[發明專利]近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達

在審

• 申請號: 201911115171.8
• 申請日: 2019-11-14
• 公開（公告）號: CN112799099A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 張仁俊
• 申請（專利權）人: 南京紅露麟激光雷達科技有限公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/481;G01S7/483;G01N21/3504;G01N21/359
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達，屬于激光雷達技術領域。近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達包括：用于輸出on波段連續激光，off波段連續激光的激光光源，光開關，脈沖發生器，光放大器，光學收發望遠鏡，濾波器，探測器，采集卡和數據處理模塊。本發明的激光光源采用波長范圍1100～2526nm的近紅外長波波段作為水汽差分吸收的測量波段，相比于常用的近紅外短波，分子瑞利信號可忽略不計，從而提高水汽反演的精度，簡化了反演算法。本發明通過采用光開關實現波分復用，實現了on波段和off波段信號的同時探測，簡化了系統結構，節約系統成本。

技術領域

本發明涉及水汽激光雷達技術領域，尤其涉及一種近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達。

背景技術

水汽是地球大氣層中唯一存在相變的物質，在許多大氣物理和化學過程中都起到很重要的作用。在對流層，水汽影響氣溶膠和云層的形成，并通過相變與環境進行熱交換。水汽在紅外波段有許多吸收帶，所以它是大氣中最重要的溫室氣體，其正負反饋作用對氣溫變化產生巨大影響，貢獻了約60％的溫室效應。

當前大氣水汽的探測方式包括采樣探測和遙感探測，遙感探測又分被動遙感和主動遙感探測。其中被動遙感探測方式包括微波水汽輻射計，基于GPS的探測，傅里葉紅外光譜儀和紅外高光譜大氣探測儀。主動遙感探測主要有兩種，拉曼激光雷達和差分吸收激光雷達。相比被動遙感技術，拉曼激光雷達能夠得到高時空分辨率的水汽廓線，但是由于拉曼散射截面小，所以該雷達需要大功率激光器和大口徑望遠鏡，其在白天的探測性能也大大降低，另外，為了獲得正確的水汽濃度數據，系統需要進行系統常數標定。

相比較而言，差分吸收激光雷達是目前探測水汽廓線最有效的遙感手段，其基本原理為：向大氣發射兩束波長間隔很近的激光，一束激光的波長為λ_on，其位于水汽光譜的吸收峰上，另外一束激光的波長為λ_off，其位于水汽吸收譜線的外測，基本不被水汽吸收或者吸收較弱。由于兩束激光的波長間隔很近(通常是納米量級)，所以可以認為大氣中其他氣體物質及其發射和接收系統對兩束激光的影響基本一樣，從而可以利用兩束激光的回波信號將干涉量差分消去，從而反演出水汽的濃度。

但是，本發明的發明人研究發現：目前，水汽差分吸收激光雷達主要工作在720nm、815nm和935nm波段(近紅外短波波段)。在這些波段，分子瑞利散射影響較大，不能忽略不計，因此，在該波段激光雷達水汽探測時，不僅要考慮氣溶膠的米散射，還要考慮分子的瑞利散射，相應的數據反演非常復雜。此外，現有的水汽差分吸收激光雷達系統體積龐大，結構松散不緊湊，成本高昂。

發明內容

本發明的目的是提供一種近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達，其具有全光纖集成，系統穩定，接收光路結構緊湊、測量精度高的優點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種近紅外全光纖水汽差分吸收激光雷達，包括：激光光源、光開關、脈沖發生器、光學放大器、光學收發望遠鏡、濾波器、探測器、采集卡和數據處理模塊；所述激光光源與光開關、脈沖發生器、光學放大器、光學收發望遠鏡、濾波器、探測器之間采用光纖依次連接，所述探測器和采集卡、數據處理模塊依次連接；

所述激光光源用于產生on波段連續激光和off波段連續激光，所述激光光源產生的激光波長為1100～2526nm；所述on波段連續激光的中心波長為λ_on，其位于水汽光譜的某個吸收峰上；所述off波段連續激光的中心波長為λ_off，其位于水汽吸收譜線的外測；所述on波段連續激光和所述off波段連續激光經光開關后切換分時進入脈沖發生器調制為脈沖光；所述脈沖光經光學放大器放大后，經光學收發望遠鏡發射到大氣中，大氣回波信號經光學收發望遠鏡接收；光學收發望遠鏡輸出的信號經光學濾波器后，由探測器探測，探測的電信號由采集卡采集，采集的信號經數據處理模塊處理。

進一步的，所述脈沖發生器可以為聲光調制器或者電光調制器。