[发明专利]基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达

说明书

本发明公开了一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，该激光雷达使用非相干的非相干作为光源，利用滤波技术滤出两个工作波长的激光，一个工作波长位于气体吸收线的峰值处，另外一个工作波长偏离气体吸收线，通过探测这两束激光的大气回波信号可实现大气气体成分的差分吸收探测。本发明采用时分复用技术，仅使用单个探测器完成了对参考激光和信号光的测量，提高了系统得集成度。本发明可实现对气体吸收线位于非相干光源频谱范围的气体(如水汽、CO2、HCN、CO等)进行探测。本发明采用非相干探测技术、波分复用技术和时分复用技术，实现对气体成分的探测，具有系统集成度高、全光纤链接、结构紧凑、造价低、人眼相对安全等优点。

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达。

背景技术

差分吸收激光雷达以其高的时间分辨率、高的空间分辨率、长探测距离、高测量精度和全天候工作等优点，使其成为大气气体成分测量的主要仪器。差分吸收技术和三维扫描技术的结合，可实现对大气成分的高时空分辨的三维成像，其应用得到越来越多国家和地区的关注。

差分吸收激光雷达通常采用两个工作频率，其中一个频率的激光锁定在气体吸收线处，另外一个频率的激光偏离气体吸收线，通过测量这两束激光的大气回拨信号的差异以反演特定气体的浓度。自20世纪70年代开始，国内外就开展了差分吸收激光雷达的研究，测量的气体成分也多种多样。由于不同气体的吸收谱不同，使用的光源也各不相同，使用的光源包括：CO2激光器、染料激光器、Ho：YLF激光器、拉曼激光器、Nd:YAG激光器、光参量振荡激光器等。例如：1998年Thomas M.Taczak和Dennis K.Killinger报道了大气水汽和CO2探测的基于2μm激光器的差分吸收激光雷达，其采用2.006μm的窄线宽的、波长可连续调谐的Ho：YLF激光器。2003年，Michael A.Krainak等人报道了一种积分路径的1.57μm差分吸收激光雷达，光源采用连续波半导体激光器，通过扫描CO2的吸收线测量CO2的浓度。2008年，德国A.Amediek等人研制了基于种子注入OPO的1.57μm差分吸收激光雷达，并且首次实现了水平方向的大气的CO2浓度探测。其采用分布式反馈激光器作为种子光，利用Nd:YAG激光器作为泵浦光，通过KTP非线性晶体将1064nm光转为1.57μm。2009年，Daisuke Sakaizawa等人研制了基于准相位匹配的光参量振荡器的差分吸收激光雷达。2010年，美国NASA的JamesB.Abshire等人研制了基于光放大器的脉冲差分吸收激光雷达机载系统，其种子光为分布式反馈激光器，其经声光调制器和光放大器后生成峰值功率为25W的脉冲光，并于2013年进行的飞行试验验证了其精度优于1ppmv。

相比于欧美等国，国内差分吸收激光雷达的研制还处于起步阶段。其研制单位有：上海光机所、哈尔滨工业大学、中科院安徽光机所、长春光机所、西南物理所和哈工大光电子技术研究所等。

本发明的发明人经过研究发现：现有的差分吸收激光雷达大多采用窄线宽的相干激光光源，其造价高，结构相对复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，其光源采用非相干光源，该激光雷达具有造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。

本发明是这样实现的：一种基于非相干光源的气体差分吸收激光雷达，包括：光源模块，第一滤波模块、第二滤波模块、第一光开关、第一分束器、光放大器、出射望远镜、接收望远镜、第一光延时元件、第二滤波模块、衰减器、第二分束器、气体吸收池、第二光延时元件、耦合器、探测器、数据采集模块和数字信号处理模块；

所述光源模块用于输出脉冲光；所述第一滤波模块用于对输入的光信号过滤，输出两个工作波长的激光，一个工作波长位于待测气体吸收线的峰值处，另一个工作波长偏离待测气体吸收线；