一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达制造技术

本发明专利技术公布了一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块、望远镜接收模块以及和频与鉴频模块。激光发射模块产生单频激光脉冲信号，望远镜接收模块接收和探测激光雷达回波信号，和频与鉴频模块通过非线性晶体使接收的激光雷达回波信号与单频泵浦光信号和频产生与鉴频分子吸收池某一吸收谱线匹配的光子，并通过鉴频分子吸收池进行光谱鉴频，吸收由米散射产生的光子，获取额外的激光雷达方程，实现激光雷达方程精确求解。利用本发明专利技术，可以将高光谱分辨率激光雷达波长转换到常用鉴频分子吸收池的吸收谱线处进行光谱鉴频，降低了多波长高光谱分辨率激光雷达研制难度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达


[0001]本专利技术属于激光雷达遥感
，尤其是涉及一种基于上转换原理的高光谱分辨率激光雷达。

技术介绍

[0002]大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001～100微米的尘埃、烟雾等固体或液体颗粒。其作为大气的次要成分，不仅在辐射收支、空气化学和水文循环方面发挥着重要作用，而且影响环境质量和公众健康。气溶胶的来源和变化、发生、停留时间、物理特性和化学成分在空间和时间上的过程很快。高时空分辨率的激光雷达是一种可以高效地提供全球气溶胶高度观测的方法，可以作为被动遥感仪器的有力补充。在多种激光雷达中，高光谱分辨率激光雷达(HSRL)是一种无需假设消光系数和后向散射系数之比(也称激光雷达比)就可以精确反演气溶胶及云光学特性参数的新型激光雷达系统。单波长高光谱分辨率激光雷达可以获取单个波长下精确的后向散射系数和消光系数等光学特性；拓展到多波长高光谱分辨率激光雷达后可以获取多个波长下精确的光学特性，从而进一步准确推算气溶胶粒子的微物理特性。
[0003]高光谱分辨率激光雷达相比普通的后向散射激光雷达引入了关键的特征器件——光谱鉴频器。光谱鉴频器的性能极为关键，关系到最终光学特性产品反演精度，决定了是否能发挥出高光谱分辨率激光雷达的根本优势。现有的光谱鉴频器分为两类：一类是以碘分子吸收池为代表的吸收型光谱鉴频器；另一类是以法布里珀罗标准具和迈克尔孙干涉仪为代表的干涉型光谱鉴频器。干涉型光谱鉴频器设计使用不受激光波长限制，但是干涉仪本身的稳定性、接收视场角以及抑制比等性能较差，难以实现比拟吸收型鉴频器的光谱分辨性能，开发成本和难度均较高；而吸收型光谱鉴频器使用波段受限于分子特性，常用的仅为532nm基于碘分子吸收池的高光谱分辨率激光雷达一种类型，对于需要开发的紫外波段(如355nm)和近红外波段(如1064nm)高光谱分辨率激光雷达，均无合适的吸收型光谱鉴频器。
[0004]因此，发展一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达可以促进多个波段的高光谱分辨率激光雷达的发展，是进一步推动多波段气溶胶光学特性和微物理特性精确反演的技术基础。

技术实现思路

[0005]为了克服现有高光谱分辨率激光雷达光谱鉴频技术的不足，本专利技术旨在提供一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，利用激光雷达发射激光产生的激光雷达回波信号，与高能量的泵浦光信号和频生成上转换信号，该信号波长吻合吸收型光谱鉴频器的吸收谱线，米散射信号可以直接被吸收滤除，其余的分子散射信号经过光谱鉴频器按照一定的信号透过率通过，聚焦到光电倍增管上，在光电倍增管上接收到的光子相对应的TTL信号被记录在光子计数器上，然后在上位机中进行处理。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块1、望远镜接收模块2以及和频与鉴频模块3。激光发射模块1产生频率稳定的激光脉冲输出，其回波散射光信号被望远镜接收模块2接收，主偏振信号经过和频与鉴频模块3获得两路激光雷达信号，分别为混合通道和高光谱分辨通道，两路信号联立可求解目标的精确光学特性参数。所述的激光发射模块1中，连续波单频种子激光器1
‑
1激发产生的散射光中心频率和连续波单频泵浦激光器1
‑
8产生泵浦光中心频率和频后产生和频光信号，和频信号频率落在和频与鉴频模块3中带有温控系统的鉴频分子吸收池3
‑
9分子的某一吸收谱线中心频率上。混合通道信号B
C
与高光谱分辨通道信号B
H
强度分别表示如下：
[0007]B
C
＝η
C
·
(β
a
+β
m
)
·
exp(
‑
2τ),
[0008]B
H
＝η
U
·
η
H
·
(Aβ
a
+Bβ
m
)
·
exp(
‑
2τ).
[0009]其中，β
a
和β
m
分别是气溶胶和分子的后向散射系数，τ是光学厚度，η
U
是和频转换效率，η
H
是除非线性转换和鉴频分子吸收池外的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱分辨通道接收到的气溶胶散射和分子散射的信号透过率，η
T
是混合通道的接收效率。
[0010]激光发射模块1包括连续波单频种子激光器1
‑
1、声光调制器1
‑
2、任意波形发生器1
‑
3、光纤放大器1
‑
4、光隔离器1
‑
5、光纤准直器1
‑
6、激光扩束镜1
‑
7、连续波单频泵浦激光器1
‑
8、光纤放大器1
‑
9、波分复用器1
‑
10、锁频控制系统1
‑
11和带有温控系统的锁频分子吸收池1
‑
12。连续波单频种子激光器1
‑
1出射光在通过声光调制器1
‑
2后被切割成脉冲串，声光调制器由任意波形发生器1
‑
3驱动，该发生器确定激光脉冲的形状及其重复率。弱激光脉冲被馈送到光纤放大器1
‑
4中进行脉冲能量放大。之后，激光脉冲通过光纤准直器1
‑
6从光纤中耦合成空间光，并通过激光扩束镜1
‑
7压缩激光发散角后出射。光隔离器1
‑
5阻挡回射激光损坏激光器。连续波单频种子激光器1
‑
1和连续波单频泵浦激光器1
‑
8产生激光同时输入锁频控制系统1
‑
11产生和频信号后通过带有温控系统的锁频分子吸收池1
‑
12后馈送至锁频控制系统1
‑
11，锁频控制系统1
‑
11产生控制信号调谐连续波单频泵浦激光器1
‑
8频率以锁定到连续波单频种子激光器1
‑
1频率上，频率锁定偏差小于20MHz。从连续波单频泵浦激光器1
‑
8出射的连续激光脉冲经由光纤放大器1
‑
9放大后，再通过波分复用器1
‑
10可以抑制残留的放大自发辐射噪声。泵浦激光通过半波片1
‑
11调节偏振态后出射，作为和频光之一。
[0011]望远镜接收模块2包括望远镜2
‑
1、偏振分光棱镜2
‑
2、窄带滤光片2
‑
3、透镜2
‑
4、光电倍增管2
‑
5、光纤耦合器2
‑
6、半波片2
‑
7、多通道光子计数2
‑
8和上位机2
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块(1)、望远镜接收模块(2)以及和频与鉴频模块(3)，其特征在于：所述激光发射模块(1)发射单频脉冲激光光束到探测目标，产生激光雷达回波信号。所述望远镜接收模块(2)接收激光雷达回波信号并将其分束成偏振通道和混合通道，其中，混合通道信号由光纤耦合器耦合进单模光纤后由和频与鉴频模块(3)处理。所述和频与鉴频模块(3)用于产生混合通道和高光谱分辨通道，通过联立两个通道的激光雷达方程精确反演所测光学参数。所述的激光发射模块(1)中，连续波单频种子激光器(1
‑
1)激发产生的散射光中心频率和连续波单频泵浦激光器(1
‑
8)产生泵浦光中心频率和频后产生和频光信号，和频信号频率落在和频与鉴频模块(3)中带有温控系统的鉴频分子吸收池(3
‑
9)分子的某一吸收谱线中心频率上；混合通道信号B
C
与高光谱分辨通道信号B
H
强度分别表示如下：B
C
＝η
C
·
(β
a
+β
m
)
·
exp(
‑
2τ),B
H
＝η
U
·
η
H
·
(Aβ
a
+Bβ
m
)
·
exp(
‑
2τ).其中，β
a
和β
m
分别是气溶胶和分子的后向散射系数，τ是光学厚度，η
U
是和频过程转换效率，η
H
是除非线性转换和鉴频分子吸收池外的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱分辨通道接收到的气溶胶散射和分子散射的信号透过率，η
T
是混合通道的接收效率。2.根据权利要求1所述的一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，其特征在于：所述的激光发射模块(1)包括连续波单频种子激光器(1
‑
1)、声光调制器(1
‑
2)、任意波形发生器(1
‑
3)、光纤放大器(1
‑
4)、光隔离器(1
‑
5)、光纤准直器(1
‑
6)、激光扩束镜(1
‑
7)、连续波单频泵浦激光器(1
‑
8)、光纤放大器(1
‑
9)、波分复用器(1
‑
10)、锁频控制系统(1
‑
11)和带有温控系统的锁频分子吸收池(1
‑
12)。连续波单频种子激光器(1
‑
1)出射光通过声光调制器(1
‑
2)被切割成脉冲串，声光调制器由任意波形发生器(1
‑
3)驱动；脉冲串被馈送到光纤放大器(1
‑
4)中进行脉冲能量放大；之后，激光脉冲通过光纤准直器(1
‑
6)从光纤中耦合成空间光，并通过激光扩束镜(1

【专利技术属性】
技术研发人员：沈雪，孔伟，陈滔，乐文杰，黄庚华，舒嵘，
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：