CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法，包括第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束；波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光；CO2吸收谱获取单元，用来获得CO2吸收谱；计算单元，用来根据CO2吸收谱和输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。本发明专利技术可用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器，以确保脉冲差频激光器输出on波长的频率稳定。

【技术实现步骤摘要】
CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法
本专利技术涉及激光稳频领域，尤其涉及一种CO2探测激光雷达中脉冲差频激光系统稳频装置及方法。
技术介绍
激光差频技术隶属于光学混频，是两束或两束以上不同频率的单色光同时入射到非线性介质后，通过介质的非线性电极化系数的耦合作用，产生差频激光束，该光束的频率是入射光频率O1和ω2之差。CO2是温室气体主要成分，其浓度变化是气候变化的主要原因。因此精确的大气CO2浓度测量对于碳源和碳汇的分析具有重要意义。差分吸收激光雷达在探测CO2方面具有巨大优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备，能够提供连续的时间和空间观测，获得较高的时空分辨率。差分吸收激光雷达通常采用两束差别很小的波长作为发射激光束，其中一束激光的波长选在CO2吸收峰的中心，使其受到最大吸收，称为on波长，记作λοη;另一束激光的波长在CO2吸收谷处，使其受到的吸收尽可能小，称为off波长，记作λ。^。通过测量随高度增加的大气CO2吸收的变化来反演CO2浓度分布。应用时，激光器的输出波长需要精确确定在on波长上，而对于off波长的精度要求相对较低。由于CO2探测激光器的输出波长线宽要求在GHz甚至MHz，对于工作状态的脉冲差频激光器而言，这种on波长的稳频要求更为严 格。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置及方法，以确保脉冲差频激光器输出的on波长的频率稳定。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案:一、用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，包括:第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置；波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通过自由光路分别进入CO2气体吸收池和N2气体吸收池；CO2吸收谱获取单元，包括CO2气体吸收池、N2气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO2气体吸收池和N2气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO2吸收谱；计算单元，用来根据CO2吸收谱获取单元获得的CO2吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。作为优选,上述自由光路为光纤光路，光纤光路的输入端和输出端均设有光纤准直器。第二分光单兀为设置在光纤光路中的光纤分光器。二、用于C02探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，包括步骤:步骤1，采用波长粗定标单元对脉冲差频激光器的输出红外激光进行粗定标，获得输出红外激光波长的真实值，拟合输出红外激光波长的真实值和标称值进行线性拟合获得真实值和标称值的线性拟合曲线；步骤2，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行大步长扫描，使得输出红外激光波长满足大步波长扫描范围，并通过调整大步波长扫描范围，获得具有单一吸收峰的CO2吸收谱；所述的大步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，起始波长和终止波长位于CO2吸收峰位置理论值两侧；步骤3，脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行小步长扫描，使得输出红外激光波长满足小步波长扫描范围，并获得小步波长扫描范围下的CO2吸收谱，从而确定CO2吸收峰位置实测值，即on波长；所述的小步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，小步波长扫描范围的起始波长和终止波长分别同当前大步波长扫描范围的起始波长和终止波长；大步波长扫描范围的波长间隔和小步波长扫描范围的波长间隔均为经验值，且大步波长扫描范围的波长间隔大于小步波长扫描范围的波长间隔；步骤4，当CO2探测激光雷达信号采集的积分时间不大于5min情况下的on波长稳频包括:执行步骤2?3多次确定on波长，以各on波长对应的光学厚度值构建样本x ;固定on波长，以脉冲差频激光器连续输出的各输出波长对应的光学厚度值构建样本y，采用统计学的假设检验理论进行精度评定，若样本I精度低于样本X精度，则执行步骤I?2重新确定on波长；直至样本I精度不低于样本X精度。上述步骤I进一步包括子步骤:1.1脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围进行大步长扫描，对输出红外激光采用基于CO2气体吸收池的饱和吸收法获得大步波长扫描范围下的CO2吸收谱；1.2判断大步波长扫描范围下的CO2吸收谱中吸收峰数量，若吸收峰数量大于1，则调整大步波长扫描范围的起始波长和终止波长，但仍要求起始波长和终止波长位于CO2吸收峰位置两侧，重新执行步骤1，直至获得具有单一吸收峰的CO2吸收谱。作为优选，小步波长扫描范围的波长间隔为脉冲差频激光器的最小步长。步骤2中所述的小步波长扫描范围下的CO2吸收谱是对脉冲差频激光器的输出红外激光采用基于CO2气体吸收池的饱和吸收法获得。在CO2探测激光雷达信号采集的积分时间大于5min情况下的on波长稳频进一步包括子步骤:(I)根据设定的时间间隔依次获取脉冲差频激光器输出红外激光对应的光学厚度值，若连续η个输出红外激光的光学厚度值均超出预设范围，则以设定步长向长波方向连续m次调节染料激光器输出波长，m和η根据经验设定；所述的预设范围的上限和下限分别为样本X中光学厚度值的最大值和最小值；(2)将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO2吸收谱进行匹配，匹配结果即当前输出红外激光波长位置；(3)根据当前输出红外激光波长位置和on波长的差值将脉冲差频激光器输出跳转至on波长。所述的子步骤6.2具体为:将当前输出波长的光学厚度值等同于图像灰度值，将小步波长扫描范围下的CO2吸收谱作为目标图像，将m个输出波长对应的光学厚度值作为待匹配图像窗口灰度值，采用一维图像匹配法将m个输出波长对应的光学厚度值同小步波长扫描范围下的CO2吸收谱进行匹配。为提高精度，本专利技术的优选方案为，采用空回消除机械误差，具体包括:步骤2执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后再从小步波长扫描范围的起始波长开始进行小步长扫描；步骤3执行完毕后，脉冲差频激光器跳转到小步波长扫描范围的起始波长，然后以补偿值b-a为步长反向跳转，其中，a为小步波长扫描范围的起始波长，b为CO2吸收峰位置实测值。本专利技术具有如下特点和有益效果:(I)采用光纤光路下的饱和吸收差分法进行稳频操作，可最大限度减小自由光路探测带来的误差源，大幅提高信噪比和稳频精度，能够更快的确定on波长。(2)通过步长机械空回误差，根据时间长短，分别处理on波长的稳频，更能满足CO2探测差分吸收激光雷达的使用要求。【附图说明】图1为CO2探测激光雷达中红外窄线宽脉冲差频激光器的具体结构示意图；图2为本专利技术稳频系统的具体结构示意图；图3为红外窄线宽脉冲差频激光器on波长确定流程图；图4为红外窄线宽脉冲差频激光器on波长稳频流程图。图中，1-种子激光器，2-Nd::YAG激光器，3-倍频晶体，4-染料激光器，5-非线性差频晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是，包括：第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置；波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通过自由光路分别进入CO2气体吸收池和N2气体吸收池；CO2吸收谱获取单元，包括CO2气体吸收池、N2气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO2气体吸收池和N2气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO2吸收谱；计算单元，用来根据CO2吸收谱获取单元获得的CO2吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。

【技术特征摘要】
1.用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是，包括: 第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置； 波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值； 第二分光单元，用来将第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通过自由光路分别进入CO2气体吸收池和N2气体吸收池； CO2吸收谱获取单元，包括CO2气体吸收池、N2气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO2气体吸收池和N2气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO2吸收谱； 计算单元，用来根据CO2吸收谱获取单元获得的CO2吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。2.如权利要求1所述的用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是: 所述的自由光路为光纤光路，光纤光路的输入端和输出端均设有光纤准直器。3.如权利要求2所述的用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，其特征是: 所述的第二分光单元为设置在光纤光路中的光纤分光器。4.用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，其特征是，包括步骤: 步骤1，采用波长粗定标单元对脉冲差频激光器的输出红外激光进行粗定标，获得输出红外激光波长的真实值，拟合输出红外激光波长的真实值和标称值进行线性拟合获得真实值和标称值的线性拟合曲线； 步骤2，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行大步长扫描，使得输出红外激光波长满足大步波长扫描范围，并通过调整大步波长扫描范围，获得具有单一吸收峰的CO2吸收谱；所述的大步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，起始波长和终止波长位于CO2吸收峰位置理论值两侧； 步骤3，脉冲差频激光器根据设定的小步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行小步长扫描，使得输出红外激光波长满足小步波长扫描范围，并获得小步波长扫描范围下的CO2吸收谱，从而确定CO2吸收峰位置实测值，即on波长；所述的小步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，小步波长扫描范围的起始波长和终止波长分别同当前大步波长扫描范围的起始波长和终止波长；大步波长扫描范围的波长间隔和小步波长扫描范围的波长间隔均为经验值，且大步波长扫描范围的波长间隔大于小步波长扫描范围的波长间隔； 步骤4，当CO2探测激光雷达信号采集的积分时间不大于5min情况下的on波长稳频包括: 执行步骤2~3多次确定on波长，以各on波长对应的光学厚度值构建样本x ;固定on波长，以脉冲差频激光器连续输出的各输出波长对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚威，马昕，相成志，韩舸，林宏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42