[发明专利]基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统

说明书

本发明提供了一种基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统，双波长激光器系统交替发射锁定在碘分子吸收谱线左右边沿上的高能脉冲激光，经激光发射系统发射进入大气；光学接收天线系统接收大气后向散射回波信号后，依次通过光纤、光纤准直器、窄带滤光片、FP窄带滤波器、机械斩波器，经过分光镜分成两路信号，一路为能量监测通道，该路信号直接进入光电倍增管，另外一路为碘池测量通道，该路信号经过碘分子吸收池后，通过汇聚镜进入光电倍增管；数据采集处理及控制系统中的光子计数卡模块记录能量监测通道和碘池测量通道采集所得光子数，PC机进行相关风场反演。本发明基于碘分子吸收池的双边沿多普勒频移测量，可以有效增大系统测量灵敏度。

技术领域

本发明属于大气科学领域，特别涉及激光雷达探测技术领域。

背景技术

由于激光雷达是一种方向性好、时空分辨率高和非接触式的大气遥感探测工具，可以通过激光与大气成分相互作用所产生的后向散射信号的各种物理特性，实现探测大气温度、密度、化学成分以及风向和风速。使用激光雷达对中高空大气的风速和风向进行高时空分辨率探测，能有效提高中短期数值天气预报的准确性，同时对促进空间天气研究发展和保障航空器与航天器安全运行具有重大意义。

目前中高空大气风速的直接探测方法主要是由激光器向大气发射高能脉冲激光，利用高分辨率光谱器件陡峭的光谱边沿检测大气回波信号的多普勒频移，进而根据多普勒频移与速度的关系公式反演得出。目前的主流工程实现方案是使用两个Fabry-Perot标准具进行双边沿多普勒频移检测和使用一个碘分子吸收池进行单边沿多普勒频移检测。双边沿多普勒频移检测的系统灵敏度高于单边沿的方法，因此使用两个Fabry-Perot标准具进行双边沿多普勒频移检测的系统整体探测性能明显优于使用一个碘池进行单边沿多普勒频移检测。但是Fabry-Perot标准具的高造价、严苛的光路质量要求限制了其应用推广。碘分子吸收池具有较低造价的优势，同时对工作环境的适应性更强，光路质量的要求更低，但是目前主流方案是使用单边沿进行多普勒频移检测，其系统灵敏度仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种灵敏度更高的高空大气风场垂直轮廓线探测技术。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统，包括双波长激光器系统、激光发射系统、光学接收天线系统和数据采集处理及控制系统；激光发射系统包括电控可旋转半波片、偏振分束器、全反射镜、扩束单元；光学鉴频系统包括光纤准直镜、窄带滤波片、FP干涉仪、机械斩波器、分光镜、汇聚镜、碘分子吸收池、光电倍增管；数据采集处理及控制系统包括光子计数卡模块和PC机；双波长激光器系统交替发射锁定在碘分子吸收谱线左右边沿上的高能脉冲激光，经电控可旋转半波片和偏振分束器进行发射通道选择，最后经过扩束镜单元和全反射镜发射进入大气；光学接收天线系统接收大气后向散射回波信号后，依次通过光纤、光纤准直器、窄带滤光片、FP窄带滤波器、机械斩波器，经过分光镜分成两路信号，一路为能量监测通道，该路信号直接进入该通道的光电倍增管，另外一路为碘池测量通道，该路信号经过碘分子吸收池后，通过汇聚镜进入该通道的光电倍增管；所述数据采集处理及控制系统中的光子计数卡模块记录能量监测通道和碘池测量通道采集所得光子数，PC机进行相关风场反演。

本发明基于碘分子吸收池的双边沿多普勒频移测量，可以有效增大系统测量灵敏度，获得更小的测量误差和更好的系统可靠性和可维护性；同时双波长激光器系统进行高效持续的高能激光输出，有效提升了测量范围。并利用光学鉴频系统的窄带滤波片和FP干涉仪组成的双级超窄滤光器，仅允许激光波长两边小范围的光回波信号通过，让激光雷达系统具有昼夜观测的能力。