一种激光云高仪制造技术

一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。与现有技术相比较，本发明专利技术的激光云高仪提高回波信号的稳定性。云高仪提高回波信号的稳定性。云高仪提高回波信号的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种激光云高仪


[0001]本专利技术涉及光学测量领域，特别是涉及一种激光云高仪。

技术介绍

[0002]云的形成与演变是大气错综复杂的物理过程，也是预示天气变化的重要征兆。所谓的云高主要是指云底距测站地面的垂直距离。云高对航空飞行更有着直接的影响，飞行高度、航线选择等都需要充分考虑云高。因此，获取高精度的云高对于气象预测
、航空
有着深刻的意义。
[0003]现有技术中，由于激光云高仪具有探测精度高、速度快、运行可靠以及维护方便等优点而被广泛应用。激光云高仪主要利用了大气散射原理。使用时，从地面向上空发射激光束，大气气溶胶对激光束进行后向散射，通过接收后向散射的回波信号达到探测分析大气在不同高度的组成成分，从而获取云高、云厚、云层数以及能见度等。然而随着云高的变化，回波信号大小出现衰减，使得激光云高仪所接受的回波信号不稳定，影响测量的精度。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术的目的在于，提供一种激光云高仪以提高回波信号的稳定性。
[0005]本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。
[0007]与现有技术相比较，本专利技术的激光云高仪通过调节APD增益使得回波信号维持在稳定范围，以便于后续信号处理，且提高设备的平稳性，减少损坏。
[0008]进一步，所述光学探测器设有两个以上的通道且每个通道具有不同的量程范围，能同时处理数据，且获得高动态范围的总回波信号，从而提高精度。
[0009]进一步，所述光电探测器为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管，具有高响应速度和高灵敏度的优点。
[0010]进一步，所述环形器包括偏光立方体分光器和偏振光转换器；从所述激光器入射的激光经所述偏光立方体分光器后进入所述偏振光转换器；返回的激光经所述偏振光转换器后进入所述光学探测器。根据检测阶段的需要将激光转换为不同的状态以减少能量损失并提高精度。
[0011]进一步，所述偏振光转换器为1/4波片以减低设备的成本，并防止入射激光泄漏对检测结果的影响。
[0012]进一步，所述偏振光转换器为TGG晶体以提高信噪比。
[0013]进一步，所述激光器为固体微片激光器，以减少设备的体积，并提高脉冲宽度、单
脉冲能量，光束质量等性能参数。
[0014]进一步，还包括与所述信号处理器电连接的数据储存器，为分析提供更多的数据。
[0015]进一步，还包括与所述信号处理器电连接的无线信号收发器；所述信号处理器通过所述无线信号收发器发送数据至所述数据储存器，实现数据的云端处理。
[0016]进一步，还包括移动电源；所述移动电源分别向所述激光器、所述光学探测器以及所述信号处理器供电，以实现设备的移动，提高激光云高仪使用的便利性。
[0017]为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。
附图说明
[0018]图1为本专利技术中激光云高仪的整体结构示意图；
[0019]图2为本专利技术中环形器的结构示意图；
[0020]图3为本专利技术中APD增益与激光脉冲发射至返回时间的指数关系图。
具体实施方式
[0021]具体地，请参阅图1，本专利技术的激光云高仪包括提供激光光源的激光器10、对激光进行分光的环形器20、发射经所述环形器20处理后的激光到云层的光学天线30、获取回波信号的光电探测器40、对回波信号的数据进行采集与分析的信号处理器50以及分别与所述激光器10、所述信号处理器50电连接的控制单元60。在所述控制单元60控制下，所述激光器10发射激光并入射到所述环形器20，所述环形器20对入射的激光进行分光并改变其光偏振状态，然后通过所述光学天线30发射至云层1，然后所述光学天线30接收散射的激光，并通过所述光电探测器40转换为回波信号，最后发送至所述信号处理器50进行处理以获取云层高度等信息。优选地，所述光学天线为共轴光学天线。
[0022]其中，所述激光器10为固体微片激光器以减少体积，其发射的激光为重频1kHz、脉冲宽度0.3ns、输出能量60uJ、光束模式为TEM00的基模高斯光束，波长为1064nm。
[0023]请参阅图2，所述环形器20包括偏光立方体分光器21和偏振光转换器22。由于由同一共轴的光学天线30发射与接收激光，所述激光器10沿光路A入射至所述环形器20，经散射后的激光沿光路B返回所述环形器20，与现有技术中使用不同的望远镜分别发射与接收激光相比较，同一共轴的光学天线30大大降低调整难度。所述激光器10所发出的激光垂直入射所述偏光立方体分光器21后被反射射向所述云层1，以降低发射至所述云层1的激光能量损失。所述偏振光转换器22位于所述偏光立方体分光器21与所述云层1之间，即位于所述偏光立方体分光器21上方。被所述偏光立方体分光器21反射的激光进入所述偏振光转换器22后由线偏振光转换为圆/椭圆偏振光以更好地探测复杂的云层结构，而经后向散射后的激光重新进入偏振光转换器22则由圆/椭圆偏振光转换为线偏振光再进入所述光电探测器40以提高回波信号的强度。所述光学天线30使得发射光轴与接收光轴共轴以提高接收效率，扩大测量范围。优选地，所述偏振光转换器22为1/4波片或TGG晶体，由1/4波片制成的偏振光转换器22价格便宜，而TGG晶体制成的偏振光转换器22则信噪比高。由于入射激光强度较强，而散射的回波信号非常弱，即使微弱的入射激光泄漏进入所述光电探测器40，也会引起非常强的背景噪声，因此所述偏振光转换器22起到隔离作用，防止发生入射激光漏光至所述光电探测器40以提高信噪比。
[0024]云高影响回波信号强度大小和激光脉冲发射至返回的时间。云高增大，激光脉冲发射至返回的时间增长，而激光衰减增大，回波信号变小；云高减小，激光脉冲发射至返回的时间减小，而激光衰减减少，回波信号变大。因此，随着云高的变化，所述光电探测器40所接收到的回波信号一般为动态值，从而导致回波信号所产生的回波电压也为动态值。动态的回波电压带来所述光电探测器40的不稳定，容易造成设备的损坏，而且强度不稳定的回波信号也不利于后续的信号处理。为使得回波电压保持稳定，本专利技术的光电探测器40采用APD增益动态调节方式，且所需APD增益随激光脉冲发射至返回时间呈指数增长关系。请参阅图3，在本实施例中，所述光电探测器40为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管。将一个较高的反向偏压施加到所述雪崩光电二极管以产生一个强电场。当一个入射光子产生一个电子空穴对时，电场使电子加速，导致由碰撞电离产生次级电子，所产生的电子雪崩将产生几百倍的增益因子，通过调节其电场以达到调节APD增益的目的。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；其特征在于：所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。2.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述光学探测器设有两个以上的通道且每个通道具有不同的量程范围。3.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述光电探测器为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管。4.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述环形器包括偏光立方体分光器和偏振光转换器；从所述激光器入射的激光经所述偏光立方...

【专利技术属性】
技术研发人员：何广源，孙子文，陈博伦，黄小婷，叶雄伟，
申请(专利权)人：广州降光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：