一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备，包括激光器，声光调制器AOM，光纤放大器EDFA，四分之一波片，准直器，望远镜，第一保偏光纤，第一环行器，第一窄带光纤Bragg光栅FBG，偏振控制器PC，光纤F-P干涉仪，F-P干涉仪控制器，偏振分束器PBS，第一单光子探测器SPCM，第二单光子探测器SPCM，第二保偏光纤，第二环行器，第二窄带光纤Bragg光栅FBG，第三单光子探测器SPCM和采集卡。本发明专利技术研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤，实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比，仅利用单通道F-P干涉仪就成功实现了双边缘探测技术，对能量的利用率高，方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备
本专利技术属于光学探测
，具体涉及一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备。
技术介绍
20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日渐成熟，直接探测雷达技术以其独特的优势，如高的时间分辨率和高的空间分辨率等，在测风激光雷达领域崭露头角。国内外已经开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达基础研究，包括系统参数设计、模拟仿真等工作，国外如：法国的OHP观测站；德国、英国、挪威、联合研制的ALAMOR系统；美国的国家航天航空局NASA、NatlCtlAtmospherRes和MichiganAerospaceCorporation开发的GLOW和Groundwinds系统；丹麦、荷兰、日本也均有报道，国内如：中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学的报道。德国、法国、英国、挪威联合研制的ALAMOR系统，采用F-P干涉仪与碘原子滤波相结合的技术，可针对北极圈附近80km的中高层大气进行观测。美国NASA、NatlCtlAtmospherRes和MichiganAerospaceCorporation开发的GLOW和Groundwinds系统，采用空间光学F-P干涉仪技术，可针对30km高度的大气风场进行探测。欧洲航天局、丹麦TechUniv均设计了多普勒测风激光雷达，采用F-P干涉仪技术，但是尚未见有关探测数据的报道。在国内方面，中国海洋大学研制了“非相干多普勒测风激光雷达”，并在奥运匹克帆船赛和“神七”回收气象保障服务中得到应用。该系统采用碘分子吸收滤波器，通过低层(10km以下)大气气溶胶散射与大气分子散射，检测激光回波多普勒频移。中国科学院空间科学与应用研究中心报道设计了一台大口径望远镜的F-P干涉仪成像光谱仪的原理样机，并进行了数据模拟研究。中国科学技术大学研制了两台直接探测激光雷达系统，并于2011年与2013年进行了野外观测试验，该系统采用三通道F-P干涉仪，通过高层(15km至60km)大气分子散射，检测激光回波多普勒频移。本专利技术的目的在于：双边缘多普勒频移探测技术中，双边缘是利用多通道F-P干涉仪实现的，其制造费用高，受振动、环境温度和湿度的影响大，空间光学多通道的使用引入了多个系统校正常数。同时，双边缘探测技术中，为了修正瑞利散射雷达中气溶胶散射的影响，或者修正气溶胶雷达中瑞利散射的影响，在接收光路中需设置能量监测通道，现有系统的能量监测通常采用分光的方法实现，降低了用于鉴频的信号的信噪比。本专利技术提出一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和装置，其激光工作波长为单模光纤中可传播的波长，紫外355纳米到近红外2.0微米均可。根据在光纤F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中，由于平行于x轴和平行于y轴的折射率n不同，导致了光程差的不同，进而产生了透过率中心的偏置。如果利用偏振控制器使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，再通过偏振分束器PBS将产生的两个透过率分离，就能实现用于提取频移信息的双边缘。而在接收端中，研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤。当两根光纤同时接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号。这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。更为重要的是，单发双收光路可实现大气多参数的同时探测，如实现大气风速、温度、密度、气溶胶和分子的密度等的同时探测。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备，其激光工作波长为单模光纤中可传播的波长，紫外355纳米到近红外2.0微米均可。该专利技术研发了激光雷达中的光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤以同时接收大气回波。这两根光纤，一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。此方法仅利用单通道F-P干涉仪就成功实现了双边缘探测技术，对能量的利用率高，方法简单。本专利技术采用的技术方案为：一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，包括激光器，声光调制器AOM，光纤放大器EDFA，四分之一波片，准直器，望远镜，第一保偏光纤，第一环行器，第一窄带光纤Bragg光栅FBG，偏振控制器PC，光纤F-P干涉仪，F-P干涉仪控制器，偏振分束器PBS，第一单光子探测器SPCM，第二单光子探测器SPCM，第二保偏光纤，第二环行器，第二窄带光纤Bragg光栅FBG，第三单光子探测器SPCM和采集卡，激光器出射的激光经声光调制器AOM调制后，再由光纤放大器EDFA放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜接收，并耦合进入第一保偏光纤和第二保偏光纤；其中，进入第一保偏光纤的后向散射信号，先进入第一环行器，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC，使激光从偏振控制器PC出射后以45°角入射到光纤F-P干涉仪中进行鉴频；从光纤F-P干涉仪出射的激光经由偏振分束器PBS将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM和第二单光子探测器SPCM探测；由第二保偏光纤接收回的另外一路散射信号进入第二环行器后，先由第二窄带光纤Bragg光栅FBG滤除背景噪声；滤除背景的激光从第二环行器出射后由第三单光子探测器SPCM探测；第一单光子探测器SPCM、第二单光子探测器SPCM和第三单光子探测器SPCM由采集卡采集。另外，本专利技术提供一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法，在探测试验前，先调节偏振控制器PC(10)使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中。调节结束后，保持光路稳定不动。在偏振控制器PC(10)固定的情况下对光纤F-P干涉仪的透过率进行标定，即确定频率和透过率的一一对应关系。上述的保偏光纤1(7)接收的后向散射信号用于提取频移信息，保偏光纤2(16)接收的后向散射信号用于能量探测。进一步的，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤，当两根光纤同时接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号，这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。进一步的，频移探测时，先将出射激光锁定在双边缘的对称点处，当存在多普勒频移时，由于双边缘的对称结构，频移将引起其中一个透过率的增加，而另外一个透过率的减小，从而实现频移的双边缘探测。本专利技术的原理在于：光在入射到光纤F-P干涉仪上将在两个高反射膜之间产生多光束干涉。假设E0为入射光电矢量的复振幅，它们在高反射膜内的入射角为，高反射膜间距为d，假定折射率为n，因而相邻两反射或透射光之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于保偏光纤形成双腔F‑P干涉仪的激光频移探测设备，其特征在于，包括激光器(1)，声光调制器AOM(2)，光纤放大器EDFA(3)，四分之一波片(4)，准直器(5)，望远镜(6)，第一保偏光纤(7)，第一环行器(8)，第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)，偏振控制器PC(10)，光纤F‑P干涉仪(11)，F‑P干涉仪控制器(12)，偏振分束器PBS(13)，第一单光子探测器SPCM(14)，第二单光子探测器SPCM(15)，第二保偏光纤(16)，第二环行器(17)，第二窄带光纤Bragg光栅FBG(18)，第三单光子探测器SPCM(19)和采集卡(20)；激光器(1)出射的激光经声光调制器AOM(2)调制后，再由光纤放大器EDFA(3)放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片(4)后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器(5)后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜(6)接收，并耦合进入第一保偏光纤(7)和第二保偏光纤(16)；其中，进入第一保偏光纤(7)的后向散射信号，先进入第一环行器(8)，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC(10)，使激光从偏振控制器PC(10)出射后以45°角入射到光纤F‑P干涉仪(11)中进行鉴频；从光纤F‑P干涉仪(11)出射的激光经由偏振分束器PBS(13)将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM(14)和第二单光子探测器SPCM(15)探测；由第二保偏光纤(16)接收回的另外一路散射信号进入第二环行器(17)后，先由第二窄带光纤Bragg光栅FBG(18)滤除背景噪声；滤除背景的激光从第二环行器(17)出射后由单光子探测器SPCM3(19)探测；第一单光子探测器SPCM(14)、第二单光子探测器SPCM(15)和第三单光子探测器SPCM(19)由采集卡(20)采集。...

【技术特征摘要】
1.一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，其特征在于，包括激光器(1)，声光调制器AOM(2)，光纤放大器EDFA(3)，四分之一波片(4)，准直器(5)，望远镜(6)，第一保偏光纤(7)，第一环行器(8)，第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)，偏振控制器PC(10)，光纤F-P干涉仪(11)，F-P干涉仪控制器(12)，偏振分束器PBS(13)，第一单光子探测器SPCM(14)，第二单光子探测器SPCM(15)，第二保偏光纤(16)，第二环行器(17)，第二窄带光纤Bragg光栅FBG(18)，第三单光子探测器SPCM(19)和采集卡(20)；激光器(1)出射的激光经声光调制器AOM(2)调制后，再由光纤放大器EDFA(3)放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片(4)后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器(5)后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜(6)接收，并耦合进入第一保偏光纤(7)和第二保偏光纤(16)；其中，进入第一保偏光纤(7)的后向散射信号，先进入第一环行器(8)，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC(10)，使激光从偏振控制器PC(10)出射后以45°角入射到光纤F-P干涉仪(11)中进行鉴频；从光纤F-P干涉仪(11)出射的激光经由偏振分束器PBS(13)将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM(14)和第二单光子探测器SPCM(15)探测；由第二保偏光纤(16)接收回的另外一...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，上官明佳，窦贤康，王冲，裘家伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34