一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统技术方案

本发明专利技术提供一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、望远镜收发子系统，相干探测子系统和信号采集处理和控制子系统。本发明专利技术创新性地采用可在on

【技术实现步骤摘要】
一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统


[0001]本专利技术涉及测量测试
，具体涉及一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统。

技术介绍

[0002]激光雷达因具有测量范围大、时空分辨率高、实时性等特点，成为二氧化碳气体测量的极具有效的手段之一。相比于N2、H2O探测来说，CO2的散射截面小，在大气中的含量较小，具有一定的探测难度。国际上，应用于CO2探测的激光雷达主要有差分吸收雷达和Raman散射激光雷达。Raman散射雷达具有激光波长无严格选择、系统结构相对简单的优点，但探测灵敏度较低。而差分吸收原理则依赖待测气体的吸收光谱，要求选择特定的激光波长、发射系统较复杂，但是灵敏度相对较高。因此CO2差分吸收激光雷达技术已经成为CO2等温室气体检测技术发展的主流方向。
[0003]与传统的点测量技术比较，CO2差分吸收激光雷达技术具有精度高、能连续测量和进行三维测量、且无干扰等特点。因此，CO2探测激光雷达系统化学毒剂侦测的主要手段广泛运用在大气污染气体浓度测量、天气预报和油气勘查等方面，因而具有重要研究价值。
[0004]现有的CO2差分吸收激光雷达存在体积大、精度有待提高的问题亟待解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决二氧化碳浓度廓线测量精度的问题，创新性地采用可在on
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line波长和off
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line波长之间切换的2μm捷变单频脉冲激光器作为探测光源，实现On和Off种子激光分时注入锁频，从而实现On和Off种子激光输出快速切换，最大限度地遏制了大气湍流带来的误差；同时相干外差检测和注入锁频的配合使用，可稳定off光源波长与on光源波长之间的差值，提高二氧化碳浓度探测精度；采用MOPA放大技术可实现高功率激光的输出，提高二氧化碳浓度探测距离；通过共用望远镜减少了激光雷达的体积，采用相干探测体制解决了激光雷达探测精度的问题，可高分辨率地获取0～3km高度范围内的二氧化碳浓度廓线。
[0006]本专利技术提供一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，包括激光发射子系统、设置在激光发射子系统输出端的望远镜收发子系统，与望远镜收发子系统光连接的相干探测子系统和与激光发射子系统、相干探测子系统均电连接的信号采集处理和控制子系统，激光发射子系统包括波长捷变模块；
[0007]激光发射子系统用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过波长捷变模块分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源并输出至望远镜收发子系统，望远镜收发子系统用于接收on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统用于接收on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至相干探测子系统，相干探测子系统用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与
交替发射的on
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line连续种子光和off
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line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至信号采集处理和控制子系统，信号采集处理和控制子系统用于接收拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；
[0008]波长捷变模块用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频。
[0009]本专利技术所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，激光发射子系统包括并列设置的On种子激光系统、Off种子激光系统，与On种子激光系统、Off种子激光系统均光连接的波长捷变模块和与波长捷变模块依次光连接的声光调制器、激光振荡器、激光放大器、激光扩束镜；
[0010]On种子激光系统用于发射CO2强吸收的on
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line连续种子光，Off种子激光系统用于发射CO2弱吸收的off
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line连续种子光,波长捷变模块用于通过偏振控制元件实现on
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line连续种子光和off
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line连续种子光的不同时序的可控注入锁频，声光调制器用于进行on
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line连续种子光和off
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line连续种子光的频移以进行拍频外差探测，激光振荡器用于采用注入锁定设计对交替切换的on
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line连续种子光和off
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line连续种子光注入进行脉冲放大并输出on
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line波长单频脉冲激光和off
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line波长单频脉冲激光，激光放大器用于接收on
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line波长单频脉冲激光和off
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line波长单频脉冲激光进行准直扩束后输出on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源，激光扩束镜用于对on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源进行准直扩束并输出至望远镜收发子系统。
[0011]本专利技术所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，波长捷变模块包括设置在Off种子激光系统输出端依次光连接的第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、RTP电光调制器、第二偏振分光棱镜和依次设置在On种子激光系统输出端的第二1/2波片、全反射镜，全反射镜的输出端与第一偏振分光棱镜的另一个输入端光连接，第一偏振分光棱镜与第二偏振分光棱镜轴向相同，RTP电光调制器中设置RTP晶体，RTP晶体的晶体轴向设置在未施加电场时不改变入射光偏振态的位置上；
[0012]第一1/2波片用于调节off
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line连续种子光的偏振态，第二1/2波片用于调节on
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line连续种子光的偏振态，on
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line连续种子光的偏振态与off
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line连续种子光的偏振态互相垂直，反射镜用于将第二1/2波片输出的on
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line连续种子光反射至第一偏振分光棱镜的另一个输入端，第一偏振分光棱镜用于将输入的on
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line连续种子光和off
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line连续种子光耦合成一束种子激光，RTP晶体用于在未通电时将第一偏振分光棱镜输出的种子激光输出至第二偏振分光棱镜，RTP晶体用于在通电时将第一偏振分光棱镜输出的种子激光的偏振态旋转90
°
后输出至第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜用于对RTP晶体输出的激光进行检偏以使偏振态与第二偏振分光棱镜相同的种子激光输出至声光调制器、偏振与第二偏振分光棱镜不同的种子激光反射。
[0013]本专利技术所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，作为优选方式，激光发射子系统还包括与激光振荡器电连接的注入锁定模块，激光振荡器用于在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射子系统(1)、设置在所述激光发射子系统(1)输出端的望远镜收发子系统(2)，与所述望远镜收发子系统(2)光连接的相干探测子系统(3)和与所述激光发射子系统(1)、所述相干探测子系统(3)均电连接的信号采集处理和控制子系统(4)，所述激光发射子系统(1)包括波长捷变模块(11)；所述激光发射子系统(1)用于使用两台种子激光器作为主激光器、通过所述波长捷变模块(11)分时注入到激光振荡器中产生交替发射的on
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line波长探测光源和off
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line波长探测光源并输出至所述望远镜收发子系统(2)，所述望远镜收发子系统(2)用于接收所述on
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line波长探测光源和所述off
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line波长探测光源并发送至大气，所述望远镜收发子系统(2)用于接收所述on
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line波长探测光源和所述off
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line波长探测光源与大气中的二氧化碳相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至所述相干探测子系统(3)，所述相干探测子系统(3)用于接收所述相干探测回波信号并将所述相干探测回波信号与交替发射的on
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line连续种子光和off
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line连续种子光进行相干拍频转换为拍频信号输出至所述信号采集处理和控制子系统(4)，所述信号采集处理和控制子系统(4)用于接收所述拍频信号并转换为数字拍频信号后计算得到二氧化碳浓度廓线；所述波长捷变模块(11)用于通过偏振控制元件实现两台种子激光器不同时序的可控注入锁频。2.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射子系统(1)包括并列设置的On种子激光系统(12)、Off种子激光系统(13)，与所述On种子激光系统(12)、所述Off种子激光系统(13)均光连接的波长捷变模块(11)和与所述波长捷变模块(11)依次光连接的声光调制器(14)、激光振荡器(15)、激光放大器(16)、激光扩束镜(17)；所述On种子激光系统(12)用于发射CO2强吸收的所述on
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line连续种子光，所述Off种子激光系统(13)用于发射CO2弱吸收的所述off
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line连续种子光,所述波长捷变模块(11)用于通过偏振控制元件实现所述on
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line连续种子光和所述off
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line连续种子光的不同时序的可控注入锁频，所述声光调制器(14)用于进行所述on
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line连续种子光和所述off
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line连续种子光的频移以进行拍频外差探测，所述激光振荡器(15)用于采用注入锁定设计对交替切换的所述on
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line连续种子光和所述off
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line连续种子光注入进行脉冲放大并输出on
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line波长单频脉冲激光和off
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line波长单频脉冲激光，所述激光放大器(16)用于接收所述on
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line波长单频脉冲激光和所述off
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line波长单频脉冲激光进行准直扩束后输出所述on
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line波长探测光源和所述off
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line波长探测光源，所述激光扩束镜(17)用于对所述on
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line波长探测光源和所述off
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line波长探测光源进行准直扩束并输出至所述望远镜收发子系统(2)。3.根据权利要求2所述的一种大气二氧化碳浓度探测差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述波长捷变模块(11)包括设置在所述Off种子激光系统(13)输出端依次光连接的第一1/2波片(111)、第一偏振分光棱镜(112)、RTP电光调制器(113)、第二偏振分光棱镜(114)和依次设置在所述On种子激光系统(12)输出端的第二1/2波片(115)、全反射镜(116)，所述全反射镜(116)的输出端与所述第一偏振分光棱镜(112)的另一个输入端光连接，所述第一
偏振分光棱镜(112)与所述第二偏振分光棱镜(114)轴向相同，所述RTP电光调制器(113)中设置RTP晶体，所述RTP晶体的轴向设置在未施加电场时不改变入射光偏振态的位置上；所述第一1/2波片(111)用于调节所述off
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line连续种子光的偏振态，所述第二1/2波片(115)用于调节所述on
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line连续种子光的偏振态，所述on
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line连续种子光的偏振态与所述off
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line连续种子光的偏振态互相垂直，所述反射镜(114)用于将所述第二1/2波片(115)输出的所述on
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line连续种子光反射至所述第一偏振分光棱镜(112)的另一个输入端，所述第一偏振分光棱镜(112)用于将输入的所述on
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line连续种子光和所述off
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line连续种子光耦合成一束种子激光，所述RTP电光调制器(113)用于在未通电时将所述第一偏振分光棱镜(112)输出的所述种子激光输出至所述第二偏振分光棱镜(114)，所述RTP电光调制器(113)用于在通电时将所述第一偏振分光棱镜(112)输出的所述种子激光的偏振态旋转90
°
后输出至所述第二偏振分光棱镜(114)，所述第二偏振分光棱镜(114)用于对所述RTP电光调制器(113)输出的激光进行检偏以使偏振态与所述第二偏振分光棱镜(114)相同的所述种子激光输出至所述声...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一鸣，杨忠东，马勋鹏，柳佳欣，胡秀清，陈林，
申请(专利权)人：航天长征火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：