探测对流层大气温度垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成制造技术

本发明专利技术公开了一种探测对流层大气温度廓线的微脉冲激光雷达的组成。通过相位调制技术和负反馈网络，将第一个DFB二极管激光器的波长稳定在H

【技术实现步骤摘要】
探测对流层大气温度垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成


[0001]本专利技术涉及到一种可以探测大气对流层温度垂直廓线的仪器，涉及探测大气对流层温度垂直廓线的激光雷达，特别涉及到一种可以探测大气对流层温度垂直廓线的微脉冲差分吸收激光雷达硬件构成。

技术介绍

[0002]大气温度是重要的大气热力学参数，在空间和时间分布方面，大气对流层的热力学廓线数据，仍存在着很大的需求缺口。时间方面，无线电探空气球只能在一天当中的两次固定时间释放；空间方面，无线电探空气球只能在固定的气象观测站进行。发展廉价的、地基的、可网络化、广泛布置的主动遥感仪器是大气科学机构的普遍需求。可能有几种仪器和技术能有效地填补这些观测空白，包括被动和主动遥感技术。目前，激光雷达系统被认为最有潜力填补对流层大气热力学廓线观测数据的缺口。
[0003]直到今天，基于非弹性后向散射的Raman激光雷达系统，是唯一能够提供对流层下半部分的热力学廓线的遥感工具。这些系统既可以用振动Raman技术测量大气水汽混合比，也可以用转动Raman技术探测大气温度。Raman激光雷达技术的吸引力在于它的原理简单，但是，Raman激光雷达的实施却并不简单。另外，Raman后向散射的低效率使得激光雷达系统需要更高的(发射)功率
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(接收)孔径积。532nm激光脉冲能量不小于300mJ，脉冲重复频率不大于50Hz，脉冲时间宽度10ns左右，望远镜主镜的直径均大于400mm(多数使用直径600mm)。系统中的激光器具有高峰值功率，使得无人值守和人眼安全成为相当大的挑战。目前，据我们的所知，世界范围内4套Raman激光雷达系统(荷兰气象研究所的Caeli激光雷达系统，瑞士的RALMO系统，德国大气辐射测量项目Raman激光雷达系统，以及DRAMSES激光雷达系统)都已经表明，具有在自动化和无人值守方式下运行的需求，但这4套系统，没有一个系统的技术状态被设计成，便于网络化布置。另外，养护和维持费用也与高峰值功率的激光器的使用相关联，此外，Raman激光雷达需要无线电探空的方法为之定标。Raman激光雷达这些固有的特征，人眼安全的担忧，需要频繁的标定和维修，高昂的成本，是网络化布置的主要挑战。
[0004]相对于Raman激光雷达系统，差分吸收激光雷达能够激发更高效率的弹性后向散射。弹性的Mie-Rayleigh后向散射效率比非弹性的Raman后向散射效率高几个数量级，它显著地缓解了激光雷达系统对高的功率
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孔径积的要求。这一效率允许有效的商业化、低成本，结构紧凑的、低功耗的、基于半导体器件的微脉冲激光雷达系统的使用。尤其对流层下半部分的气溶胶，增强了后向散射信号。差分吸收激光雷达在工作波长方面一般很少有灵活性，精确地受限于成分气体的吸收光谱，而且典型地要求激光器窄的线宽和高的光频稳定性。采用二极管激光器的微脉冲结构能满足这样的要求，而且也符合人眼安全设计(Class 1或1M)展现了同时满足长期无人值守和网络化布置的前景。另外，窄带的差分吸收激光雷达不需要辅助的大气观测设施，如无线电探空气球为之定标，它属于自定标探测仪器。
[0005]虽然差分吸收激光雷达在大气水汽和臭氧的垂直廓线探测方面得到过成功应用(并未普及)，然而历史上，差分吸收激光雷达在大气温度廓线探测方面，并未成功实现。原因在于温度表达性气体-氧气的吸收谱线比较窄，以至于激光的Rayleigh后向散射谱宽度可以和与氧气的吸收谱线宽度相比拟，而激光的Mie后向散射谱宽度明显小于氧气的吸收谱线宽度，因此大气后向散射回波当中Rayleigh后向散射和Mie后向散射所占比重，对于差分吸收激光雷达数值反演大气温度垂直廓线十分重要。

技术实现思路

[0006]为了开发低成本、地基的、可网络化布置的主动遥感仪器，满足大气科学研究、天地气象数据交互、精确天气预报的需要，应当发展主动的、基于DFB二极管激光器、掺铒光纤放大器和光子计数器的激光雷达仪器，用于探测对流层下部的热力学廓线。基于一个同样的仪器结构，发展多参数(温度、湿度、压力)激光雷达仪器，类似的结构和同型的器件相互借鉴，便于工程化实践。
[0007]为实现上述目标，重点解决的问题其一是，缓解激光雷达高的功率
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孔径积的要求；问题其二是，满足发射激光器窄的线宽和高的光频稳定性要求；问题其三是，能够提供大气后向散射回波当中Rayleigh后向散射和Mie后向散射占比信息。
[0008]氧气是大气的主流成分之一，氧气存在一个A吸收带(759-770nm)，选择A吸收带中的769.8992nm吸收线(峰值波长)对应差分吸收激光雷达的on探测波长，它是吸收系数对大气温度敏感的波长之一；770.1085nm是氧分子吸收强度很低的波长，它恰好也是钾原子的一个吸收线，被选作差分吸收激光雷达的off参考波长；相当于在差分吸收激光雷达当中，同时嵌入了基于钾原子陷波滤波器的高光谱分辨率激光雷达。
[0009]将二极管激光器的波长直接稳定在769.8992nm氧气吸收线上是很困难的。而它的双倍波长为1539.7984nm，与氰化氢H
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C
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N分子的R3吸收线的波长1539.7856nm相对接近，并位于光纤通信C波段之中，因此先通过负反馈控制环，将第一个DFB二极管激光器的波长稳定在以氰化氢H
13
C
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N气体R3吸收线为基准的1539.7856nm处；其次，通过光纤耦合器，再将第二个DFB二极管激光器与已经被锁定的第一个DFB二极管激光器各取一小部分激光，被平衡光探测器外差检测出这两个激光之间的频差信号；依据低通滤波器上限频率附近下降沿的幅-频特性，数字型(A/D-CPU-D/A)反馈单元调节第二个DFB二极管激光器的注入电流和工作温度，将两个二极管激光器的波长之差0.0128nm(相当于光频差1.6196GHz)稳定住，那么第二个DFB二极管激光器就可以被偏频锁定在氧气的769.8992nm吸收线两倍波长1539.7984nm处。通过第四光耦合器3-3，第三DFB二极管激光器3-1将90％连续波激光送给(电光)相位调制器3-4，接受了射频相位调制的连续波激光，送给光纤放大器3-5放大其功率，功率提高了的连续波激光送给二倍频器3-6进行光频率转换，波长减半的连续波激光进入钾原子
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KD1气体吸收池3-7，穿过钾原子
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KD1气体吸收池3-7的激光，被Si探测器3-8相干检测出来的射频信号，与调制相位的基准射频的二倍频信号在3-9处相混频，经过低通滤波器3-10之后，输出直流误差信号，就通过数字型负反馈网络，将第三DFB二极管激光器3-1连续波激光，锁定在钾原子
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KD1吸收线(770.1085nm)的两倍波长1540.2170nm上。
[0010]第二DFB二极管激光器on稳频单元2和第三DFB二极管激光器off稳频单元3的连续波激光，分别接受声光调制器7的斩波，变成脉冲激光，脉冲宽度不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测对流层大气温度廓线的微脉冲激光雷达的组成，包括发射系统、接收系统和控制系统；所述的发射系统包括基于氰化氢气体R3吸收线的基准波长稳频单元(1)和偏频稳频单元(2)、基于钾原子气体吸收线的基准波长稳频单元(3)、1
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1开关(4)、1
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1开关(5)、2
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1选通开关(6)、声光调制器(7)及其射频驱动器(28)、C波段掺铒光纤放大器(8)、二倍频器(9)；扩束器(10)、中心过孔的45
°
全反射镜(11)、一对(两个)轴锥体(12)、会聚镜(13)、光阑(14)、施密特-卡塞格林式望远镜(15-16)；所述的接收系统包括施密特-卡塞格林式望远镜(15-16)、光阑(14)、会聚镜(13)、轴锥体(12)、中心通孔的45
°
全反射镜(11)、带通滤光片(17)、F-P标准具(18)、窄带滤光片(19)，30/70分束器(20)；双通道探测单元之一包括
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KD1钾原子陷波滤波器(21)、场镜(22)、单光子计数器模块(23)和多通道数据累积器(24)，另一个通道也包括场镜(22)、单光子计数器模块(23)和多通道数据累积器(24)；所述的控制系统包括微处理器(25)、以及脉冲发生器(26)、数字开关驱动器(27)；其特征在于：所述的激光雷达选择氧气分子A吸收带中的769.8992nm吸收线对应差分吸收激光雷达的探测波长，选择770.1085nm波长作为差分吸收激光雷达的参考波长；一方面激光雷达系统发射769.8992nm和770.1085nm双波长脉冲激光，加上第一通道检测此双波长回波的接收系统和控制系统，组成了一个完整的差分吸收激光雷达；另一方面激光雷达系统发射770.1085nm脉冲激光，系统双通道检测回波，第二通道使用高光谱分辨率的钾原子陷波滤波器，滤波器中心波长770.1085nm，这相当在差分吸收激光雷达当中于嵌入了高光谱分辨率激光雷达；所述的接收系统的第一通道检测770.1085nm全部Mie-Rayleigh后向散射回波，接收系统的第二个通道，检测透过
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KD1钾原子滤波器770.1085nm大部分Rayleigh后向散射回波(Rayleigh后向散射的两翼)，而Mie后向散射被吸收而不能穿透
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KD1钾原子滤波器；联立两个通道770.1085nm光子计数器检测的结果，组成方程组，可以解出大气总的后向散射与Rayleigh后向散射的强度比；769.8...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪光烈，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：