一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成方法和系统技术方案

本发明专利技术公开介绍了一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成方法和系统。该发明专利技术中瑞利激光雷达和钠激光雷达通过时分复用方法交替工作，共用一套望远镜和光电接收机。在光路上采用波分复用技术，电路上采用时分复用技术，从而利用单套光电接收机实现了30km到105km高度大气参数的连续探测。复合系统的光电接收机结构紧凑，元器件数量减少一半。相比于采用瑞利激光雷达和钠激光雷达独立进行高低空大气参数同时探测，该方法在瑞利激光雷达和钠激光雷达的重叠探测区域，不需要考虑不同接收系统中光电转化效率、信号放大增益、数据采集阈值的差异，简化了数据融合过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成方法和系统
本专利技术涉及直接探测激光雷达
，具体涉及一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成方法和系统
技术介绍
近年来，随着航空航天等技术发展，在平流层及中间层以上开展用于通信、遥感、目标监视以及其他一系列用途的航空活动需求快速增加。因此对于平流层及中间层以上的天气气候与环境的监测与预报亦已成为重大的需求。发展高垂直分辨率的观测手段，积累平流层时空变化数据，已成为从事大气科学研究、提高军事国防能力的迫切需要。瑞利激光雷达在平流层和中间层的大气测量上，是最方便的手段。从80km往上，瑞利分子散射信号极其微弱，瑞利激光雷达很难获取该高度往上的大气温度和密度分布。利用80至105km高度的金属原子层的散射回波信号可以探测此高度区域的大气温度和密度。使用该技术的激光雷达称之为钠激光雷达，主要通过发射线宽很窄的激光，利用金属原子的荧光谱线，通过探测谱线不同位置的荧光信号反演大气温度和密度。目前，性能最好的钠激光雷达在90km高度探测精度可达1K。2009年1月，在ALOMAR观测中心，瑞利/气溶胶/拉曼激光雷达和钠激光雷达同时进行了超过40小时的大气观测，这些激光雷达共用同一个接收望远镜，每个激光雷达都有一套独立的信号检测和采集系统。美国GATS研究组在2013年2月至3月进行了机载的瑞利激光雷达和钠激光雷达的联合实验，他们使用两套探测器和数据采集系统分别对瑞利后向散射信号和钠后向散射信号进行采集。使用钠激光雷达中的瑞利后向散射信号和气溶胶后向散射信号实现了15-30km的风场和温度探测，钠后向散射信号实现80-105km的大气风场和温度探测，瑞利激光雷达实现了30-60km的大气参数探测。然而，现有技术的上述方案中需要多套系统协同工作才能完成数据采集，导致系统复杂度及制造成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成方法和系统，设计了一种新的瑞利激光雷达和钠激光雷达光路和信号采集的时序电路，实现单套激光雷达系统连续观测30km到105km的大气参数，从而降低了系统的复杂度以及制造成本。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成系统，该系统包括：532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)，589nm波长的钠激光雷达激光器(3)，第一扩束镜(2)，第二扩束镜(4)，望远镜(5)，光纤(6)，准直器(7)，第一色分棱镜(8)，第一全反镜(11)，第一窄带滤波片(9)，第二全反镜(13)，第二窄带滤波片(12)，第二色分棱镜(10)，耦合镜(14)，光电探测器(15)，双触发双寄存数据采集卡(16)，信号发生器(17)，计算机(18)；其中，信号发生器(17)的信号输出A端分别与532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口A相连；信号发生器(17)的信号输出B端分别与589nm波长的钠激光雷达激光器(2)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口B相连；所述532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)及589nm波长的钠激光雷达激光器(3)分别对应的与第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)相连；望远镜(5)接收端接收第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号，其输出端通过光纤(6)与准直器(7)相连；该准直器(7)的输出端与第一色分棱镜(8)相连；其中，第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号分别为532nm波长产生的瑞利信号及589nm波长产生的钠共振荧光信号；532nm波长产生的瑞利信号经第一色分棱镜(8)透射后，传输光路中依次设有第一窄带滤波片(9)和第二色分棱镜(10)；589nm波长产生的钠共振荧光信号经第一色分棱镜(8)反射后，传输光路中依次设有第一全反镜(11)、第二窄带滤波片(12)、第二全反镜(13)与第二色分棱镜(10)；532nm波长产生的瑞利信号通过该第二色分棱镜(10)透射，589nm波长产生的钠共振荧光信号经第二色分棱镜(10)反射，这两种信号均经耦合镜(14)耦合在光电探测器(15)上；该双触发双寄存数据采集卡(16)的数据采集端与该光电探测器(15)相连，数据输出端与计算机(18)相连。进一步的，第一分色镜(8)将532nm波长产生的瑞利信号和589nm波长产生的钠共振荧光信号在空间光路上分开，使用第一窄带滤波片(9)和第二窄带滤波片(12)分别滤除532nm波长产生的瑞利信号和589nm波长产生的钠共振荧光信号的背景噪声；通过使用第二分色镜(10)将532nm波长产生的瑞利信号和589nm波长产生的钠共振荧光信号并入同一光路，经耦合镜(14)镜聚焦到光电探测器(15)上。进一步的，所述光纤(6)为大口径多模光纤，光纤内径为1.5mm；所述探测器(15)的有效元直径为5mm。进一步的，所述双触发双寄存采集卡(16)包含两个寄存器，记为RAMA与RAMB，用于分别实时存储从光电探测器(15)中采集到的532nm波长产生的瑞利信号及589nm波长产生的钠共振荧光信号；具体的实施步骤为：光电探测器(15)输出的电信号经双触发双寄存采集卡(16)输入端口输入双触发双寄存采集卡(16)后，经双触发双寄存采集卡(16)内部的信号前置处理电路P进行放大和处理，暂存在FIFO先入先出寄存器中，双触发双寄存采集卡(16)触发端口A或B中的触发信号对ASIC特定用途集成电路累加器进行触发，使ASIC将FIFO中的数据有选择性的保存在RAMA或者RAMB中；通过信号发生器(17)对双触发双寄存采集卡(16)周期性的触发，通过时分复用技术，实现532nm波长产生的瑞利信号和589nm波长产生的钠共振荧光信号的累加；当累加结束后，RAMA和RAMB中的数据通过双触发双寄存采集卡(16)的输出口输入到计算机(18)内保存。一种瑞利激光雷达激光器和钠激光雷达激光器的集成方法，该方法前述的系统实现，其包括：步骤1：信号发生器(17)产生使能信号A，使532nm波长的瑞利激光雷达的激光器(1)出光，进入第一扩束镜(2)扩束出射；望远镜(5)接收后向散射信号，该信号经光纤(6)传输至准直器(7)，经第一色分棱镜(8)透射后，由第一窄带滤波片(9)滤除背景，再经过第二色分棱镜(10)透射，经耦合镜(14)耦合在光电探测器(15)感光面上进行探测；信号发生器(17)产生的使能信号A还同时输入双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口A中，控制双触发双寄存数据采集卡(16)采集光电探测器(15)的输出信号并存储在双触发双寄存数据采集卡的RAMA中，采集完成后，关闭使能信号A；步骤2：信号发生器(17)产生使能信号B，使589nm波长的钠激光雷达的激光器(3)出光，经第二扩束镜(4)扩束出射；望远镜(5)接收后向散射信号(589nm钠共振荧光信号)，该信号经光纤(6)传输至准直器(7)，依次经第一色分棱镜(8)与第一全反镜(11)反射后进入第二窄带滤波片(12)滤除背景，再依次经第二全反镜(13)与第二色分棱镜(10)反射后，经耦合镜(14)耦合在光电探测器(15)感光面上进行探测；信号发生(17)产生的使能信号B还同时输入双触发双寄存数据采集卡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时分‑波分复用的瑞利‑钠激光雷达集成系统，其特征在于，该系统包括：532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)，589nm波长的钠激光雷达激光器(3)，第一扩束镜(2)，第二扩束镜(4)，望远镜(5)，光纤(6)，准直器(7)，第一色分棱镜(8)，第一全反镜(11)，第一窄带滤波片(9)，第二全反镜(13)，第二窄带滤波片(12)，第二色分棱镜(10)，耦合镜(14)，光电探测器(15)，双触发双寄存数据采集卡(16)，信号发生器(17)，计算机(18)；其中，信号发生器(17)的信号输出A端分别与532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口A相连；信号发生器(17)的信号输出B端分别与589nm波长的钠激光雷达激光器(2)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口B相连；所述532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)及589nm波长的钠激光雷达激光器(3)分别对应的与第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)相连；望远镜(5)接收端接收第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号，其输出端通过光纤(6)与准直器(7)相连；该准直器(7)的输出端与第一色分棱镜(8)相连；其中，第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号分别为532nm波长产生的瑞利信号及589nm波长产生的钠共振荧光信号；532nm波长产生的瑞利信号经第一色分棱镜(8)透射后，传输光路中依次设有第一窄带滤波片(9)和第二色分棱镜(10)；589nm波长产生的钠共振荧光信号经第一色分棱镜(8)反射后，传输光路中依次设有第一全反镜(11)、第二窄带滤波片(12)、第二全反镜(13)与第二色分棱镜(10)；532nm波长产生的瑞利信号通过该第二色分棱镜(10)透射，589nm波长产生的钠共振荧光信号经第二色分棱镜(10)反射，这两种信号均经耦合镜(14)耦合在光电探测器(15)上；该双触发双寄存数据采集卡(16)的数据采集端与该光电探测器(15)相连，数据输出端与计算机(18)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于时分-波分复用的瑞利-钠激光雷达集成系统，其特征在于，该系统包括：532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)，589nm波长的钠激光雷达激光器(3)，第一扩束镜(2)，第二扩束镜(4)，望远镜(5)，光纤(6)，准直器(7)，第一色分棱镜(8)，第一全反镜(11)，第一窄带滤波片(9)，第二全反镜(13)，第二窄带滤波片(12)，第二色分棱镜(10)，耦合镜(14)，光电探测器(15)，双触发双寄存数据采集卡(16)，信号发生器(17)，计算机(18)；其中，532nm波长的瑞利激光雷达激光器输出532nm波长的激光，589nm波长的钠激光雷达激光器输出589nm波长的激光；信号发生器(17)的信号输出A端分别与532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口A相连；信号发生器(17)的信号输出B端分别与589nm波长的钠激光雷达激光器(3)和双触发双寄存数据采集卡(16)的触发端口B相连；所述532nm波长的瑞利激光雷达激光器(1)及589nm波长的钠激光雷达激光器(3)分别对应的与第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)相连；望远镜(5)接收端接收第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号，其输出端通过光纤(6)与准直器(7)相连；该准直器(7)的输出端与第一色分棱镜(8)相连；其中，第一扩束镜(2)及第二扩束镜(4)的后向散射信号分别为532nm波长的激光产生的瑞利信号及589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号；532nm波长的激光产生的瑞利信号经第一色分棱镜(8)透射后，传输光路中依次设有第一窄带滤波片(9)和第二色分棱镜(10)；589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号经第一色分棱镜(8)反射后，传输光路中依次设有第一全反镜(11)、第二窄带滤波片(12)、第二全反镜(13)与第二色分棱镜(10)；532nm波长的激光产生的瑞利信号通过该第二色分棱镜(10)透射，589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号经第二色分棱镜(10)反射，这两种信号均经耦合镜(14)耦合在光电探测器(15)上；该双触发双寄存数据采集卡(16)的数据采集端与该光电探测器(15)相连，数据输出端与计算机(18)相连。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一色分棱镜(8)将532nm波长的激光产生的瑞利信号和589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号在空间光路上分开，使用第一窄带滤波片(9)和第二窄带滤波片(12)分别滤除532nm波长的激光产生的瑞利信号和589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号的背景噪声；通过使用第二色分棱镜(10)将532nm波长的激光产生的瑞利信号和589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号并入同一光路，经耦合镜(14)聚焦到光电探测器(15)上。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤(6)为大口径多模光纤，光纤内径为1.5mm；所述光电探测器(15)的有效元直径为5mm。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双触发双寄存数据采集卡(16)包含两个寄存器，记为RAMA与RAMB，用于分别实时存储从光电探测器(15)中采集到的532nm波长的激光产生的瑞利信号及589nm波长的激光产生的钠共振荧光信号；具体的实施步骤为：光电探测器(15)输出的电信号经双触发双寄存数据采集卡(16)输入端口输入双触发双寄存数据采集卡(16)后，经双触发双寄存数据采集卡(16)内部的信号前置处理电路P进行放大和处理，暂存在FIFO先入先出寄存器中，双触发双寄存数据采集卡(16)触发端口A或B中的触发信号对ASIC特定用途集成电路累加器进行触发，使ASIC将FIFO中的数据有选择性的保存在RAMA或者RAMB中；通过信号发生器(17)对双触发双寄存数据采集卡(16)周期性的触发，通过时分复用技术，实现532nm波长的激光产生的瑞利信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦贤康，王冲，夏海云，薛向辉，上官明佳，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