[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

本發明涉及一種基于全光纖聲光調制的鈉溫風?瑞利激光雷達系統，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。本發明實現測量80?105km高度大氣溫度、風速、鈉原子密度和30?70km的大氣溫度。

技術領域

本發明涉及一種激光雷達，尤其涉及一種基于全光纖聲光調制的鈉溫風-瑞利激光雷達系統及方法，用于中間層頂和低熱層區域大氣溫度廓線、風速廓線和鈉原子密度廓線、平流層到中間層頂區域大氣分子瑞利溫度。

背景技術

激光雷達是一種探測大氣參數廓線的不可替代的主動光學遙感手段，其發射激光作為系統光源，有著高時空分辨率的特點。近幾十年來，激光雷達發展迅速，從最初的大氣密度激光雷達，到現在各種功能的激光雷達，例如測溫激光雷達，測風激光雷達，原子密度激光雷達，二氧化碳激光雷達，痕量氣體激光雷達等等。

對流層大氣以上的中高層大氣是各種大氣波動的活躍區域，像各種類型的大氣重力波、大氣潮汐波和行星波等，這些大氣波動會影響大氣的能量平衡和動量平衡，從而驅動大氣環流變化和影響空間天氣環境變化。為研究這些問題，需通過探測大氣要素的垂直分布廓線，來提取大氣波動信息，從而進一步研究空間環境變化和氣候變化。探測平流層和中間層大氣溫度廓線的一種有效手段是瑞利激光雷達。目前，世界各地已部署有很多瑞利激光雷達，用于探測大氣溫度和風場，其中較多的是瑞利測溫激光雷達，瑞利測風激光雷達相對較少。探測中間層頂和低熱層區域大氣溫度和風速探測主要利用窄帶鈉溫風激光雷達。美國科羅拉多州立大學和科羅拉多大學合作率先基于染料種子激光器、空間聲光調制結合光斬波器實現了鈉激光雷達的溫度和風速測量。國內中國科學技術大學、中國科學院空間科學應用中心和武漢數學物理研究所都相繼研制出了鈉溫風激光雷達。在這些窄帶鈉溫風激光雷達系統中，其中一個重要的問題是如何實現發射三個頻率的激光。聲光調制是實現頻率變化的器件，而對于聲光調制跳頻實現方式和變頻后的激光發射方式，目前技術上可以分為三種：第一種是空間光跳頻結合光閘陷阱方式實現三個頻率分時發射，第二種是空間光跳頻結合斬光盤方式實現三個頻率分時發射，第三種是利用光纖聲光調制結合磁光開關實現三個頻率分時發射。第一種方式采用空間光的耦合方式受環境條件影響大，振動、溫度和氣流都會影響調制部分的穩定性，光閘陷阱由于機械零件的動作時間和振蕩的影響，其工作頻率不能很快，通常只能幾秒打開關閉切換一次，對于三個頻率的切換時間間隔偏大。第三種光纖聲光調制結合磁光開關的方式的穩定性要比前兩種高，但磁開關的切換速度一般是毫秒量級，對于激光脈沖頻率高的場合快速切換適用性不好，另外磁開關用的比較多場合是光通信方面，常規產品的工作波長不適合鈉溫風激光雷達，定制適合鈉溫風激光雷達的費用較高，且光效率不高。此外，在激光雷達系統層面而言，目前都是獨立工作的鈉溫風激光雷達和瑞利激光雷達系統，還沒有整體性的鈉溫風-瑞利激光雷達。

發明內容

本發明技術解決問題：為克服現有技術的不足，提供一種基于全光纖聲光調制的鈉溫風-瑞利激光雷達系統，實現測量80-105km高度大氣溫度、風速、鈉原子密度和30-70km的大氣溫度。

系統采用半導體激光器輸出1178nm種子激光，種子激光通過一級光纖放大分成兩路，一路倍頻后用于激光頻率鎖定，一路經過全光纖聲光調制實現測量80-105km高度鈉層溫度和風速所需的三個頻率激光的微秒甚至納秒級的快速切換，利用鈉層溫度風速所用到的532nm泵浦光源，通過分時切換方式實現30-70km的溫度探測，從而最終實現一種基于全光纖聲光調制的鈉溫風-瑞利激光雷達系統，滿足探測中間層頂和低熱層區域80-105km高度大氣溫度、風速和鈉原子密度，以及30-70km高度范圍的大氣溫度的需要，實現單發脈沖切換激光頻率的和快速切換波長鈉溫風激光雷達-瑞利激光雷達系統。