm激光波长长期锁定在钠原子d2a峰值点上，对于两翼处的波长，可采用先对1064nm激光移频±630mhz，再将移频后的1064nm激光与1319nm激光和频，得到移频了±630mhz的589nm激光。

3、2011年初，中国科学院空间科学与应用研究中心研制了一台窄带钠激光雷达，可发射三种频率的激光：分别为589.158nm，及对该波长调制+585mhz和-585mhz后的两个波长。该钠激光雷达使得国内首次探测中间层顶大气温度和风场成为可能。此系统的三频切换方法，采用的是一对定制的声光移频器和波长选择器方式，切换频率固定，且器件采购困难。目前国内声光移频器很难满足1064nm或589nm移频630mhz，主要依赖定制进口器件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术器件采购困难、成本高、切换频率固定，适用范围小，针对此不足，提出了一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括pc机，还包括第一激光器、第一分束器、主种子源驱动器、第二分束器、合束器、非线性光学晶体、第一半波片、第一全反射镜、第一偏振分光棱镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二全反射镜、钠原子吸收池、第三全反射镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、稳频处理模块、耦合器以及和频模块；

4、其中，所述第一激光器发出稳频激光，通过第一分束器将激光分为两路，其中一路接入和频模块，另一路接入合束器；所述主种子源驱动器输出种子光，通过第二分束器分为两路，其中一路用于频率切换，接入耦合器，另一路接入合束器，与第一激光器发出的激光进行合束；

5、合束后的光注入非线性光学晶体，产生新激光，新激光通过第一半波片和第一偏振分光棱镜后分成两路，其中一路为反射光，作为泵浦光，泵浦光经过第一全反射镜、第三全反射镜和第三偏振分光棱镜入射到钠原子吸收池中；另一路为透射光，作为探测光，穿过第二半波片、第二偏振分光棱镜、钠原子吸收池，入射到第一光电探测器中，由第一光电探测器探测探测光的饱和吸收信号；探测光在穿过第二半波片、第二偏振分光棱镜时，部分探测光被pbs反射，形成参考光，入射到第二光电探测器，由第二光电探测器探测参考光的光强信号；

6、第一光电探测器探测的饱和吸收信号和第二光电探测器探测的光强信号经过稳频处理模块，产生稳频调制信号，该稳频调制信号入主种子源驱动器，控制主种子源驱动器工作电流。

7、作为本发明的进一步优选，还包括平衡探测器、移频控制板、从种子源驱动器、第三分束器；

8、其中，所述从种子源驱动器输出种子光，经过第三分束器分为两路，其中一路为移频激光，注入和频模块，另一路接入耦合器，与主种子源驱动器输出的种子光进行合束，产生拍频信号；所述平衡探测器将拍频信号转换为电信号，输入到移频控制板，经移频控制板处理，产生移频调制信号，该移频调制信号注入从种子源驱动器，控制从种子源驱动器工作电流。

9、所述pc机与移频控制板连接，用于控制输出周期性移频调制信号。

10、作为本发明的进一步优选，所述第一分束器和第二分束器均设置为1×2光纤分束器，所述第三分束器设置为1:9分束器。

11、作为本发明的进一步优选，注入所述和频模块的稳频激光和移频激光，产生新的移频激光。

12、作为本发明的进一步优选，所述耦合器设置为50:50耦合器。

13、作为本发明的进一步优选，所述移频控制板包括鉴频鉴相器、滤波器、模拟pid和cpu；

14、所述pc机与cpu连接，所述cpu与鉴频鉴相器的第一输入端连接，所述鉴频鉴相器的第二输入端与平衡探测器连接，所述鉴频鉴相器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与模拟pid的输入端连接，所述模拟pid的输出端与从种子源驱动器的输入端连接。

15、作为本发明的进一步优选，所述滤波器设置为低通滤波器。

16、一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，包括以下步骤：

17、s1、判断pc机是否下发移频指令；

18、s2、若未下发移频指令，则不进行移频，跳s1；

19、s3、若下发移频指令，则移频控制板产生移频调制信号；

20、s4、移频调制信号控制从种子源驱动器输出种子光，形成移频激光；

21、s5、与第一激光器发出稳频激光在经过频模块后产生新的移频激光，完成移频指令；

22、s6、判断激光频率是否锁定，若锁定，则跳s1；若未锁定，则跳s3。

23、作为本发明的进一步优选，所述移频控制板产生移频调制信号，包括：

24、基于参考频率，鉴频鉴相器将两个拍频信号与参考频率进行比较，输出误差信号；

25、误差信号经过滤波器进入模拟pid；

26、模拟pid调节输出移频调制信号。

27、本发明提出的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统及控制方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

28、1、基于钠原子饱和吸收调制稳频技术和光学锁相环的技术理论为基础，提出了应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，实现切频速度快、频率稳定性高的频率切换控制系；

29、2、本发明所使用的器件采购难度低，成本低，适用范围广；

30、3、本发明可形成一套激光切频系统，进一步为精密仪器和激光雷达技术应用提供多频率切换光源。

技术特征：

1.一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括pc机（25），其特征在于，还包括第一激光器（1）、第一分束器（2）、主种子源驱动器（3）、第二分束器（4）、合束器（5）、非线性光学晶体（6）、第一半波片（7）、第一全反射镜（8）、第一偏振分光棱镜（9）、第二半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）、第二全反射镜（12）、钠原子吸收池（13）、第三全反射镜（14）、第三偏振分光棱镜（15）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（17）、稳频处理模块（18）、耦合器（19）以及和频模块（24）；

2.根据权利要求1所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，还包括平衡探测器（20）、移频控制板（21）、从种子源驱动器（22）、第三分束器（23）；

3.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述第一分束器（2）和第二分束器（4）均设置为1×2光纤分束器，所述第三分束器（23）设置为1:9分束器。

4.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，注入所述和频模块（24）的稳频激光和移频激光，产生新的移频激光。

5.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述耦合器（19）设置为50:50耦合器（19）。

6.根据权利要求2所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述移频控制板（21）包括鉴频鉴相器、滤波器、模拟pid和cpu；

7.根据权利要求6所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，其特征在于，所述滤波器设置为低通滤波器。

8.根据权利要求2-7任一项所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统的控制方法，其特征在于，所述移频控制板（21）产生移频调制信号，包括：

技术总结
本发明公开了一种应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，包括PC机，还包括第一激光器、第一分束器、主种子源驱动器、第二分束器、合束器、非线性光学晶体、第一半波片、第一全反射镜、第一偏振分光棱镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二全反射镜、钠原子吸收池、第三全反射镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、稳频处理模块、耦合器以及和频模块；相比现有技术，本发明基于钠原子饱和吸收调制稳频技术和光学锁相环的技术理论为基础，提出了应用于钠激光雷达的频率切换控制系统，实现切频速度快、频率稳定性高的频率切换控制系。

技术研发人员：李雪,杨敏,房春奇,王婧,李健,丁建永
受保护的技术使用者：南京中科神光科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17