[发明专利]全光纤激光雷达气溶胶探测装置

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达领域，特别涉及一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001-100um的液体或固体微粒，它的产生受自然源(火山、沙尘暴等)和人工源(工业、农业活动等)多方面因素的影响。虽然气溶胶在大气中的含量相对较少，却可以改变大气的循环模式，影响局部地区的空气质量和气候变化，甚至危及人们的人身健康和生存环境。因此，对气溶胶探测的研究近年来也受到越来越多的重视。

激光雷达是大气参数探测的有效手段之一，是一种具有高时空分辨率，可以连续监测气溶胶变化的主动遥感设备。由于激光发散角小、波长短、能量密度高、单色性好等特性，能有效的与大气气溶胶粒子相互作用，使激光雷达可以有效的监测气溶胶光学特性及分布特征，弥补过去传统探测仪器的不足。

常用的用来精确测量反演大气气溶胶分布信息的有拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达，两者相比，拉曼激光雷达是一种结构相对简单，成本低廉，新兴的一种气溶胶探测雷达技术，通过激光和气溶胶粒子非弹性散射间接反演获得气溶胶特性信息，必须考虑气溶胶粒子组分、散射光谱及抑制其他散射信号等的影响。米氏散射激光雷达是最为常见的一种用来测量气溶胶特性的雷达，利用激光与大气气溶胶粒子之间的米氏散射获得相应的回波信号，散射回波与散射粒子(如气溶胶)有关，因而可以反演计算出表征散射粒子特性的某些参数(参考[1]周军，岳古明等.大气气溶胶光学特性激光雷达探测[J].量子电子学报，1988，15(2))。

先前技术[2](伯广宇等.探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达[J].光学学报，2010,30(1))给出了合肥地区对流层温度、气溶胶的常规观测数据，采用532nm脉冲固体激光器，在20Hz重频下，累计10000次脉冲信号获得30m的空间分辨率；先前技术[3](Zhou jun,et al.Two-Wavelength Mie Lidar for Monitoring of Tropospheric Aerosol[J].Acta Optica Sinica,2000,20(10))建立了一台双波长Mie散射激光雷达，同时探测532nm和1064nm两个波长对流层气溶胶消光系数的垂直廓线，也是采用脉冲固体激光器、空间光路来实现回波信号探测，结构庞大复杂(需水冷)，重频低，分辨率有限。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种连续高重频、高灵敏度全光纤激光雷达气溶胶探测装置，采用全光纤结构实现，能够实现高达20kHz，皮瓦量级的信号探测；具有很高的时空分辨率，整个系统体积小，稳定性高。

技术方案：一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，包括：

信号发射通道，用于发出激光信号；

信号接收通道，用于接收发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生的回波信号；

信号处理通道，用于将回波信号转换为电信号并进行分析处理；

所述信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道为全光纤结构。

所述信号发射通道与信号接收通道之间设置环形器，用于将激光信号的发射与回波信号的接收光路同轴，环形器还与信号处理通道相连，信号接收通道接收的回波信号经由环形器输送到信号处理通道。

所述环形器为三端口结构，环形器的端口Ⅰ连接信号发射通道，环形器的端口Ⅱ连接信号接收通道，环形器的端口Ⅲ连接信号处理通道，信号发射通道发出的激光信号输入到端口Ⅰ后由端口Ⅱ输出至信号接收通道，信号接收通道接收到的回波信号输入到端口Ⅱ由端口Ⅲ输出至信号处理通道。

所述信号发射通道包括脉冲光纤激光器和光隔离器，脉冲光纤激光器为全光纤结构，用于发出激光信号及对激光信号的脉宽和功率进行调节。采用全光纤结构脉冲激光器作为信号源，具有高重频、高平均功率、脉宽、功率可调节的特点，光束质量高，结构稳定，无需水冷。

所述光隔离器为光纤隔离器，通过光纤熔接与脉冲光纤激光器连接，用于消除回波信号的对激光器的影响。

所述信号接收通道包括沿所述激光信号传播方向依次设置的传导光纤、望远镜系统，望远镜系统包括目镜和物镜，传导光纤位于目镜的前焦面处，与目镜完成光纤耦合器功能。

所述传导光纤为粗纤芯的多模光纤，传导光纤的数值孔径NA>＝0.18，具有大数值孔径。

所述信号处理通道包括沿依次设置的滤波片、雪崩光电二极管、光子计数器及数据处理系统。雪崩光电二极管配合滤波片使用具有增益和灵敏度高、响应速度快的特点，能够实现微弱信号的实时检测，增加整体探测能力。