一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用OPO激光器經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束準(zhǔn)直后變成平行光束，經(jīng)反射鏡入射到大氣中，大氣后向散射型號(hào)，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收后，通過窄帶干涉濾波片抑制雜散光后，透鏡耦合到光纖中，光纖將光信號(hào)聚焦在InGaAs?APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)后，通過數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集處理后，存儲(chǔ)并現(xiàn)實(shí)在計(jì)算機(jī)上，最后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)處理得到大氣氣溶膠參數(shù)。
【專利說明】一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，屬于脈沖激光雷達(dá)的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，用于探測(cè)氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射單元(脈沖激光器、激光擴(kuò)束和準(zhǔn)直)、激光接收單元(望遠(yuǎn)鏡、干涉濾波片)、信號(hào)探測(cè)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元組成。激光發(fā)射單元發(fā)射脈沖信號(hào)到大氣中，通過望遠(yuǎn)鏡接收散射信號(hào)，經(jīng)探測(cè)單元探測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元處理后，實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠消光比等參數(shù)。
[0003]目前，一般激光雷達(dá)采用的激光波長(zhǎng)532nm或者1064nm測(cè)量氣溶膠，一般激光雷達(dá)能量比較大(0.1-1J)，探測(cè)距離遠(yuǎn)，但對(duì)人眼安全造成一定的傷害。因此，逐漸發(fā)展為一種微脈沖激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)采用低脈沖(1-50UJ)、高重復(fù)頻率的激光光源，通過降低能量實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼安全的，發(fā)展人眼安全的激光雷達(dá)受到探測(cè)器件影響。但是這種微脈沖激光雷達(dá)存在如下缺陷:
[0004]1、探測(cè)距離比較近，脈沖能量在Uj級(jí)別，遠(yuǎn)不如初期發(fā)展的激光雷達(dá)，能量大的激光雷達(dá)對(duì)人群不安全；
[0005]2、從激光波長(zhǎng)來說，人眼虹膜容易吸收1064nm激光，無論能量多小，對(duì)人眼安全是也是有害的；
[0006]3、對(duì)于氣溶膠濃度分布比較濃的地方，532nm的穿透能力比較弱，測(cè)量距離比較近,而1064nm的激光能量對(duì)人眼不安全。
[0007]4、目前的激光雷達(dá)最長(zhǎng)波段是1064nm，對(duì)于探測(cè)大顆粒的人眼安全的1.5um波段的激光雷達(dá)尚未發(fā)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，該激光雷達(dá)系統(tǒng)突破了現(xiàn)有技術(shù)壁壘，采用人眼安全波長(zhǎng)激光器和相應(yīng)的In-Ga-AsAH)單元的單光子計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)人眼安全、測(cè)量距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的脈沖激光雷達(dá)，該系統(tǒng)主要用于探測(cè)云層高度及氣溶膠密度等大氣參數(shù)。
[0009]技術(shù)術(shù)語(yǔ):
[0010]OPO激光器:是一種光學(xué)參量振蕩器，是利用非線性晶體的混頻特性實(shí)現(xiàn)頻率變換的器件，其中有一個(gè)或兩個(gè)光波具有振蕩特性，具有可調(diào)諧，系統(tǒng)緊湊的特點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光部、反射激光采集部和數(shù)據(jù)采集單元；
[0013]所述的激光部包括激光器和擴(kuò)束器，所述激光器發(fā)出的激光通過擴(kuò)束器和一對(duì)平行設(shè)置的反射鏡實(shí)現(xiàn)平移，使所述平移后激光的出射方向與所述反射激光采集部同軸設(shè)置；所述的激光器的參數(shù)為I)波長(zhǎng)范圍:1.4-1.8μπι；2)單脈沖能量:>10uJ ；3)脈沖重復(fù)頻率:l-50kHz ;所述的激光器為OPO激光器或拉曼激光器；所述擴(kuò)束器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使輸出激光具有較小發(fā)散角；所述OPO激光器是通過OPO光參量振蕩輸出人眼安全激光，拉曼激光器是采用拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的人眼安全波段激光，人眼安全激光的波段定義是在1.5-1.8 μ m，此處的激光攝入到人眼時(shí)可以被人眼的角膜吸收，不會(huì)攝入到視網(wǎng)膜上，這樣避免了視網(wǎng)膜的損害；
[0014]所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次設(shè)置的望遠(yuǎn)鏡、窄帶干涉濾波片和透鏡；其中所述望遠(yuǎn)鏡的尺寸孔徑根據(jù)所需要探測(cè)的距離來進(jìn)行決定屬于現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)容；
[0015]所述數(shù)據(jù)采集單元包括InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，所述透鏡通過光纖與所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)相連；所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的參數(shù)如下:光子計(jì)數(shù)率:24MHz ;暗計(jì)數(shù)率300Hz ;門控速度1GHz。該系統(tǒng)采用上述參數(shù)后其探測(cè)效率大于16%;本發(fā)明采用的技術(shù)指標(biāo)較以往單光子探測(cè)系統(tǒng)有很大程度提高。
[0016]所述數(shù)據(jù)采集單元還包括數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集卡采集InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中采集到的激光數(shù)據(jù)并將其傳輸至計(jì)算機(jī)；
[0017]InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集單元的觸發(fā)信號(hào)直接來源于所述激光器的觸發(fā)信號(hào)；
[0018]所述數(shù)據(jù)采集卡為實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)功能的單光子計(jì)數(shù)卡。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集卡采用MSP-800系列的單光子計(jì)數(shù)卡，計(jì)數(shù)卡的參數(shù)指標(biāo)如下，通道方式:雙通道；測(cè)量速度:800MHz ;門脈沖寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。數(shù)據(jù)采集后經(jīng)現(xiàn)有的Fernand方法處理得到氣溶膠的消光系數(shù)，處理方法如下:根據(jù)獲得的激光能量信號(hào)先進(jìn)行距離矯正，并利用通過美國(guó)大氣標(biāo)準(zhǔn)分子獲得的大氣分子消光系數(shù)進(jìn)行Fernand算法進(jìn)行求解，獲得大氣消光系數(shù)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用1.25GHz的正弦門控實(shí)現(xiàn)InGaAs ATO探測(cè)器處于蓋革模式。此處設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)后向散射探測(cè)信號(hào)的弱光信號(hào)的采集。
[0021]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)如下:
[0022]I)光學(xué)設(shè)計(jì):施密特-卡塞格林式；
[0023]2)望遠(yuǎn)鏡有效孔徑:305_ ；
[0024]3)焦距:3048臟；
[0025]4)焦比:f/10。
[0026]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述窄帶干涉濾波片為非球面透鏡，參數(shù)如下:
[0027]I)中心波長(zhǎng):1535nm ;
[0028]2)帶寬:1.5nm。
[0029]此處所述窄帶干涉濾波片，其抑制激光波長(zhǎng)以外的雜散光，并輸出后向散射探測(cè)信號(hào)。窄帶濾波片選用非球面透鏡，避免了光學(xué)接收系統(tǒng)的色散問題。
[0030]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述透鏡參數(shù)如下:
[0031]I)透鏡焦距:18.4mm ;
[0032]2)數(shù)值孔徑:0.15 ;
[0033]3)透鏡形式:非球面透鏡。
[0034]此處的透鏡采用小孔徑非球面透鏡方式，較其他氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，從光學(xué)方面解決了透鏡匯聚光所帶來的球差的影響，而且可以實(shí)現(xiàn)單模光纖信號(hào)對(duì)探測(cè)器的耦合。另外采用小孔徑的非球面透鏡，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)抑制背景噪聲的目的。
[0035]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述OPO激光器采用半導(dǎo)體激光器作為激光泵浦源，YVO4作為激光晶體材料，KTA/KTP作為非線性光學(xué)晶體材料。
[0036]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述OPO激光器的輸出激光能量2-3W，重復(fù)頻率10_50KHz，激光波長(zhǎng)1535nm, OPO激光器發(fā)散視場(chǎng)角lmrad。
[0037]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍數(shù)為10倍。此處所述激光擴(kuò)束器將激光器發(fā)散視場(chǎng)角進(jìn)行壓縮到0.1mrad，這樣可以保證雷達(dá)系統(tǒng)獲得良好的結(jié)果。
[0038]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:
[0039]1、本發(fā)明所述雷達(dá)采用一種安全激光波長(zhǎng)1535nm，能夠保證人眼的安全，而且處于紅外階段，隱蔽性更強(qiáng)。
[0040]2、本發(fā)明采用參數(shù)特定的InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，探測(cè)距離較現(xiàn)有微脈沖激光雷達(dá)更遠(yuǎn)。
[0041]3、本發(fā)明采用激光發(fā)射和接收共軸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射和接收的盲區(qū)最小化；所述共軸系統(tǒng)采用兩面反射鏡實(shí)現(xiàn)激光的發(fā)射和接收同軸。
[0042]4、本發(fā)明所述探測(cè)器單元采用正弦門控實(shí)現(xiàn)In-Ga-As APD單光子的計(jì)數(shù)探測(cè)單元，能夠高靈敏度的探測(cè)微弱信號(hào)。
[0043]5、本發(fā)明所述探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號(hào)直接來源激光器的觸發(fā)信號(hào)，不需要額外的探測(cè)器獲得信號(hào)，減少了光觸發(fā)延時(shí)，提高了空間分辨率精度。
[0044]6、本發(fā)明所使用的光學(xué)接收系統(tǒng)采用非球面透鏡，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(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]其中，1、OPO激光器；2、擴(kuò)束器；3、反射鏡；4、反射鏡；5、望遠(yuǎn)鏡；6、窄帶干涉濾波片；7、非球面透鏡；8、光纖；9、InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)；10、數(shù)據(jù)采集卡；11、計(jì)算機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合實(shí)例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不限于此。
[0048]實(shí)施例1、
[0049]如圖1所示。
[0050]一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光部、反射激光采集部和數(shù)據(jù)采集單元；
[0051 ] 所述的激光部包括激光器和擴(kuò)束器2，所述激光器I發(fā)出的激光通過擴(kuò)束器2和一對(duì)平行設(shè)置的反射鏡3實(shí)現(xiàn)平移，使所述平移后激光的出射方向與所述反射激光采集部同軸設(shè)置；所述的激光器的參數(shù)為D波長(zhǎng)范圍:1.4-1.8ym；2)單脈沖能量:>10uJ ；3)脈沖重復(fù)頻率:l-50kHz ;所述激光器為OPO激光器，所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次設(shè)置的望遠(yuǎn)鏡5、窄帶干涉濾波片6和透鏡；所述透鏡為非球面透鏡7 ；
[0052]所述數(shù)據(jù)采集單元包括InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)9，所述非球面透鏡7通過光纖與所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)9相連；該系統(tǒng)9的參數(shù)如下:光子計(jì)數(shù)率:24MHz ；暗計(jì)數(shù)率300Hz ;門控速度1GHz。
[0053]所述望遠(yuǎn)鏡5的參數(shù)如下:
[0054]I)光學(xué)設(shè)計(jì):施密特-卡塞格林式；
[0055]2)望遠(yuǎn)鏡有效孔徑:305_ ；
[0056]3)焦距:3048臟；
[0057]4)焦比:f/10。
[0058]所述窄帶干涉濾波片6為非球面透鏡，參數(shù)如下:
[0059]I)中心波長(zhǎng):1535nm ;
[0060]2)帶寬:1.5nm。
[0061]所述非球面透鏡7參數(shù)如下:
[0062]I)透鏡焦距:18.4mm ;
[0063]2)數(shù)值孔徑:0.15 ;
[0064]3)透鏡形式:非球面透鏡。
[0065]所述OPO激光器采用半導(dǎo)體激光器作為激光泵浦源，YVO4作為激光晶體材料，KTA/KTP作為非線性光學(xué)晶體材料。
[0066]所述述OPO激光器的輸出激光能量2-3W，重復(fù)頻率10_50KHz，激光波長(zhǎng)1535nm，OPO激光器發(fā)散視場(chǎng)角lmrad。
[0067]所述擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍數(shù)為10倍。
[0068]實(shí)施例2、
[0069]如實(shí)施例1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其區(qū)別在于，
[0070]所述數(shù)據(jù)采集單元還包括數(shù)據(jù)采集卡10和計(jì)算機(jī)11 ;所述數(shù)據(jù)采集卡10采集InGaAs ATO單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)9中采集到的激光數(shù)據(jù)并將其傳輸至計(jì)算機(jī)11 ；
[0071 ] InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)9和數(shù)據(jù)采集單元的觸發(fā)信號(hào)直接來源于OPO激光器的觸發(fā)信號(hào)；
[0072]所述數(shù)據(jù)采集卡采用MSP-800系列的單光子計(jì)數(shù)卡，計(jì)數(shù)卡的參數(shù)指標(biāo)如下，通道方式:雙通道；測(cè)量速度:800MHz ;門脈沖寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。
[0073]實(shí)施例3、
[0074]如實(shí)施例1、2所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其區(qū)別在于，所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用1.25GHz的正弦門控實(shí)現(xiàn)InGaAs APD探測(cè)器處于蓋革模式。
[0075]實(shí)施例4、
[0076]如實(shí)施例1、2所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述激光器為拉曼激光器。
【權(quán)利要求】
1.一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括激光部、反射激光采集部和數(shù)據(jù)采集單元； 所述的激光部包括激光器和擴(kuò)束器，所述激光器發(fā)出的激光通過擴(kuò)束器和一對(duì)平行設(shè)置的反射鏡實(shí)現(xiàn)平移，使所述平移后激光的出射方向與所述反射激光采集部同軸設(shè)置；所述的激光器的參數(shù)為I)波長(zhǎng)范圍:1.4-1.8μ-- ；2)單脈沖能量:>10uJ ；3)脈沖重復(fù)頻率:l-50kHz ;所述的激光器為OPO激光器或拉曼激光器； 所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次設(shè)置的望遠(yuǎn)鏡、窄帶干涉濾波片和透鏡； 所述數(shù)據(jù)采集單元包括InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，所述透鏡通過光纖與所述InGaAsAPD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)相連；所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的參數(shù)如下:光子計(jì)數(shù)率:24MHz ;暗計(jì)數(shù)率300Hz ;門控速度1GHz。
2.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集單元還包括數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集卡采集InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中采集到的激光數(shù)據(jù)并將其傳輸至計(jì)算機(jī)； InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集單元的觸發(fā)信號(hào)直接來源于所述激光器的觸發(fā)信號(hào)； 所述數(shù)據(jù)采集卡為實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)功能的單光子計(jì)數(shù)卡。
3.如權(quán)利要求2所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集卡采用MSP-800系列的單光子計(jì)數(shù)卡，計(jì)數(shù)卡的參數(shù)指標(biāo)如下，通道方式:雙通道；測(cè)量速度:800MHz ;門脈沖寬度:1ns ;插槽形式:PC插槽。
4.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述InGaAs APD單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用1.25GHz的正弦門控實(shí)現(xiàn)InGaAs APD探測(cè)器處于蓋革模式。
5.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)如下: 1)光學(xué)設(shè)計(jì):施密特-卡塞格林式； 2)望遠(yuǎn)鏡有效孔徑:305mm； 3)焦距:3048mm； 4)焦比:f/10。
6.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶干涉濾波片為非球面透鏡，參數(shù)如下: 1)中心波長(zhǎng):1535nm； 2)帶寬:1.5nm。
7.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡參數(shù)如下: 1)透鏡焦距:18.4mm ； 2)數(shù)值孔徑:0.15 ; 3)透鏡形式:非球面透鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述OPO激光器采用半導(dǎo)體激光器作為激光泵浦源，YVO4作為激光晶體材料，ΚΤΑ/ΚΤΡ作為非線性光學(xué)晶體材料。
9.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述OPO激光器的輸出激光能量2-3W，重復(fù)頻率10-50ΚΗΖ，激光波長(zhǎng)1535nm，OPO激光器發(fā)散視場(chǎng)角Imrad。
10.如權(quán)利要求1所述的一種人眼安全波長(zhǎng)的共軸氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍數(shù)為10倍。
【文檔編號(hào)】G01S17/88GK104181545SQ201410325498
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】劉兆軍, 張颯颯, 夏金寶, 李永富, 叢振華, 劉楊, 門少杰, 馮超 申請(qǐng)人:山東大學(xué)