[发明专利]基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统

说明书

本发明涉及一种基于全光纤声光调制的钠温风‑瑞利激光雷达系统，包括：半导体激光器、第一放大光纤激光器、第一泵浦激光器、光纤分束器、光纤声光调制单元、光纤合束器、第二光纤放大激光器、第二泵浦激光器、第一倍频模块、第二倍频模块、频率锁定模块、百毫焦级的脉冲泵浦激光器、脉冲染料放大器、精密平移台驱动的532nm反射镜、扩束单元、发射光路单元、接收望远镜单元、后继光路单元、采集单元和控制单元。本发明实现测量80‑105km高度大气温度、风速、钠原子密度和30‑70km的大气温度。

技术领域

本发明涉及一种激光雷达，尤其涉及一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统及方法，用于中间层顶和低热层区域大气温度廓线、风速廓线和钠原子密度廓线、平流层到中间层顶区域大气分子瑞利温度。

背景技术

激光雷达是一种探测大气参数廓线的不可替代的主动光学遥感手段，其发射激光作为系统光源，有着高时空分辨率的特点。近几十年来，激光雷达发展迅速，从最初的大气密度激光雷达，到现在各种功能的激光雷达，例如测温激光雷达，测风激光雷达，原子密度激光雷达，二氧化碳激光雷达，痕量气体激光雷达等等。

对流层大气以上的中高层大气是各种大气波动的活跃区域，像各种类型的大气重力波、大气潮汐波和行星波等，这些大气波动会影响大气的能量平衡和动量平衡，从而驱动大气环流变化和影响空间天气环境变化。为研究这些问题，需通过探测大气要素的垂直分布廓线，来提取大气波动信息，从而进一步研究空间环境变化和气候变化。探测平流层和中间层大气温度廓线的一种有效手段是瑞利激光雷达。目前，世界各地已部署有很多瑞利激光雷达，用于探测大气温度和风场，其中较多的是瑞利测温激光雷达，瑞利测风激光雷达相对较少。探测中间层顶和低热层区域大气温度和风速探测主要利用窄带钠温风激光雷达。美国科罗拉多州立大学和科罗拉多大学合作率先基于染料种子激光器、空间声光调制结合光斩波器实现了钠激光雷达的温度和风速测量。国内中国科学技术大学、中国科学院空间科学应用中心和武汉数学物理研究所都相继研制出了钠温风激光雷达。在这些窄带钠温风激光雷达系统中，其中一个重要的问题是如何实现发射三个频率的激光。声光调制是实现频率变化的器件，而对于声光调制跳频实现方式和变频后的激光发射方式，目前技术上可以分为三种：第一种是空间光跳频结合光闸陷阱方式实现三个频率分时发射，第二种是空间光跳频结合斩光盘方式实现三个频率分时发射，第三种是利用光纤声光调制结合磁光开关实现三个频率分时发射。第一种方式采用空间光的耦合方式受环境条件影响大，振动、温度和气流都会影响调制部分的稳定性，光闸陷阱由于机械零件的动作时间和振荡的影响，其工作频率不能很快，通常只能几秒打开关闭切换一次，对于三个频率的切换时间间隔偏大。第三种光纤声光调制结合磁光开关的方式的稳定性要比前两种高，但磁开关的切换速度一般是毫秒量级，对于激光脉冲频率高的场合快速切换适用性不好，另外磁开关用的比较多场合是光通信方面，常规产品的工作波长不适合钠温风激光雷达，定制适合钠温风激光雷达的费用较高，且光效率不高。此外，在激光雷达系统层面而言，目前都是独立工作的钠温风激光雷达和瑞利激光雷达系统，还没有整体性的钠温风-瑞利激光雷达。

发明内容

本发明技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，实现测量80-105km高度大气温度、风速、钠原子密度和30-70km的大气温度。

系统采用半导体激光器输出1178nm种子激光，种子激光通过一级光纤放大分成两路，一路倍频后用于激光频率锁定，一路经过全光纤声光调制实现测量80-105km高度钠层温度和风速所需的三个频率激光的微秒甚至纳秒级的快速切换，利用钠层温度风速所用到的532nm泵浦光源，通过分时切换方式实现30-70km的温度探测，从而最终实现一种基于全光纤声光调制的钠温风-瑞利激光雷达系统，满足探测中间层顶和低热层区域80-105km高度大气温度、风速和钠原子密度，以及30-70km高度范围的大气温度的需要，实现单发脉冲切换激光频率的和快速切换波长钠温风激光雷达-瑞利激光雷达系统。