基于三通道f-p标准具的多大气参数同时高精度探测激光雷达系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多大气参数同时高精度探测激光雷达系统，特别涉及一种基于三通道F-P标准具的多大气参数同时高精度探测激光雷达系统。
【背景技术】
[0002]目前，对气溶胶的探测主要有米散射激光雷达、偏振激光雷达和高光谱分辨率激光雷达。米散射激光雷达由于激光回波信号中包含散射系数和消光系数两个大气参量的信息，反演过程中就必须对当时的大气状态做一些假设，如假设激光雷达比等。而这些假设的值与真值往往存在较大的偏差，从而造成反演结果出现较大偏差。偏振激光雷达在用雷达方程反演气溶胶消光系数时，仍需要做与处理米散射雷达方程时同样的假设。高光谱分辨率气溶胶激光雷达利用气溶胶散射谱宽不同于其他散射谱，通过使用高分辨率的干涉仪、原子或分子吸收滤光器，从大气散射中将米散射和瑞利散射信号分离。这样，可以不需要假设大气的状态，直接导出消光系数，提高参数反演的准确性。然而，通过深入分析发现，在精确反演时，仍需要知道大气温度来扣除瑞利散射信号。激光雷达探测大气温度的方法主要有:差分吸收法、瑞利散射积分法、瑞利散射光谱分析法和转动喇曼散射法等。差分吸收法对激光波长的单色性要求很高，辐射波长的精度与谱线宽直接影响到温度测量的精度，同时需要稳定的待测气体浓度，实际一般很难达到。因此测量精度不高，并且要求至少两个探测波长，使系统变得复杂，成本也高。瑞利散射积分法直接探测大气密度，再通过气体状态方程得到大气温度分布，该方法适合测量30km以上的中层大气。瑞利散射光谱分析法利用瑞利散射线宽与温度的函数关系测量大气温度。该方法需要借助高性能的分光器检测出光谱信息，实现测量。但是，由于低空大气中存在大量的气溶胶会产生很强的信号干扰，因此低空大气温度探测存在测量精度非常不足的缺陷。通过测量大气瑞利-布里渊散射谱的半高线宽实现对低空大气测温的方法虽然可以在频域上减小米氏散射的干扰、提高测量精度，但是由于散射谱的半高线宽与温度在理论上仅为近似关系，所以其测得的精度不高，约为5K。此外，具有高精度测温能力的拉曼激光雷达可以用于探测O?Ilkm低空大气温度，其精度小于2K，但是拉曼散射信号的强度相对于米和瑞利散射要小3?4个量级，因此为实现准确的测量需要较大的激光能量、接收望远镜和高精度高效率的分光器，导致该方法检测成本高，使用范围受到很大限制。对大气风场的探测主要采用多普勒激光雷达。根据探测体制不同，所采用的鉴频技术有相干探测技术和直接探测技术。相干探测系统具有很高的探测灵敏度，但它同时要求窄线宽脉冲激光技术和具有衍射极限的光学接收机，并且由于大气湍流对激光相干性的破坏，有效探测距离受到限制。由于探测技术的局限，该类系统只适用于具有一定气溶胶密度环境下的风场观测，在远海海面等气溶胶密度很低的区域，它们将无能为力。相比而言，直接探测系统对光学系统和激光器的频谱要求明显降低，并且有效探测距离基本不受大气湍流的影响。而且，直接探测技术既可利用气溶胶，又可利用分子探测风速，是目前国际上测量中高层大气风场普遍采用的技术。直接探测技术可进一步分为边缘探测技术和条纹成像技术。其中基于F-P标准具边缘技术是目前成熟度较好、国际上最为普遍采用的技术。但是其在反演风速时，若是单边缘技术，需假定大气温度和后向散射比；若是双边缘技术，需假定大气温度。这样由于假定参数的不确定度造成较大的风速反演误差。此外，现有系统没有充分利用F-P标准具反射信号的鉴频能力。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于三通道F-P标准具的多大气参数同时高精度探测激光雷达系统，能用基于三通道F-P标准具的激光雷达同时高精度测量对流层大气风场、温度和气溶胶光学特性等大气参数。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:本发明的风速测量原理如图1所示，F-P标准具的三个通道分别设计为信号分离通道1、风速探测通道II和温度探测通道III。在测量过程中，望远镜接收到的信号先经信号通道I将米和瑞利后向散射信号分离，分离出的米散射信号再经通道II测量风速，分离出的瑞利散射信号再经通道III测量大气温度。为实现信号的有效、高效分离和气溶胶光学特性探测，通道I采用高光谱分辨率标准具；为提高风速探测灵敏度和信噪比，通过对标准具通道II的透射和反射信号同时接收进行风速测量，如图2所示；为提高温度探测灵敏度和信噪比，通道III利用标准具相邻两级谱对瑞利散射谱的两翼同时进行测量，如图3所示。采用三通道一体式F-P标准具不仅可以保证各通道频谱间的相对稳定性，而且能有效分离并充分利用米和瑞利后向信号。因此，基于该技术的激光雷达系统可同时高精度探测对流层大气风场、温度和气溶胶光学特性。为了系统结构紧凑与稳定，采用多模偏振不敏感的光学环行器实现信号分离。通过调研，目前市场上能提供的多模偏振不敏感的光学环行器的工作波长主要有850nm、1310nm和 1550nm(DK Photonics Technology C0.Limited ;0F_Link Communicat1ns C0.，Ltd)。由于米散射强度与波长的1.3次方近似成反比，瑞利散射强度与波长的4次方成反比；单光子计数APD探测模块在850nm的量子效率达45% (美国Perkinelmer)，故采用850nm作为工作波长以获得强的探测信号，激光器则选用稳频窄线宽半导体激光器(美国SpectraD1de Labs ;加拿大 Terax1n ;德国 Toptica Photonics)。
[0005]本发明的结构由发射系统、接收系统、发射接收光学系统和控制系统等四个子系统组成。采用外腔式半导体激光器和喇叭形二极管放大器组成MOPA结构的稳频窄线宽可调谐半导体激光系统作为发射源，发射852nm的激光用于对流层大气风场、温度和气溶胶光学特性等参数进行探测。发射激光在经过第二光隔离器之后，再由分束镜分成两束。占有很少能量的反射光作为参考光进入第一 1X2光纤耦合器的一个支端，在经过一段约10m长裸光纤后，其后向散射光由同侧另一支端口输出并进入第二 I X 2光纤耦合器的一个输入支端。占有绝大部分能量的透射光经过扩束镜压缩光束发散角后，依次通过45度反射镜、二维扫描仪的两个反射镜，最终以预设的方位角和天顶角垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由望远镜接收，依次经过中心波长为852nm的窄带滤光片滤光和一段200m长裸光纤跳线延时后，进入第二 1X2光纤耦合器的另一个输入支端。从第二 1X2光纤親合器合束端输出的光信号进入第三1X2光纤親合器的合束端后，一小部分经第三1X2光纤耦合器的一个输出支端由第一雪崩光电二极管接收；大部分由另一个输出支端输出后，经过第一光环路器的a — b路径，由第一准直镜准直后正入射到三通道FP标准具的通道I (信号分离通道)。其透射光信号利用第五凸透镜汇聚后进入第四1X2光纤親合器的合束端后，一小部分经第四1X2光纤親合器的一个输出支端由第二雪崩光电二极管接收；大部分由另一个输出支端输出后，经过第二光环路器的a — b路径，由第二准直镜准直后正入射到三通道FP标准具的通道II (风速探测通道)。其透射光信号利用第六凸透镜汇聚后由第三雪崩光电二极管接收；而反射光信号反向经过第二准直镜会聚后入射到第二光环路器的b端口，经过第二光环路器的b — c路径，直接由第四雪崩光电二极管接收。从三通道FP标准具的通道I反射的光信号反向经过第一准直镜会聚后入射到第一光环路器的b端口，经过第一光环路器的b — c路径进入第五I X 2光纤耦合器的合束端。其中一小部分经第五1X2光纤耦合器的一个输出支端由第五雪崩光电二极管接收；大部分经第五1X2光纤耦合器的另一个输出支端输出，再由第三准直镜准直后正入射到三通道FP标准具的通道III (温度探测通道)。其透射光信号利用第七凸透镜汇聚后由第六雪崩光电二极管接收。六个雪崩光电二极管探测器的输出信号先由多通道采集卡采集，再由工控机进行数据处理、存储、数据反演以及结果显示等。整个系统的激光器、FP标准具、二维扫描仪、多通道采集卡等均通过RS232接口由计算机控制。本发明由外腔式半导体激光器、第一凸透镜、第一光隔离器、第二凸透镜、第三凸透镜、喇叭形二极管放大器、第二光隔离器、分束镜、扩束镜、45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、第四凸透镜、窄带滤光片、200m长裸光纤跳线、第一 1X2光纤親合器、10m长裸光纤、第二 1X2光纤親合器、第三1X2光纤親合器、第一雪崩光电二极管、第一光环路器、第一准直镜、三通道FP标准具、第五凸透镜、第四1X2光纤耦合器、第二雪崩光电二极管、第二光环路器、第二准直镜、第六凸透镜、第一光纤跳线、第三雪崩光电二极管、第四雪崩光电二极管、第五1X