一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統的製作方法
2023-05-27 13:45:06 1
一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，採用OPO雷射器經擴束器擴束準直後變成平行光束，經反射鏡入射到大氣中，大氣後向散射型號，經望遠鏡接收後，通過窄帶幹涉濾波片抑制雜散光後，透鏡耦合到光纖中，光纖將光信號聚焦在InGaAs?APD單光子計數系統後，通過數據採集卡數據採集處理後，存儲並現實在計算機上，最後，由計算機進行數據信號處理得到大氣氣溶膠參數。
【專利說明】一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，屬於脈衝雷射雷達的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，用於探測氣溶膠雷射雷達系統包括雷射發射單元(脈衝雷射器、雷射擴束和準直)、雷射接收單元(望遠鏡、幹涉濾波片)、信號探測單元和數據採集與處理單元組成。雷射發射單元發射脈衝信號到大氣中，通過望遠鏡接收散射信號，經探測單元探測，經數據採集與處理單元處理後，實現大氣氣溶膠消光比等參數。
[0003]目前，一般雷射雷達採用的雷射波長532nm或者1064nm測量氣溶膠，一般雷射雷達能量比較大(0.1-1J)，探測距離遠，但對人眼安全造成一定的傷害。因此，逐漸發展為一種微脈衝雷射雷達，這種雷射雷達採用低脈衝(1-50UJ)、高重複頻率的雷射光源，通過降低能量實現了對人眼安全的，發展人眼安全的雷射雷達受到探測器件影響。但是這種微脈衝雷射雷達存在如下缺陷:
[0004]1、探測距離比較近，脈衝能量在Uj級別，遠不如初期發展的雷射雷達，能量大的雷射雷達對人群不安全；
[0005]2、從雷射波長來說，人眼虹膜容易吸收1064nm雷射，無論能量多小，對人眼安全是也是有害的；
[0006]3、對於氣溶膠濃度分布比較濃的地方，532nm的穿透能力比較弱，測量距離比較近,而1064nm的雷射能量對人眼不安全。
[0007]4、目前的雷射雷達最長波段是1064nm，對於探測大顆粒的人眼安全的1.5um波段的雷射雷達尚未發現。
【發明內容】
[0008]針對現有技術的不足，本發明提供一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，該雷射雷達系統突破了現有技術壁壘，採用人眼安全波長雷射器和相應的In-Ga-AsAH)單元的單光子計數計數，實現人眼安全、測量距離遠、系統結構簡單的脈衝雷射雷達，該系統主要用於探測雲層高度及氣溶膠密度等大氣參數。
[0009]技術術語:
[0010]OPO雷射器:是一種光學參量振蕩器，是利用非線性晶體的混頻特性實現頻率變換的器件，其中有一個或兩個光波具有振蕩特性，具有可調諧，系統緊湊的特點。
[0011]本發明的技術方案如下:
[0012]一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，包括雷射部、反射雷射採集部和數據採集單元；
[0013]所述的雷射部包括雷射器和擴束器，所述雷射器發出的雷射通過擴束器和一對平行設置的反射鏡實現平移，使所述平移後雷射的出射方向與所述反射雷射採集部同軸設置；所述的雷射器的參數為I)波長範圍:1.4-1.8μπι；2)單脈衝能量:>10uJ ；3)脈衝重複頻率:l-50kHz ;所述的雷射器為OPO雷射器或拉曼雷射器；所述擴束器實現對雷射的擴束和準直，使輸出雷射具有較小發散角；所述OPO雷射器是通過OPO光參量振蕩輸出人眼安全雷射，拉曼雷射器是採用拉曼效應產生的人眼安全波段雷射，人眼安全雷射的波段定義是在1.5-1.8 μ m，此處的雷射攝入到人眼時可以被人眼的角膜吸收，不會攝入到視網膜上，這樣避免了視網膜的損害；
[0014]所述反射雷射採集部包括沿反射雷射反射方向依次設置的望遠鏡、窄帶幹涉濾波片和透鏡；其中所述望遠鏡的尺寸孔徑根據所需要探測的距離來進行決定屬於現有技術內容；
[0015]所述數據採集單元包括InGaAs APD單光子計數系統，所述透鏡通過光纖與所述InGaAs APD單光子計數系統相連；所述InGaAs APD單光子計數系統的參數如下:光子計數率:24MHz ;暗計數率300Hz ;門控速度1GHz。該系統採用上述參數後其探測效率大於16%;本發明採用的技術指標較以往單光子探測系統有很大程度提高。
[0016]所述數據採集單元還包括數據採集卡和計算機；所述數據採集卡採集InGaAs APD單光子計數系統中採集到的雷射數據並將其傳輸至計算機；
[0017]InGaAs APD單光子計數系統和數據採集單元的觸發信號直接來源於所述雷射器的觸發信號；
[0018]所述數據採集卡為實現單光子計數功能的單光子計數卡。
[0019]根據本發明優選的，所述數據採集卡採用MSP-800系列的單光子計數卡，計數卡的參數指標如下，通道方式:雙通道；測量速度:800MHz ;門脈衝寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。數據採集後經現有的Fernand方法處理得到氣溶膠的消光係數，處理方法如下:根據獲得的雷射能量信號先進行距離矯正，並利用通過美國大氣標準分子獲得的大氣分子消光係數進行Fernand算法進行求解，獲得大氣消光係數。
[0020]根據本發明優選的，所述InGaAs APD單光子計數系統，系統採用1.25GHz的正弦門控實現InGaAs ATO探測器處於蓋革模式。此處設計用於實現後向散射探測信號的弱光信號的採集。
[0021]根據本發明優選的，所述望遠鏡的參數如下:
[0022]I)光學設計:施密特-卡塞格林式；
[0023]2)望遠鏡有效孔徑:305_ ；
[0024]3)焦距:3048臟；
[0025]4)焦比:f/10。
[0026]根據本發明優選的，所述窄帶幹涉濾波片為非球面透鏡，參數如下:
[0027]I)中心波長:1535nm ;
[0028]2)帶寬:1.5nm。
[0029]此處所述窄帶幹涉濾波片，其抑制雷射波長以外的雜散光，並輸出後向散射探測信號。窄帶濾波片選用非球面透鏡，避免了光學接收系統的色散問題。
[0030]根據本發明優選的，所述透鏡參數如下:
[0031]I)透鏡焦距:18.4mm ;
[0032]2)數值孔徑:0.15 ;
[0033]3)透鏡形式:非球面透鏡。
[0034]此處的透鏡採用小孔徑非球面透鏡方式，較其他氣溶膠雷射雷達系統相比，從光學方面解決了透鏡匯聚光所帶來的球差的影響，而且可以實現單模光纖信號對探測器的耦合。另外採用小孔徑的非球面透鏡，可以實現實現抑制背景噪聲的目的。
[0035]根據本發明優選的，所述OPO雷射器採用半導體雷射器作為雷射泵浦源，YVO4作為雷射晶體材料，KTA/KTP作為非線性光學晶體材料。
[0036]根據本發明優選的，所述OPO雷射器的輸出雷射能量2-3W，重複頻率10_50KHz，雷射波長1535nm, OPO雷射器發散視場角lmrad。
[0037]根據本發明優選的，所述擴束器的擴束倍數為10倍。此處所述雷射擴束器將雷射器發散視場角進行壓縮到0.1mrad，這樣可以保證雷達系統獲得良好的結果。
[0038]本發明的優勢在於:
[0039]1、本發明所述雷達採用一種安全雷射波長1535nm，能夠保證人眼的安全，而且處於紅外階段，隱蔽性更強。
[0040]2、本發明採用參數特定的InGaAs APD單光子計數系統，進行遠距離探測，探測距離較現有微脈衝雷射雷達更遠。
[0041]3、本發明採用雷射發射和接收共軸系統，實現雷射發射和接收的盲區最小化；所述共軸系統採用兩面反射鏡實現雷射的發射和接收同軸。
[0042]4、本發明所述探測器單元採用正弦門控實現In-Ga-As APD單光子的計數探測單元，能夠高靈敏度的探測微弱信號。
[0043]5、本發明所述探測器和數據採集的觸發信號直接來源雷射器的觸發信號，不需要額外的探測器獲得信號，減少了光觸發延時，提高了空間解析度精度。
[0044]6、本發明所使用的光學接收系統採用非球面透鏡，解決了以往透鏡色散的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1為本發明的整體結構示意圖；
[0046]其中，1、OPO雷射器；2、擴束器；3、反射鏡；4、反射鏡；5、望遠鏡；6、窄帶幹涉濾波片；7、非球面透鏡；8、光纖；9、InGaAs APD單光子計數系統；10、數據採集卡；11、計算機。
【具體實施方式】
[0047]下面結合實例和說明書附圖對本發明做詳細的說明，但不限於此。
[0048]實施例1、
[0049]如圖1所示。
[0050]一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，包括雷射部、反射雷射採集部和數據採集單元；
[0051 ] 所述的雷射部包括雷射器和擴束器2，所述雷射器I發出的雷射通過擴束器2和一對平行設置的反射鏡3實現平移，使所述平移後雷射的出射方向與所述反射雷射採集部同軸設置；所述的雷射器的參數為D波長範圍:1.4-1.8ym；2)單脈衝能量:>10uJ ；3)脈衝重複頻率:l-50kHz ;所述雷射器為OPO雷射器，所述反射雷射採集部包括沿反射雷射反射方向依次設置的望遠鏡5、窄帶幹涉濾波片6和透鏡；所述透鏡為非球面透鏡7 ；
[0052]所述數據採集單元包括InGaAs APD單光子計數系統9，所述非球面透鏡7通過光纖與所述InGaAs APD單光子計數系統9相連；該系統9的參數如下:光子計數率:24MHz ；暗計數率300Hz ;門控速度1GHz。
[0053]所述望遠鏡5的參數如下:
[0054]I)光學設計:施密特-卡塞格林式；
[0055]2)望遠鏡有效孔徑:305_ ；
[0056]3)焦距:3048臟；
[0057]4)焦比:f/10。
[0058]所述窄帶幹涉濾波片6為非球面透鏡，參數如下:
[0059]I)中心波長:1535nm ;
[0060]2)帶寬:1.5nm。
[0061]所述非球面透鏡7參數如下:
[0062]I)透鏡焦距:18.4mm ;
[0063]2)數值孔徑:0.15 ;
[0064]3)透鏡形式:非球面透鏡。
[0065]所述OPO雷射器採用半導體雷射器作為雷射泵浦源，YVO4作為雷射晶體材料，KTA/KTP作為非線性光學晶體材料。
[0066]所述述OPO雷射器的輸出雷射能量2-3W，重複頻率10_50KHz，雷射波長1535nm，OPO雷射器發散視場角lmrad。
[0067]所述擴束器的擴束倍數為10倍。
[0068]實施例2、
[0069]如實施例1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其區別在於，
[0070]所述數據採集單元還包括數據採集卡10和計算機11 ;所述數據採集卡10採集InGaAs ATO單光子計數系統9中採集到的雷射數據並將其傳輸至計算機11 ；
[0071 ] InGaAs APD單光子計數系統9和數據採集單元的觸發信號直接來源於OPO雷射器的觸發信號；
[0072]所述數據採集卡採用MSP-800系列的單光子計數卡，計數卡的參數指標如下，通道方式:雙通道；測量速度:800MHz ;門脈衝寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。
[0073]實施例3、
[0074]如實施例1、2所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其區別在於，所述InGaAs APD單光子計數系統，系統採用1.25GHz的正弦門控實現InGaAs APD探測器處於蓋革模式。
[0075]實施例4、
[0076]如實施例1、2所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，所述雷射器為拉曼雷射器。
【權利要求】
1.一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，該系統包括雷射部、反射雷射採集部和數據採集單元； 所述的雷射部包括雷射器和擴束器，所述雷射器發出的雷射通過擴束器和一對平行設置的反射鏡實現平移，使所述平移後雷射的出射方向與所述反射雷射採集部同軸設置；所述的雷射器的參數為I)波長範圍:1.4-1.8μ-- ；2)單脈衝能量:>10uJ ；3)脈衝重複頻率:l-50kHz ;所述的雷射器為OPO雷射器或拉曼雷射器； 所述反射雷射採集部包括沿反射雷射反射方向依次設置的望遠鏡、窄帶幹涉濾波片和透鏡； 所述數據採集單元包括InGaAs APD單光子計數系統，所述透鏡通過光纖與所述InGaAsAPD單光子計數系統相連；所述InGaAs APD單光子計數系統的參數如下:光子計數率:24MHz ;暗計數率300Hz ;門控速度1GHz。
2.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述數據採集單元還包括數據採集卡和計算機；所述數據採集卡採集InGaAs APD單光子計數系統中採集到的雷射數據並將其傳輸至計算機； InGaAs APD單光子計數系統和數據採集單元的觸發信號直接來源於所述雷射器的觸發信號； 所述數據採集卡為實現單光子計數功能的單光子計數卡。
3.如權利要求2所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述數據採集卡採用MSP-800系列的單光子計數卡，計數卡的參數指標如下，通道方式:雙通道；測量速度:800MHz ;門脈衝寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。
4.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述InGaAs APD單光子計數系統，系統採用1.25GHz的正弦門控實現InGaAs APD探測器處於蓋革模式。
5.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述望遠鏡的參數如下: 1)光學設計:施密特-卡塞格林式； 2)望遠鏡有效孔徑:305mm； 3)焦距:3048mm； 4)焦比:f/10。
6.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述窄帶幹涉濾波片為非球面透鏡，參數如下: 1)中心波長:1535nm； 2)帶寬:1.5nm。
7.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述透鏡參數如下: 1)透鏡焦距:18.4mm ； 2)數值孔徑:0.15 ; 3)透鏡形式:非球面透鏡。
8.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述OPO雷射器採用半導體雷射器作為雷射泵浦源，YVO4作為雷射晶體材料，ΚΤΑ/ΚΤΡ作為非線性光學晶體材料。
9.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述OPO雷射器的輸出雷射能量2-3W，重複頻率10-50ΚΗΖ，雷射波長1535nm，OPO雷射器發散視場角Imrad。
10.如權利要求1所述的一種人眼安全波長的共軸氣溶膠雷射雷達系統，其特徵在於，所述擴束器的擴束倍數為10倍。
【文檔編號】G01S17/88GK104181545SQ201410325498
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】劉兆軍, 張颯颯, 夏金寶, 李永富, 叢振華, 劉楊, 門少傑, 馮超 申請人:山東大學