本发明专利技术公开了一种基于非偏振分光棱镜的F‑P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里‑泊罗标准具和探测器。本发明专利技术利用分光‑反射棱镜组代替现有技术中的大量的分光片和反射镜，简化了装置的结构。棱镜组通过分子间的作用力连结成整体，减少了光经过的光学界面，且所有光纤端面均镀有增透膜，降低了这个装置的信号损耗，提高了光学效率。非偏振分光‑反射棱镜组对于入射光的偏振特性不敏感，提高了测量精度。增加了激光发射频率零点校准光纤，实现了激光发射频率与标准具零点的偏差的校准。零风速校准信号和大气回波信号共用同一个分光‑反射棱镜组，且利用光开关将二者分开。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，具体为基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置。
技术介绍
多普勒测风激光雷达以其高分辨率，高精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能力，引起了世界多个国家的关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研宄。按照探测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干技术和非相干(直接探测)技术，其中直接探测技术测量的是能量信号，主要有边缘技术和条纹(成像)技术，边缘技术是利用窄带滤波器作为多普勒频率检测装置，如法布里-泊罗标准具，马赫-泽德尔干涉仪，迈克尔逊干涉仪，光栅等，或利用各种原子、分子滤波器，如碘滤波器，钠、钾、银蒸汽滤波器等，将频率信号的变化转化为能量信号的变化来测量多普勒频移。目前，国外利用F-P标准具作为核心部件的多普勒激光雷达系统，包括已经投入使用的法国OHP激光雷达系统和美国NASA的GLOW激光雷达系统，欧空局(ESA)计划设计使用的星载的测风激光雷达。GLOW激光雷达系统的多普勒鉴频装置利用四个分束片，将信号分别送入F-P标准具的三个通道。由于经过多个分束片，结构较为复杂，会造成信号能量损失较大，整体的光学效率不高。光路中的光依次多个分数片，因而光路的调节精度要求很高，调节难度大。法国的OHP激光雷达系统由M.Chania研宄小组组建并进行了高空风场探测实验。利用压力容器控制FP可调谐标准具腔长进行调谐，并采用了双通道的标准具结构设计。采用双边缘风场探测技术要求激光器的发射频率稳定地位于两个标准具透过率曲线的中心附件，而由于发热和环境温度的影响，激光器本身发射频率不可能非常稳定(频率漂移)，这样即使FP标准具的腔长非常稳定也无法保证激光器的发射频率稳定的处于相应的位置。欧空局(ESA)设计的星载测风激光雷达的多普勒频率检测装置采用了一个较为复杂的设计。将信号光的米散射成分和瑞利散射成分分别利用菲索干涉仪和法布里-泊罗标准具。利用信号光的偏振特性，将信号分别导入菲索干涉仪和法布里-泊罗标准具，分别探测信号中的米散射信号成分和瑞利散射信号成分。并且同样利用信号的偏振特性，将法布里-泊罗标准具的反射光返回标准具，提高了系统的光学效率。也由于这样的设计，使得这套系统的多普勒鉴频装置结构非常复杂，光路调节的难度很大。在国内，目前利用边缘技术测风的有采用碘吸收技术来检测多普勒频移，但这种方法对温度控制非常严格。安徽光机所2006年研制的基于双边缘技术的采用两通道F-P标准具的米散射测风激光雷达，接收的是米散射信号，采用分立器件。中国科学技术大学的车载多普勒激光雷达系统中，通过两根光纤分别将锁定信号与大气回波信号分别经过准直后导入法布里-泊罗标准具。其中信号光纤将大气回波信号导入光纤分束器后，分成两路，分别进入法布里-泊罗标准具的两个信号通道。锁定光纤中的光也由光纤分束器分成两路，作为锁定信号和能量信号。系统采用全光纤结构，利用光纤分束器进行分光，由于紫外波段的光纤的透过率较低，光纤分束器也存在能量损失，使得整个系统的信号损失较大，影响光学效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，装置采用棱镜光学结构，结合光纤，光路调节非常简单，具有较高的光学效率，以解决目前光源为紫外波段的全光纤结构的瑞利散射多普勒鉴频装置的光学效率低的问题。本专利技术采用的技术方案为:一种基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器；其中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和法布里-泊罗标准具，其一端用一调整架固定，调整架能够调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于信号光纤端面，且能进入信号光纤内，并通过信号光纤导入后继光路；所述信号光纤的另一个端面同样由另一调整架固定，将信号光导入准直镜，所述准直镜的作用是将光纤的出射光变成平行光；所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差，激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光导入至一个准直镜，激光器发射波长为355nm的激光，通过一个分束片分出很少的一部分光进入积分球，通过积分球内部的散射后，出射光进入激光发射频率零点校准光纤的端面，经由激光发射频率零点校准光纤的另一个端面，进入准直镜，调整架用于调整光纤端面的位置，使光纤端面位于准直镜的焦点处，同时保证经过准直的平行光垂直入射到非偏振分光棱镜。进一步的，所述的非偏振分光棱镜和反射棱镜，具体是由三块直角棱镜组成分光-反射棱镜组，棱镜组均由非偏振特性直角棱镜组成，直角棱镜截面为等腰直角三角形，光从直角棱镜的直角面垂直入射，会在斜面上发生全反射，从另一个直角面垂直出射，所述非偏振分光棱镜由两块直角棱镜分光，之间镀有半透半反膜，并将第三块直角棱镜作为反射镜，三块直角棱镜之间通过分子间的作用力直接连结在一起，将棱镜的连结面抛光至一定平面度的要求，使两个连结面的分子相距非常近，由于分子之间的作用力的存在，两个连接面便能不借助其他工具而连成一个整体。进一步的，所述法布里-泊罗标准具，设有三个通道:两个边缘通道和一个锁定通道，三个通道呈等腰三角形排列；其中，边缘通道接收分光后的回波信号；锁定通道用于接收锁定光纤导入的锁定信号，用于检测激光频率的漂移。进一步的，所述信号光纤为多模光纤，其芯径为200 μ m，数值孔径0.22。进一步的，所述激光发射频率零点校准光纤为多模光纤，其芯径为200 μ m，数值孔径为0.22。进一步的，信号光纤和激光发射频率零点校准光纤的端面均镀增透膜，增加端面的透过率，提高整个装置的光学效率，所有光纤对于传输的光的偏振态不敏感，任何偏振方向和偏振状态的光在光纤中传输特性相同。本专利技术的原理在于:基于非偏振分光棱镜的F-P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里-泊罗标准具和探测器。本专利技术中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和标准具，其一端用一调整架固定，调整架可以调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于光纤端面，且能进入光纤内，并通过光纤导入后继光路。所述信号光纤的另一个端面同样由调整架固定，将信号导入准直镜。所述准直镜的作用是将光纤的出射光变成平行光。所述信号光纤为多模光纤，其芯径为200 μ m，数值孔径0.22。本专利技术中所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差。由于温度等环境因素的影响，激光器的出射光频率并不一定位于法布里-泊罗标准具的零点位置，其频率与标准具的零点频率存在一个偏差，这个偏差将会影响风速测量的精度。因而在鉴频装置检测信号光的多普勒频移之前，将一小部分的发射光导入法布里-泊罗标准具，测量其频率与法布里-泊罗标准具的零点的频率偏差，用于在后期风速反演时，对结果进行校正。激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于非偏振分光棱镜的F‑P标准具瑞利散射多普勒鉴频装置，其特征在于：包括信号光纤，激光发射频率零点校准光纤，非偏振分光棱镜和反射棱镜，法布里‑泊罗标准具和探测器；其中所述信号光纤将望远镜接收的回波信号导入非偏振分光棱镜和法布里‑泊罗标准具，其一端用一调整架固定，调整架能够调节光纤头的位置，使望远镜接收的信号光的焦点位于信号光纤端面，且能进入信号光纤内，并通过信号光纤导入后继光路；所述信号光纤的另一个端面同样由另一调整架固定，将信号光导入准直镜，所述准直镜的作用是将光纤的出射光变成平行光；所述激光发射频率零点校准光纤的作用是用于校准激光频率与标准具的零点的偏差，激光发射频率零点校准光纤的一端固定在积分球上，另一端由一个光纤调整架固定，将积分球出射的光导入至一个准直镜，激光器发射波长为355nm的激光，通过一个分束片分出很少的一部分光进入积分球，通过积分球内部的散射后，出射光进入激光发射频率零点校准光纤的端面，经由激光发射频率零点校准光纤的另一个端面，进入准直镜，调整架用于调整光纤端面的位置，使光纤端面位于准直镜的焦点处，同时保证经过准直的平行光垂直入射到非偏振分光棱镜。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑俊，孙东松，窦贤康，韩於利，赵若灿，李建阅，周颖捷，
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
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