采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统技术方案

一种采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统，该拉曼激光雷达包括光源模块、发射模块、接收模块、探测模块、数据采集模块、控制模块，该方法包括以下步骤：S1、光源模块输出一束发射模块需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块发射脉冲光束到大气中；S3、带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；S4、系统中的数据采集模块采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块中进行数据分析。本发明专利技术通过外差技术、声光调制技术、拉曼技术三者结合，能有效探测拉曼的弱回波信号。

【技术实现步骤摘要】
采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统
本专利技术涉及雷达探测领域，尤其涉及采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统。
技术介绍
水汽的激光雷达探测的方法是通过利用拉曼效应，分别探测拉曼回波信号来探测大气中水汽的含量。拉曼回波信号能量弱，但是传统激光雷达直接采用光电倍增管对回波信号进行探测采集，性噪比低，探测距离有限，甚至有时在白天背景光强的情况下不能满足测量水汽的需求。因此急需一种新的方法和系统来解决该技术问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，为此，本专利技术提供一种采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法及雷达系统。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块、发射模块、接收模块、探测模块、数据采集模块、控制模块，该方法包括以下步骤：S1、光源模块输出一束发射模块需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块发射脉冲光束到大气中；S3、接收模块接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；S4、系统中的数据采集模块采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块中进行数据分析。实现上述的方法的雷达系统，所述光源模块包括连续种子激光器、第一分束镜、脉冲激光器、连续激光器、第一分光组件、若干个拉曼管、若干个声光调制器，第一分束镜将连续种子激光器发出的激光分成两束，其中一束激光经过脉冲激光器放大产生脉冲光束，另一束激光经过连续激光器放大后，再通过第一分光组件分光，分光获得的每一束激光依次通过相应的拉曼管和相应的声光调制器后输出本振激光信号；发射模块包括第一反射镜，用于将经过脉冲激光器放大后的脉冲光束反射到大气中；探测模块包括第二分光组件、若干个外差单元、多个探测器，回波信号经过第二分光组件后分出需要进行外差探测的若干个拉曼信号，每个外差单元接收第二分光组件发出的相应的拉曼信号和光源模块发出的该拉曼信号对应的本振信号，每一个外差单元输出的光信号输出到相应的探测器上，其他未经过外差单元的每一个波长的光信号分别输出到相应的探测器上。优化的，所述拉曼管为2个，分别为水汽拉曼管和氮气拉曼管，第一分光组件包括第二分束镜和第三镜体，第二分束镜将连续激光器发出的一束光分成两束，一束输入到水汽拉曼管内，另一束光输出到第三镜体上，第三镜体输出一束光到氮气拉曼管内。优化的，所述第三镜体为分束镜或反光镜。优化的，所述连续种子激光器发出波长为λ0的激光，所述连续激光器输出被放大后的波长为λ0的连续激光，经过水汽拉曼管后输出波长为λ10的第一水汽拉曼激光，第一水汽拉曼激光经过第一声光调制器后输出波长为λ1L的作为本振激光信号的第二水汽拉曼激光；分束后波长为λ0的激光经过氮气拉曼管后输出波长为λ20的第一氮气激光，第二氮气拉曼激光经过第二声光调制器后输出波长为λ2L的作为本振激光信号的第二氮气拉曼激光。优化的，所述接收模块包括依次设置的望远镜、第一光阑。优化的，所述第二分光组件包括第四分束镜、第五分束镜、第六镜体、第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片，外差单元包括第一外差单元和第二外差单元，接收模块接收到的光信号发射到第四分束镜上；第四分束镜分出一束表示水汽拉曼信号的第一波长的激光经过第一滤波片发射到第一外差单元的第一光输入端，第一外差单元输出的光信号输出到第一探测器上，第四分束镜分出另一束激光发射到第五分束镜上；第五分束镜分出一束表示氮气拉曼信号的第二波长的激光经过第二滤波片发射到第二外差单元的第一光输入端，第二外差单元输出的光信号输出到第二探测器上，第五分束镜分出的另一束激光发射到第六镜体上；第六镜体分出一束第三波长的激光经过第三滤波片发射到第三探测器上；第二水汽拉曼激光和第二氮气激光对应发射到第一外差单元的第二光输入端和第二外差单元的第二光输入端。优化的，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器均为光电倍增管。优化的，每个外差单元按光路方向包括依次设置分光镜、可变光阑，外差单元的设置符合公式其中fs(t)和fL(t)为信号光波和本征光波度，As和AL为信号光和本征光振幅，ωs和ωL为信号光和本征光频率，φs和φL为信号光和本征光相位，t为时间，α表示光电变换比例常数。优化的，所述第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片均为窄带滤波片。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术采用以传统拉曼探测水汽激光雷达为基础，通过引入外差技术，使用外差探测技术连续测量被测物体的激光雷达系统，通过外差技术、声光调制技术、拉曼技术三者结合，能有效探测拉曼的弱回波信号能有效探测拉曼的弱回波信号，实现对回波信号进行有效探测，满足全天时(昼夜)连续测量被测物体的需求。(2)该系统运用于水汽的探测，传统的水汽拉曼激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的传统方法，水汽拉曼信号要比米散射信号弱3个数量级，采用光电倍增管在白天很难探测到水汽拉曼的回波信号。为了使水汽拉曼激光雷达在白天进行水汽测量，一般通过激光雷达探测能量和增大望远镜的探测口径，所以一般水汽拉曼激光雷达探测系统的价格非常昂贵，体积大，稳定性差，维护成本高。即使这样水汽拉曼的回波信号强度提升也非常有限，探测距离提高也有限。而该系统使用外差技术和声光调制技术，可以在原有基础上对弱的拉曼回波信号进行有效探测，从而降低对系统对空间和加工的要求。(3)第三镜体和第六镜体可以用分束镜也可以用反光镜，该方案优选使用分束镜，这样可以滤出其他波长的光信号。(4)光源模块中的连续种子激光不仅生成发射到大气中的激光，还可以生成本振信号。(5)探测模块中窄带滤波片可以提高这个系统的信噪比。附图说明图1是本专利技术采用外差技术探测水汽的拉曼激光雷达系统结构示意图。图中标注符号的含义如下：1-光源模块101-连续种子激光器102-第一分束镜103-脉冲激光器110-连续激光器111-第二分束镜112-水汽拉曼管113-第一声光调制器121-第三镜体122-氮气拉曼管123-第二声光调制器2-发射模块201-第一反射镜3-接收模块301-望远镜302-第一光阑4-探测模块401-目镜421-第四分束镜422-第一滤波片423-第一外差单元424-第一探测器431-第五分束镜432-第二滤波片433-第二外差单元434-第二探测器441-第六镜体442-第三滤波片443-第三探测器5-数据采集模块6-电源模块7-控制模块具体实施方式实施例1如图1所示，采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块1、发射模块2、接收模块3、探测模块4、数据采集模块5、电源模块6、控制模块7，该方法包括以下步骤：S1、光源模块1输出一束发射模块2需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块2发射脉冲光束到大气中；S3、接收模块3接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块(1)、发射模块(2)、接收模块(3)、探测模块(4)、数据采集模块(5)、控制模块(7)，该方法包括以下步骤：S1、光源模块(1)输出一束发射模块(2)需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块(2)发射脉冲光束到大气中；S3、接收模块(3)接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；S4、系统中的数据采集模块(5)采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块(7)中进行数据分析。

【技术特征摘要】
1.采用外差技术的拉曼激光雷达探测水汽的方法，其特征在于，拉曼激光雷达包括光源模块(1)、发射模块(2)、接收模块(3)、探测模块(4)、数据采集模块(5)、控制模块(7)，该方法包括以下步骤：S1、光源模块(1)输出一束发射模块(2)需要的脉冲光束，通过拉曼技术和声光调制技术产生表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号；S2、发射模块(2)发射脉冲光束到大气中；S3、接收模块(3)接收脉冲光束与大气作用后的回波信号、表征水汽拉曼信号和氮气拉曼信号的本振信号，将回波信号分束获得带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号，带有大气信息的水汽拉曼信号和氮气拉曼信号和相应的本振信号通过使用外差技术获得相应的光信号，该光信号发射到相应的探测器上；S4、系统中的数据采集模块(5)采集所有的探测器上的电信号，然后发送到控制模块(7)中进行数据分析。2.实现权利要求1所述的方法的雷达系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括连续种子激光器(101)、第一分束镜(102)、脉冲激光器(103)、连续激光器(110)、第一分光组件、若干个拉曼管、若干个声光调制器，第一分束镜(102)将连续种子激光器(101)发出的激光分成两束，其中一束激光经过脉冲激光器(103)放大产生脉冲光束，另一束激光经过连续激光器(110)放大后，再通过第一分光组件分光，分光获得的每一束激光依次通过相应的拉曼管和相应的声光调制器后输出本振激光信号；发射模块(2)包括第一反射镜(201)，用于将经过脉冲激光器(103)放大后的脉冲光束反射到大气中；探测模块(4)包括第二分光组件、若干个外差单元、多个探测器，回波信号经过第二分光组件后分出需要进行外差探测的若干个拉曼信号，每个外差单元接收第二分光组件发出的相应的拉曼信号和光源模块发出的该拉曼信号对应的本振信号，每一个外差单元输出的光信号输出到相应的探测器上，其他未经过外差单元的每一个波长的光信号分别输出到相应的探测器上。3.根据权利要求2所述的雷达系统，其特征在于，所述拉曼管为2个，分别为水汽拉曼管(112)和氮气拉曼管(122)，第一分光组件包括第二分束镜(111)和第三镜体(121)，第二分束镜(111)将连续激光器(110)发出的一束光分成两束，一束输入到水汽拉曼管(112)内，另一束光输出到第三镜体(121)上，第三镜体(121)输出一束光到氮气拉曼管(122)内。4.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述第三镜体(121)为分束镜或反光镜。5.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英俭，储玉飞，吴德成，邓迁，王邦新，刘东，王珍珠，邢昆明，钟志庆，谢晨波，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34