基于半导体激光器的大气探测激光雷达制造技术

本发明专利技术涉及一种基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成。本发明专利技术可安装于地面基站、运载车辆、飞机和卫星上。其向大气中发射脉冲激光束，当激光脉冲遇到大气分子和大气中的微小颗粒时，会与大气分子本身和大气中的微小颗粒发生相互作用，产生与激光光束同轴但方向相反的后向散射光信号，该系统的光学接收器接收到这些后向散射光信号，经过信号处理后，送入计算机进行分析和储存，从而获得大气分子和大气中的微小颗粒空间分布和时间演化信息，进行气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对大气本身和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云)的空间位置和时间演化进行探测的基于半导体激光器的激光雷达。
技术介绍
和其它遥感技术手段相比，激光雷达具有探测精度高、时空分辨率好，以及重量轻、体积小等独特优势，在对大气、海洋和陆地的遥感探测中具有很好的应用潜力。在种类众多的大气探测激光雷达中，用于探测低空大气微小粒子(包括气溶胶和云)的空间分布和时间变化的米散射激光雷达相对较为简单和实用，已被较为广泛地应用于气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域。但现实的情况是，应用领域对这种激光雷达的需求数量远远大于实际已在应用的数量。主要原因在于激光雷达价格昂贵、结构复杂、需专业人员操作维护才能正常工作，而究其根源又在于激光雷达都使用了技术复杂、价格昂贵的激光器(激光器部分占整个激光雷达价格和操作维修工作量的很大比例)。因此，采用结构简单、性能可靠、价格便宜的激光器是推广激光雷达应用范围最为有效的途径。半导体激光器是一种全固态的激光器件，它没有其它激光器那样复杂的光腔结构和调整要求，是一种高可靠、长寿命和廉价的相干光源。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种基于半导体激光器的大气探测激光雷达，具有价格低廉、操作简单的特点，对大气本身和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云)进行探测，获取其空间位置和时间演化的信息。本专利技术提供的技术方案是基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成。上述半导体激光发射器由半导体激光器电源、光纤耦合半导体激光器、非球面透镜和扩束器组成；半导体激光器电源输出端与光纤耦合半导体激光器电功率输入端相连，光纤耦合半导体激光器激光输出端与非球面透镜输入端相连，非球面透镜输出端与扩束器输入端相连。上述激光雷达接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、复合滤光器、会聚光学透镜、光电探测器、门控击穿驱动电路组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与复合滤光器输入端相连，复合滤光器输出端与会聚光学透镜输入端相连，会聚光学透镜输出进入光电探测器，门控击穿驱动电路输出端与光电探测器高压输入端相连。上述复合滤光器包括窄带干涉滤光片和F-P标准具，激光雷达接收器中准直光学透镜输出端与复合滤光器中窄带干涉滤光片输入端相连，窄带干涉滤光片输出端与复合滤光器中F-P标准具输入端相连，F-P标准具输出端与会聚光学透镜输入端相连。上述计算机为工业控制计算机，工业控制计算机通过I/O接口卡、GPIB接口卡与信号处理电路相联，所述信号处理电路由前置放大器、A/D转换器和光子计数器组成；光电探测器输出端与前置放大器输入端相连，前置放大器输出端与A/D转换器和光子计数器输入端相连，光子计数器输出端与GPIB接口卡输入端相连，I/O接口卡输出端与半导体激光器电源控制输入端、A/D转换器和光子计数器触发输入端相连，I/O接口卡、GPIB接口卡和A/D转换器置于工业控制计算机PCI插槽中。上述门控击穿驱动电路包括两个可调稳压器和高速固态继电器，两个可调稳压器输出端与高速固态继电器输入端相连，I/O接口卡输出端与高速固态继电器输入端相连，高速固态继电器输出端与光电探测器的高压输入端相连。本专利技术可安装于地面基站、运载车辆、飞机和卫星上。其向大气中发射脉冲激光束，当激光脉冲遇到大气分子和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云等)时，会与大气分子本身和大气中的微小颗粒发生相互作用，产生与激光光束同轴但方向相反(朝激光雷达传播)的后向散射光信号，该系统的激光雷达接收器接收到这些后向散射光信号，经过整形、滤光、光电转换、放大、模数转换和光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存，从而获得大气分子和大气中的微小颗粒空间分布和时间演化信息，进行气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域的应用。附图说明图1是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达原理框图；图2是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的半导体激光发射器部分结构原理图；图3是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的激光雷达接收器部分结构原理图；图4是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的门控击穿驱动电路原理图；图5是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的复合滤光器结构原理图；图6是本专利技术中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的信号处理与计算机部分结构原理图。具体实施例方式下面结合附图，对本专利技术作进一步详细的描述。参见图1，本专利技术中的基于半导体激光器的大气探测激光雷达主要包括半导体激光发射器1，激光雷达接收器2，和与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路与工业控制计算机3。参见图2，半导体激光发射器1由半导体激光器电源5、光纤耦合半导体激光器6、非球面透镜7和扩束器8组成；半导体激光器电源5输出端与光纤耦合半导体激光器6电功率输入端相连，光纤耦合半导体激光器6激光输出端与非球面透镜7输入端相连，非球面透镜7输出端与扩束器8输入端相连。按所要求的脉冲宽度和重复频率，图2中I/O接口卡4(研华公司，型号PCI-1751)输出脉冲控制信号，该信号对半导体激光器电源5(凌云公司，型号LYPEX-SG-WLX-FX)进行脉冲调制。半导体激光器电源5对光纤耦合半导体激光器6的脉冲驱动通过高速大电流开关的切换方式实现，调制参数为脉冲宽度0.5μS，重复率1KHz。对光纤耦合半导体激光器6的波长漂移的控制，通过半导体激光器电源5内的已有温度控制回路实现，使半导体激光器6的工作波长稳定在小于激光雷达接收器系统中窄带干涉滤光片17的带宽范围。采用工作波长为近红外的光纤耦合半导体激光器6(LDX公司，型号UM7800/100/20)作为发射光源，对于激光雷达应用，此激光器的光束还需要进行高倍准直。准直分两步进行先用非球面透镜7进行初准直，再经10X扩束器8将发散进一步降低。扩束器8由一个凹透镜和一个凸透镜组成凹透镜直径12毫米，焦距25毫米；凸透镜直径100毫米，焦距250毫米，凹透镜的虚焦点与凸透镜的实焦点实施共焦点配置。初准直采用非球面透镜7，可使光能向光束中心集中，以利减小高倍扩束后的光斑直径。调节过程中，光束准直度通过CCD拍摄远近场光斑图像进行调整和控制。参见图3，激光雷达接收器2由接收望远镜9、视场光阑10、准直光学透镜11、复合滤光器12、会聚光学透镜13、光电探测器14、门控击穿驱动电路组成；接收望远镜9输出端与视场光阑10输入端相连，视场光阑10输出端与准直光学透镜11输入端相连，准直光学透镜11输出端与复合滤光器12输入端相连，复合滤光器12输出端与会聚光学透镜13输入端相连，会聚光学透镜13输出进入光电探测器14，门控击穿驱动电路输出端与光电探测器14高压输入端相连。后向散射的激光雷达回波信号经图3中接收望远镜9收光聚焦以后，采用视场光阑10将接收视场控制在合适的视场角范围内，经过准直光学透镜11将回波光信号整理成平行光后，经过复合滤光器12将杂散背景光过滤，只让信号光通过。信号光经过会聚光学透镜13，将光斑直径缩小，以使光斑直径小于光电探测器14的光敏面，使所有的回波光本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚威，朱忠敏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]