[發明專利]基于全光纖聲光調制的鈉溫風-瑞利激光雷達系統

在審

• 申請號: 202010979442.0
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112099047A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 方欣;薛向輝;李陶;陳廷娣;竇賢康
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88;G01S17/95;G01S7/481;H01S3/10;H01S3/108;H01S3/109;H01S3/11
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

1.一種基于全光纖聲光調制的鈉溫風-瑞利激光雷達系統，其特征在于，包括：半導體激光器、第一放大光纖激光器、第一泵浦激光器、光纖分束器、光纖聲光調制單元、光纖合束器、第二光纖放大激光器、第二泵浦激光器、第一倍頻模塊、第二倍頻模塊、頻率鎖定模塊、百毫焦級的脈沖泵浦激光器、脈沖染料放大器、精密平移臺驅動的532nm反射鏡、擴束單元、發射光路單元、接收望遠鏡單元、后繼光路單元、采集單元和控制單元；

所述半導體激光器，用于輸出幾十mW的KHz量級窄線寬1178nm連續種子激光；

所述第一放大光纖激光器，在所述第一泵浦激光器輸出的1120nm激光泵浦下，在光纖工作物質中初步放大所述半導體激光器輸出的1178nm連續種子激光的功率，輸出放大后的1178nm激光；

所述保偏光纖分束器，將所述第一放大光纖激光器放大后1178nm激光分成兩路，一路為總功率的10％-20％的1178nm激光用于激光頻率鎖定，另一路為總功率的90％-80％的1178nm激光用于輸入給光纖聲光調制部分，用于頻率變換；

所述第一倍頻晶體，將所述保偏光纖分束器分出的為總功率的10％-20％的1178nm激光倍頻為589nm激光，通過鈉原子的飽和熒光光譜或吸收光譜由所述激光頻率鎖定單元精確鎖定所述半導體激光器的激光波長；

所述光纖聲光調制單元，通過光波和聲波相互作用的光纖聲光調制器件將較強的1178nm激光序列調制為1178nm，1178nm+315MHz,1178nm-315MHz的激光，序列后的激光脈沖寬度為毫秒級；光纖聲光調制單元具體包括：第一光纖聲光調制器，第二光纖聲光調制器，第一光纖衰減器，第三光纖聲光調制器，第二光纖衰減器；

所述第一保偏光纖聲光調制器，通過外加射頻調制器信號，實現聲波對光波頻率的調制；第一保偏光纖聲光調制器工作在兩種狀態，一種是調制狀態，另一種是非調制狀態，兩路端口輸出，調制狀態改變光波頻率+315MHz，一個端口輸出；非調制狀態不改變光波頻率，另一個端口輸出，第一保偏光纖聲光調制器工作狀態通過外部TTL電頻控制聲光驅動器來實現；

所述第二保偏光纖聲光調制器，同樣工作在兩種狀態，一種是調制狀態，另一種是非調制狀態，調制狀態改變光波頻率-315MHz，一個端口輸出；非調制狀態不改變光波頻率，另一端口輸出，該第二偏光纖聲光調制器工作狀態通過外部TTL電頻控制聲光驅動器來實現；

所述第三保偏光纖聲光調制器，同樣工作在兩種狀態，一種是調制狀態，另一種是非調制狀態，調制狀態改變光波頻率-315MHz，一個端口輸出；非調制狀態不改變光波頻率，另一端口輸出，但不使用，該第三偏光纖聲光調制器工作狀態通過外部TTL電頻控制聲光驅動器來實現；

所述第一保偏光纖衰減器，連接于所述第二保偏光纖聲光調制器的非調制端口，通過調節改變光功率信號強度；

所述第二保偏光纖衰減器，為手動或電動衰減器，連接于所述第三保偏光纖聲光調制器的調制端口，通過手動或電壓調節改變光功率信號強度；

所述光纖耦合器，用于將所述第一保偏光纖衰減器的輸出、第二保偏光纖衰減器的輸出和所述第二保偏光纖聲光調制器耦合為一路輸出；

所述第二放大光纖激光器，在所述第二泵浦激光器輸出的1120nm激光泵浦下，在光纖工作物質中初步放大所述光纖耦合器輸出的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光功率；

所述第二倍頻晶體，用于將放大后的1178nm、1178nm+315MHz、1178nm-315MHz的激光倍頻為589.158nm、589.158nm+630MHz、589.158nm-630MHz激光，倍頻后的589.158nm及其側翼三個頻率激光作為種子激光輸入至所述脈沖染料放大器；

所述脈沖染料放大器，將第二倍頻晶體輸出的毫秒級的寬脈沖589.158nm及其側翼的三個頻率種子激光，在百毫焦級的脈沖泵浦激光器輸出的532nm激光泵浦下，放大為峰值功率兆瓦級的10納秒級脈沖589.158.158nm及其側翼的三個頻率窄脈沖激光；

所述精密平移臺驅動的532nm反射鏡，設置于所述泵浦脈沖染料放大器的光路上，進行鈉溫風探測時，將532nm反射鏡快速挪開，使百毫焦級的的脈沖泵浦激光器泵浦所述脈沖染料放大器；進行瑞利溫度探測時，將532nm反射鏡快速移到光路上，45度角轉折到532nm的發射光路上；

所述激光擴束鏡，采用伽利略式結構，改變激光雷達的發射激光發散角，使發射激光發散角滿足所述接收望遠鏡視場角要求，532nm和589nm分別設置一個激光擴束鏡；

所述發射光路單元，包含光路轉折反射鏡和帶有電機驅動的發射反射鏡，用于將所述激光擴束鏡擴束后的589.158nm附近三個頻率激光光束和532nm激光發射到大氣中；

所述接收望遠鏡單元，用于接收激光和大氣相互作用后的后向散射回波信號，后向散射回波信號包含有瑞利散射信號共振鈉熒光后向散射信號；

所述后繼光路單元，將所述接收望遠鏡接收的回波信號提取出有效回波信號，并轉換為電信號，供采集裝置采集；532nm和589nm回波信號分別通過兩路獨立探測；所述后繼光路單元包含有斬光盤、準直透鏡、532nm濾光器、589nm濾光器，匯聚透鏡和光電倍增管；

所述采集單元，將電信號采集記錄為回波信號，并存儲在采集計算機的硬盤上，通過分析處理采集的回波信號，得到溫度、風速和鈉原子密度；

所述控制單元，包含工作時序控制部分和部件動作控制部分，所述工作時序控制部分用于協調鈉溫風-瑞利激光雷達系統中泵浦激光器、聲光調制單元、激光鎖頻單元、脈沖染料放大器、發射耦合單元和所述采集裝置按序進行工作；所述部件動作控制部分，用于控制發射耦合光路中的光束發射天線。