大气激光雷达的探测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种大气激光雷达探测的方法及装置，采用种子注入式脉冲激光器的种子光束经倍频后通过塞曼效应产生频率对称的双边频光束，两边频光束与大气激光雷达探测到的后向180

Detection Method and Device of Atmospheric Lidar

The invention provides a method and device for detecting atmospheric lidar. The seed beam of a seed injection pulse laser generates a frequency-symmetrical double-sided frequency beam through Zeeman effect after frequency doubling, and the back 180 detected by the two-sided frequency beam and the atmospheric lidar.

【技术实现步骤摘要】
大气激光雷达的探测方法及装置
本专利技术涉及大气遥感探测技术，特别涉及一种大气激光雷达的探测方法及装置。
技术介绍
目前，气象部门通常使用无线电气象探空仪测量大气温度，平流层至中间层的温度探测一般使用火箭探空和星载红外或微波辐射计。但是火箭探空费用昂贵，卫星遥感的垂直距离分辨率较低，因此激光雷达观测大气温度已在许多大气研究项目中得到重视，并取得了一定的研究进展。同样，大气激光雷达在大气风速测量，气溶胶分布研究等方面也具有独特的优势。然而，目前的大气激光雷达探测技术仍然存在一定的缺点，如：大气激光雷达的使用受环境影响较大，特别是白天大气温度的测量结果有待进一步提高，同时测量光谱中米散射的存在，也是影响大气激光雷达温度测量结果的重要因素。
技术实现思路
为了提高大气激光雷达对大气各参数测量的准确性，本专利技术提供一种大气激光雷达探测的方法及装置，以适用于不同功能类型的激光雷达，利用塞曼效应和外差探测的方法实现对散射信号的鉴频及探测，有效的抑制背景噪声的干扰，提高光谱探测信噪比，实现大气激光雷达全天候的工作。本专利技术采用以下的技术方案实现上述目的。一种大气激光雷达的探测方法，其特征在于，采用种子注入式脉冲激光器的种子光束经倍频后通过塞曼效应产生频率对称的双边频光束，两边频光束与大气激光雷达探测到的后向180o散射信号在探测器中混频进行外差探测，获得对应频率处散射信号的频谱点，根据塞曼效应谱线裂距与磁场强度间的线性关系，调节塞曼效应发生装置中磁场的大小，改变两边频光束的频率间隔并再次与对应频率处的散射信号混频进行外差探测，实现整个频谱的对称式扫描，最终获得散射信号的整个光谱线型，进而根据相关的理论得到大气特性参数。优选地，所述塞曼效应所产生的谱线裂距与磁场强度H间的线性关系，表达式为：；式中：e为电子电荷，m为电子质量，c为真空光速；通过改变磁场变化步长调节谱线裂距变化的大小，提高探测光谱的分辨率；同时塞曼效应产生相对于初始入射到塞曼效应发生装置中激光频率对称分布的双边频谱线，当磁场改变时实现对信号光谱的对称式同步鉴频扫描。一种大气激光雷达的探测方法，适用于测风激光雷达、测温激光雷达或测量气溶胶激光雷达的探测。一种大气激光雷达探测方法的装置，包括种子注入式脉冲激光器，所述种子注入式脉冲激光器与高精度延时装置相连，其输出的脉冲光束依次经激光扩束装置、全反射平面镜进入大气激发产生散射信号；所述种子注入式脉冲激光器的种子光束被第二平面分光镜分光，其透射光束经光束变换装置进入塞曼效应发生装置；所述第二平面分光镜的反射光束进入波长计，波长计与第一数据采集卡相连；种子注入式脉冲激光器，用于产生激发散射信号的脉冲光束和产生塞曼效应的种子光束；塞曼效应发生装置，用于产生作为参考光束的两道分裂光束；所述塞曼效应发生装置通过偏振分光/控制装置分别出射两道光束，其中一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，再透过依次设置的凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第二探测器；所述塞曼效应发生装置出射的另一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，透过依次设置的凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第一探测器；所述偏振分光/控制装置，用于对所述塞曼效应发生装置出射光束偏振的控制，使经所述偏振分光/控制装置后的光束偏振态与所述散射信号偏振态一致；所述塞曼效应发生装置经电流控制装置与计算机相连；所述散射信号依次经过望远镜系统、小孔光阑和凸透镜，再经过全反射平面镜反射透过窄带滤光片被第一平面分光镜分成透射光束和反射光束，该透射光束依次经光合束镜、凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第二探测器；该反射光束经全反射平面镜反射后再依次透过光合束镜、凸透镜、小孔光阑、凸透镜、凸透镜聚焦到第一探测器；所述第二探测器经第一带通滤波器和第二数据采集卡与计算机连接；所述第一探测器经第二带通滤波器和第三数据采集卡与计算机连接；所述第一数据采集卡、第二数据采集卡和第三数据采集卡的数据采集时间均由高精度延时装置控制。优选地，所述塞曼效应发生装置包括全反射平面镜、平凹反射镜、倍频晶体、电磁铁和冷却控制系统；所述光束变换装置的光束进入塞曼效应发生装置中依次经过全反射平面镜、平凹反射镜和倍频晶体并垂直穿过电磁铁产生的磁感线，再进入偏振分光/控制装置；所述全反射平面镜位于平凹反射镜的焦平面处；倍频晶体，用于产生与所述种子注入式脉冲激光器发射脉冲光束频率相同的光束；所述电磁铁为上下两块且水平平行放置，两块电磁铁之间留有光束通过的缝隙；所述电磁铁连接有冷却控制系统并通过导线外接电流控制装置,所述冷却控制系统，用于控制所述电磁铁的温度，防止其温度过热；电流控制装置，用于控制所述电磁铁的电流，进而改变所述塞曼效应发生装置中磁场的大小，产生不同裂距的分裂光束。优选地，所述塞曼效应发生装置出射的光束经偏振分光/控制装置中的1/4波片被偏振分光镜分成透射光束和反射光束，其透射光束依次经过第一偏振片和准直滤波装置出射；其反射光束依次经过全反射平面镜、第二偏振片和准直滤波装置出射；所述第一偏振片和第二偏振片均与偏振旋转控制器相连。本专利技术利用塞曼效应边频谱线裂距与磁场之间严格的线性关系并结合外差探测方法，具有高探测信噪比、高准确性及高光谱分辨率的优点；适用于不同功能类型的激光雷达系统，而且可以实现全天候的大气参数测量；可以实现光谱频率的选择性探测，能够消除测温大气激光雷达中米散射对散射光谱的影响；能够实现对关于入射激光频率的对称或不对称分布光谱的同时扫描测量，降低了整个光谱的探测时间。附图说明图1是本专利技术大气激光雷达的探测装置的原理图；图2是本专利技术中塞曼效应发生装置26的原理图；图3是本专利技术中偏振分光及控制装置27的原理图；图4是本专利技术探测空气在温度为294K，压强为1个大气压下的瑞利-布里渊散射光谱具体实例的曲线图；图中：1.望远镜系统，2.9.21.小孔光阑，3.8.10.11.19.20.22.凸透镜，4.6.28.29.37.全反射平面镜，5.窄带滤光片，7.23.光合束镜，12.第一探测器，13.第二带通滤波器，14.第三数据采集卡，15.计算机，16.第二数据采集卡，17.第一带通滤波器，18.第二探测器，24.第一平面分光镜，25.电流控制装置；26.塞曼效应发生装置，261.全反射平面镜，262.平凹反射镜，263.倍频晶体，264.电磁铁，265.冷却控制系统，266.导线；27.偏振分光/控制装置，271.1/4波片，272.偏振分光镜，273.全反射平面镜，274.第一偏振片，275.第二偏振片，276.准直滤波装置，277.准直滤波装置，278.偏振旋转控制器；30.高精度延时装置，31.光束变换装置，32.第一数据采集卡，33.波长计，34.第二平面分光镜，35.种子注入式脉冲激光器，36.激光扩束装置。具体实施方式以下结合附图和实施例子对本专利技术作进一步说明。参见图1所示，该装置包括望远镜系统1、小孔光阑2、9、21、透镜3、8、10、11、19、20、22、全反射平面镜4、6、28、29、37、窄带滤光片5、光合束镜7、23、第一、二探测器12、18、第一、二带通滤波器17、13、第一、二、三数据采集卡32、16、14、计算机15、第一、二平面分光镜24、34本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气激光雷达的探测方法，其特征在于，采用种子注入式脉冲激光器的种子光束经倍频后通过塞曼效应产生频率对称的双边频光束，两边频光束与大气激光雷达探测到的后向180

【技术特征摘要】
1.一种大气激光雷达的探测方法，其特征在于，采用种子注入式脉冲激光器的种子光束经倍频后通过塞曼效应产生频率对称的双边频光束，两边频光束与大气激光雷达探测到的后向180o散射信号在探测器中混频进行外差探测，获得对应频率处散射信号的频谱点，根据塞曼效应谱线裂距与磁场强度间的线性关系，调节塞曼效应发生装置中磁场的大小，改变两边频光束的频率间隔并再次与对应频率处的散射信号混频进行外差探测，实现整个频谱的对称式扫描，最终获得散射信号的整个光谱线型，进而根据相关的理论得到大气特性参数。2.根据权利要求1所述的大气激光雷达的探测方法，其特征在于，所述塞曼效应所产生的谱线裂距与磁场强度H间的线性关系，表达式为：；式中：e为电子电荷，m为电子质量，c为真空光速；通过改变磁场变化步长调节谱线裂距变化的大小，提高探测光谱的分辨率；同时塞曼效应产生相对于初始入射到塞曼效应发生装置中激光频率对称分布的双边频谱线，当磁场改变时实现对信号光谱的对称式同步鉴频扫描。3.一种如权利要求1所述的大气激光雷达的探测方法，其特征在于，适用于测风激光雷达、测温激光雷达或测量气溶胶激光雷达的探测。4.一种根据权利要求1所述的大气激光雷达探测方法的装置，包括种子注入式脉冲激光器，其特征在于，所述种子注入式脉冲激光器与高精度延时装置相连，其输出的脉冲光束依次经激光扩束装置、全反射平面镜进入大气激发产生散射信号；所述种子注入式脉冲激光器的种子光束被第二平面分光镜分光，其透射光束经光束变换装置进入塞曼效应发生装置；所述第二平面分光镜的反射光束进入波长计，波长计与第一数据采集卡相连；种子注入式脉冲激光器，用于产生激发散射信号的脉冲光束和产生塞曼效应的种子光束；塞曼效应发生装置，用于产生作为参考光束的两道分裂光束；所述塞曼效应发生装置通过偏振分光/控制装置分别出射两道光束，其中一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，再透过依次设置的凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第二探测器；所述塞曼效应发生装置出射的另一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，透过依次设置的凸透镜、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，商景诚，杨传音，何兴道，王浩，陶俊中，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36