基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统和方法，利用Etalon的透过光谱特征，让宽频的非注入激光脉冲通过Etalon，产生一系列在频率独立的窄带激光，通过光学发射系统将该窄带激光发出。激光测速系统接收待测目标的后向散射回波，经准直后使用偏振光学系统将后向散射光以一定的入射角再次进入Etalon，在Etalon的前面和后面各设置一个光电倍增管，分别称为参考通道和信号通道，两通道的比值与待测目标的速度成正比关系，通过实测两通道的比值，结合测速系统的标定结果，可以获得待测目标的运动速度。该系统相比于现有的系统，具有成本低、工作稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统和方法，属于气象

技术介绍
多普勒测风激光雷达由于其独特的优势，目前已经得到越来越多的关注和应用。目前多普勒测风激光雷达技术从多普勒频移检测手段上分可以分为直接探测技术和相干探测技术。直接探测技术使用高分辨的光谱设备，如原子分子吸收池、法布里-珀罗干涉仪，利用高分辨光谱设备陡峭的光谱曲线，将激光频率的变化转化为通过的光强的变化。相干探测技术利用光学混频原理，将包含多普勒频移的后向散射光信号与本地光信号进行混频，得到中频信号，对该信号进行傅里叶变化即可以得到多普勒频移。无论是直接探测技术还是相干探测技术，系统均使用单频激光器。目前获得单频激光的最常用的办法是种子注入。种子注入的原理是通过技术手段使脉冲激光器出光时不从自发辐射开始，而是在脉冲产生前，给激光器注入模式很好的窄频连续激光，使脉冲激光器在种子激光的基础上起振，该技术称为种子注入技术，用于注入的窄带连续激光称为种子激光器。种子注入技术使得激光器输出的激光具有与种子光相似的特性，具有很窄的线宽。毫无疑问种子注入激光是一种主从激光产生系统，系统包含两个完整的系统，种子激光器和高能脉冲激光，两个系统本身就比较复杂，再考虑需要协同工作，更增加了研制难度。因此，用于多普勒测风激光雷达的种子注入激光器，一直是多普勒激光雷达技术发展中的一个障碍。从造价方面，种子注入激光器由于系统复杂，其成本往往是非注入激光器的几倍甚至几十倍。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统和方法，本专利技术使用非注入的激光器结合Etalon进行多普勒频移检测，能够用来测量物体或者大气风速。与传统的激光雷达相比，减小了系统复杂性，降低了研制成本；而且，本系统收发激光均使用一个Etalon，使得系统测量效果与激光频率的变化本身没关系，提高了系统的测量准确性。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，包括作为系统发射光源的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT和微处理器；非注入脉冲激光器发出的激光经过扩束器扩束后，传输至第一全反射镜；第一全反射镜反射后的激光再依次经过偏振片、半波片、第一PBS传输至Etalon，其中，偏振片的透振方向平行于反射后激光的偏振方向，调整半波片使得反射后激光的偏振方向与第一PBS的偏振方向平行，使激光完全透过第一PBS；Etalon输出的激光依次经过第二PBS、第三PBS后传输至四分之一波片，其中，第二PBS、第三PBS的偏振方向与Etalon输出的激光的偏振方向平行；激光经四分之一波片后偏振方向旋转45度，再依次经过准直镜、发射接收镜照射在待测物体上，并产生后向散射光；后向散射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三PBS、第三全反射镜传输至分束片，后向散射光经分束片分为两束，一束依次经过第一汇聚透镜和第一PMT，另一束依次经过第二全反射镜、第一PBS、Etalon、第二PBS、第二汇聚透镜和第二PMT；第一PMT、第二PMT分别与微处理器连接。作为本专利技术的进一步优化方案，非注入脉冲激光器的工作波长为532nm，光束直径为0.5mm，发散角为2.7mrad。作为本专利技术的进一步优化方案，扩束镜的倍率为20.作为本专利技术的进一步优化方案，Etalon的自由光谱范围为4GHz，精细度为12。另一方面，本专利技术提供一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速方法，具体步骤如下：首先，采用非注入脉冲激光器作为光源发射激光，并通过扩束镜对激光进行扩束；其次，第一全反射镜对扩束后的激光进行反射，使其能够入射到Etalon；再次，在第一全反射镜与Etalon之间设置偏振片和半波片，在Etalon之前设置第一PBS，在Etalon之后连续设置第二、第三PBS，其中，偏振片的偏振方向与第一全反射镜反射后激光的偏振方向平行以压缩激光的垂直分量；调整半波片使第一全反射镜反射后激光的偏振方向与后级的三个PBS的偏振方向平行以使激光能够完全通过三个PBS；再次，Etalon的输出激光经过第二和第三PBS后，通过四分之一波片将其偏振方向旋转45度，再经过准直镜和发射接收镜照射到待测物体上产生后向反射光；再次，后向反射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片，经四分之一波片旋转偏振方向后的后向反射光被第三PBS反射；再次，第三全反射镜将被第三PBS反射的后向反射光传输至分束片，分束片将后向散射光分为两束，其中，一束直接经过汇聚透镜传输至第一PMT；另一束被第二全反射镜反射后依次经过第一PBS、Etalon、第二PBS、汇聚透镜传输至第二PMT；再次，第一PMT和第二PMT分别将接收到的后向散射光转换为第一和第二电信号后，传输至微处理器进行处理；最后，微处理器根据系统标定得到的第一、第二电信号与待测物体速度之间的函数，计算得到待测物体速度并输出。作为本专利技术的进一步优化方案，系统标定的方法为：选取若干不同已知速度的参考物体分别作为待测物体，启动系统后得到若干组第一和第二电信号，拟合得到第一和第二电信号与速度之间的函数，从而完成系统标定，并将函数存放于微处理器。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1）本专利技术的系统不使用种子注入激光进行速度测量，减小了测速系统的复杂度，降低了成本；2）本专利技术使用偏振光学系统，使发射系统和接收系统使用同一个Etalon，光谱间距取决于系统入射角度差异，使测速系统不受激光器频率抖动、外界温度的影响，测速更加准确可靠。附图说明图1是测速系统示意图。图2是激光发射光谱和通过Etalon后的发射光谱，其中，（a）为激光的发射光谱和Etalon的透过率光谱图，（b）为通过Etalon以后的光谱图。图3是不同入射角时Etalon的透过光谱。其中，M1、M2、M3为全反射镜；PBS1、PBS2、PBS3为偏振分束镜；PMT1、PMT2为光电倍增管。图4是不同速度时光电倍增管输出幅度之比。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本实施例中，一种基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，如图1所示，包括作为系统发射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，包括作为系统发射光源的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一和第二光电倍增管PMT和微处理器；非注入脉冲激光器发出的激光经过扩束器扩束后，传输至第一全反射镜；第一全反射镜反射后的激光再依次经过偏振片、半波片、第一PBS传输至Etalon，其中，偏振片的透振方向平行于反射后激光的偏振方向，调整半波片使得反射后激光的偏振方向与第一PBS的偏振方向平行，使激光完全透过第一PBS；Etalon输出的激光依次经过第二PBS、第三PBS后传输至四分之一波片，其中，第二PBS、第三PBS的偏振方向与Etalon输出的激光的偏振方向平行；激光经四分之一波片后偏振方向旋转45度，再依次经过准直镜、发射接收镜照射在待测物体上，并产生后向散射光；后向散射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三PBS、第三全反射镜传输至分束片，后向散射光经分束片分为两束，一束依次经过第一汇聚透镜和第一PMT，另一束依次经过第二全反射镜、第一PBS、Etalon、第二PBS、第二汇聚透镜和第二PMT；第一PMT、第二PMT分别与微处理器连接。...

【技术特征摘要】
1.基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，包括作为系统发射光源
的非注入脉冲激光器、扩束镜、偏振片、半波片、Etalon、四分之一波片、准直镜、发射接收
镜、第一至第三全反射镜、第一至第三偏振分束镜PBS、分束片、第一和第二汇聚透镜、第一
和第二光电倍增管PMT和微处理器；
非注入脉冲激光器发出的激光经过扩束器扩束后，传输至第一全反射镜；第一全反射
镜反射后的激光再依次经过偏振片、半波片、第一PBS传输至Etalon，其中，偏振片的透振方
向平行于反射后激光的偏振方向，调整半波片使得反射后激光的偏振方向与第一PBS的偏
振方向平行，使激光完全透过第一PBS；Etalon输出的激光依次经过第二PBS、第三PBS后传
输至四分之一波片，其中，第二PBS、第三PBS的偏振方向与Etalon输出的激光的偏振方向平
行；激光经四分之一波片后偏振方向旋转45度，再依次经过准直镜、发射接收镜照射在待测
物体上，并产生后向散射光；后向散射光依次经过发射接收镜、准直镜、四分之一波片、第三
PBS、第三全反射镜传输至分束片，后向散射光经分束片分为两束，一束依次经过第一汇聚
透镜和第一PMT，另一束依次经过第二全反射镜、第一PBS、Etalon、第二PBS、第二汇聚透镜
和第二PMT；第一PMT、第二PMT分别与微处理器连接。
2.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，非
注入脉冲激光器的工作波长为532nm，光束直径为0.5mm，发散角为2.7mrad。
3.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，扩
束镜的倍率为20。
4.根据权利要求1所述的基于非注入激光器和Etalon的激光测速系统，其特征在于，
Etalon的自由光谱范围为4GHz，精细度为12。
5....

【专利技术属性】
技术研发人员：单坤玲，萨日娜，卜令兵，王楠，张衡衡，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32