一种气象探测激光雷达制造技术

一种基于相位移频器和相干外差检测技术的瑞利散射气象激光雷达，包括种子激光器、脉冲开关、光放大器、倍频器、光学收发天线、IQ调制器、光纤合束器、平衡探测器、移频控制电路、采集处理电路，本发明专利技术采用相干外差检测方式来检测信号且外差检测的本振光信号由相位移频器输出，具备可变化的频移量，从而可对瑞利散射的多普勒频移谱进行精密测量，最终可同时得到目标大气的径向速度、温度、密度信息。密度信息。密度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种气象探测激光雷达


[0001]本专利技术属于气象激光雷达领域，特别涉及一种气象探测激光雷达。

技术介绍

[0002]气象激光雷达是指通过发射激光能量来主动探测大气的温度、湿度、风场等气象要素的遥感探测设备，激光与大气的相互作用过程非常多，在低能级条件下主要有以下几个类型：布里渊散射、气溶胶米散射、分子拉曼散射、分子瑞利散射，利用不同的作用过程进行探测可获得丰富的大气要素信息。例如米散射可用来获得能见度、风速等信息，拉曼散射可用来获得大气成分、温度等信息。此处讨论的是分子瑞利散射。
[0003]由于空气分子的运动速度分布符合麦克斯韦—玻尔兹曼速度分布律，因此光子与分子的弹性碰撞过程也存在符合该分布律的多普勒频移分布，故而气体速度的分布是直接与气体温度相关联的，亦即瑞利散射的多普勒频移呈现钟形。瑞利谱反应了多个大气参数，其中心位置反应了径向风速的信息；面积反应了密度信息；形状还反应了温度信息，温度变化时钟形分布的面积不变，高温时钟形会变宽变低，低温时钟形会变窄变高。因此如果能够获得完备的瑞利谱，就可获得多种大气参数。
[0004]由于分子运动的平均速度达到近500米/秒，因此瑞利散射的谱宽会比较宽，在532nm波长激光照射下，常温气体的FWHM会有3GHz左右的宽度。用F
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P干涉仪扫描得到瑞利散射的多普勒谱形状后就可以得到气体的多种信息。但在大气低层，由于存在气溶胶，瑞利谱往往叠加有高出瑞利散射能量2
‑
3个数量级的米散射信号，这就使得直接用F
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>P干涉仪进行扫描检测仅仅能适用于3万米以上的高空，因为只有在这一高度以上才一般不存在气溶胶干扰。为了能够在低空使用瑞利散射来进行测温，目前已有的尝试是设计极窄的陷波方案来滤除位于发射波长附近的气溶胶信号。例如使用碘分子超精细吸收线来设计吸收池，并调谐发射波长与之匹配，使得只剩下两翼的边频用于测温。然而即使不考虑F
‑
P干涉仪的技术复杂性和成本问题，这一方法的缺点也是明显的：速度谱的整体形状严重变形，已无法恢复出中心频移(对应于风场)、谱面积(对于于大气密度)等其它要素。
[0005]由以上分析可见，由于巨大的米散射能量的叠加，使得低空的瑞利信号的分离和检测都面临极大的困难，严重制约了瑞利散射激光探测的发展。

技术实现思路

[0006]为了克服现有不足，本专利技术的目的在于提出一种基于IQ调制器进行相位移频的相干外差接收方法对瑞利散射信号进行测量，从而可得到完备的瑞利散射信息的气象激光探测雷达。
[0007]本专利技术的目的是采用以下技术方案来实现。依据本专利技术提出的一种气象探测激光雷达，所述激光雷达采用相干外差检测方式来检测信号，包括
[0008]种子激光器：用于产生激光信号，所述种子激光器包括激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光信号通过激光器第一输出端传输至脉冲开关、通过激光器第二输出端
传输至IQ调制器；
[0009]脉冲开关：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行脉冲整形并将脉冲整形后的激光信号传输至光放大器；
[0010]光放大器：用于对从脉冲开关传输过来的激光信号进行放大并将放大后的激光信号传输至第一倍频器；
[0011]第一倍频器：用于对从光放大器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的激光信号传输至光学天线；
[0012]光学收发天线：用于接收从第一倍频器传输过来的激光信号并将信号传输至光纤合束器；
[0013]IQ调制器：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行相位移频并将移频后的信号传输至第二倍频器；
[0014]第二倍频器：用于对从IQ调制器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的信号传输至光纤合束器，通过IQ调制器进行相位移频的激光信号在第二倍频器的作用下进行信号倍频后得到连续的本振光信号，本振光信号具备可变化的频移量；
[0015]光纤合束器：用于将从光学收发天线和第二倍频器传输过来的两路激光信号合束到一根光纤中并将合束后的信号传输至平衡探测器；
[0016]平衡探测器：用于对从光纤合束器传输过来的信号进行处理得到电学差拍信号并将电学差拍信号输出至采集处理电路；
[0017]采集处理电路：用于采集给定带宽内的信号能量。
[0018]进一步的，种子激光器产生的信号为窄线宽且频率稳定的连续激光信号。
[0019]进一步的，从种子激光器第一输出端输出的激光信号依次通过脉冲开关、光放大器、第一倍频器，光学收发天线进行整形、放大、倍频后形成能量脉冲。
[0020]进一步的，激光能量输出为脉冲方式，从而可以获得待测参数随路径的分布。
[0021]借由上述技术方案，本专利技术的优点是：本专利技术的气象探测激光雷达同时获得完备的瑞利散射信息，并计算出径向风速、大气温度和大气密度这三个关键要素，且米散射能量不会影响测量精度，可以在大气低层进行探测。
[0022]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0023]图1是本专利技术一种气象探测激光雷达的结构示意图。
[0024]图2是本专利技术一种气象探测激光雷达的结构方案框图。
[0025]图3是本专利技术中的多普勒回波频谱图。
具体实施方式
[0026]为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种气象探测激光雷达其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0027]请参阅图1和图2，一种气象探测激光雷达，包括种子激光器、脉冲开关、光放大器、倍频器、光学收发天线、IQ调制器、光纤合束器、平衡探测器、移频控制电路、采集处理电路。
[0028]IQ调制器包括多个并接的相位调制器，IQ调制器具体原理如下：
[0029]相位调制器是一种电光调制器件，可通过电压控制平面光波导的折射率变化来控制光场的相位；将两个相位调制器并接时就构成了马赫曾德干涉仪(MZI)；将两个子MZI并接构成一个母MZI且在一条支路上添加附加的π/2相移后就构成了IQ调制器。
[0030]IQ调制器的驱动信号包括三个直流偏置和两个交流驱动，在适当的驱动信号配合下，IQ调制器的输出频谱可以变为只含有移动了基频步长的主频和少量的3倍频，从而完成相位移频的功能。本专利技术采用基于IQ调制器进行相位移频的相干外差接收方法对瑞利散射信号进行测量，从而可得到完备的瑞利散射信息
[0031]种子激光器产生一个窄线宽且频率稳定的连续激光信号，种子激光器有两个输出端，分别为激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光器第一输出端和激光器第二输出端将种子激光器产生的激光信号分为两路；激光器第一输出端与脉冲开关的输入端相连，其中一路激光信号通过第一输出端进入脉冲开关，脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气象探测激光雷达，其特征在于：所述激光雷达采用相干外差检测方式来检测信号，包括种子激光器：用于产生激光信号，所述种子激光器包括激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光信号通过激光器第一输出端传输至脉冲开关、通过激光器第二输出端传输至IQ调制器；脉冲开关：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行脉冲整形并将脉冲整形后的激光信号传输至光放大器；光放大器：用于对从脉冲开关传输过来的激光信号进行放大并将放大后的激光信号传输至第一倍频器；第一倍频器：用于对从光放大器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的激光信号传输至光学天线；光学收发天线：用于接收从第一倍频器传输过来的激光信号并将信号传输至光纤合纤器；IQ调制器：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行相位移频并将移频后的信号传输至第二倍频器；第二倍频器：用于对从IQ调制器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的信号传输至光纤合束器，通过IQ...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟东力，董文雅，刘栋，张祥，宋一平，李尧，许家慈，
申请(专利权)人：北京聚恒博联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：