專利名稱：一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光雷達(dá)，尤其涉及對中高層大氣密度、溫度、波動 和風(fēng)場多參數(shù)綜合探測的激光雷達(dá)。 背親技術(shù)中高層大氣多參數(shù)的綜合探測在空間物理、大氣科學(xué)、空間環(huán)境預(yù)報 等方面有重要意義。激光雷達(dá)以其高時空分辨率、高探測靈敏度，可實現(xiàn) 準(zhǔn)連續(xù)探測，而且不存在大氣探測盲區(qū)等獨特優(yōu)勢，己成為對中高層大氣多種參數(shù)探測的不可替代的重要手段。目前對20Km以上中高層大氣的探 測，利用瑞利散射機(jī)制的激光雷達(dá)可實現(xiàn)對大約20 80Km大氣的密度、溫 度、波動等參數(shù)的探測，及對大約20 60Km風(fēng)場的探測；利用原子共振熒 光增強(qiáng)機(jī)制(如高空鈉層、鉀層等)的激光雷達(dá)可實現(xiàn)對80 110Km原子 密度、波動(低分辨率)和風(fēng)場(高分辨率)的激光雷達(dá)探測。目前，實現(xiàn)對上述多種大氣參數(shù)探測的方法通常是采用多臺不同類型 激光雷達(dá)同時運行，這顯然不是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。為了能用盡可能少 的硬件設(shè)備探測到盡可能多的大氣參數(shù)，申請人通過兩次倍頻余光復(fù)用、 雙光纖焦面分光等技術(shù)，將瑞利散射和鈉層熒光兩種機(jī)制有機(jī)地融入一臺 激光雷達(dá)中(專利號ZL00115964.X),實現(xiàn)了對2(M!01m的密度、溫度 和波動的綜合探測(文獻(xiàn)《中國激光》2006第33巻第5期601^606頁)。 此后，申請人繼德國和美國之后，采用了原子濾光技術(shù)，結(jié)合申請人提出的脈沖染料激光器鈉原子智能穩(wěn)頻技術(shù)(專利申請?zhí)?Q0510019816.X)，實 現(xiàn)了在白天也能進(jìn)行中高層大氣探測的全天時探測效果(文獻(xiàn)《中國科學(xué) G》2007，37(1):1 7)。但是，此項發(fā)明尚缺少對風(fēng)場探測的功能。實現(xiàn)高空大氣風(fēng)場探測具有重要的意義。風(fēng)場探測的激光雷達(dá)通常是 基于多普勒頻移探測機(jī)制，利用相干檢測或直接檢測方式，獲得回波光的 多普勒頻移量，由此推算出風(fēng)場。相干檢測方式適合于氣溶膠含量較高、 散射回波光較強(qiáng)的低空米氏散射；直接檢測方式在原理上對強(qiáng)、弱散射回 波光均可，既適合于20Km以下的低空米氏散射，又適合于20Km以上的高 空瑞利散射。直接檢測方式又分邊緣檢測型和環(huán)紋成像型兩種(文獻(xiàn)-APPLIED OPTICS, Vol. 38， No. 27， p5859-5866, 1999)，前者如美國Goddard 空間飛行中心激光雷達(dá)和法國OHP的激光雷達(dá)，后者如Michigan大學(xué)激光 雷達(dá)。為獲得空間的風(fēng)場矢量，需要探測三個方向的風(fēng)場分量，通常有兩 種方法 一是采用一套激光發(fā)射裝置，三方向輪流發(fā)射，三臺望遠(yuǎn)鏡固定 接收；二是采用一套激光發(fā)射， 一套望遠(yuǎn)鏡接收，收發(fā)同步偏轉(zhuǎn)。分時對 三方向輪流探測風(fēng)速分量，經(jīng)矢量合成，獲得風(fēng)速矢量。這兩種方法設(shè)備 少，但技術(shù)復(fù)雜，特別是系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)的操作難度大，探測方向轉(zhuǎn)換時間長， 高空收發(fā)精確匹配困難，導(dǎo)致運行可靠性不高。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型提出一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)，將瑞利 散射激光雷達(dá)、鈉層熒光激光雷達(dá)和瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)有機(jī)融合在一起，采用兩臺Nd:YAG激光器和一臺染料激光器，產(chǎn)生雙波長、四光束穩(wěn)頻激
光，按三方向固定發(fā)射和接收豎直方向采用532nm和589nm兩束激光發(fā) 射和接收，實現(xiàn)瑞利散射、豎直風(fēng)場和鈉層熒光探測；兩傾斜方向均采用 一束532nm激光發(fā)射和接收，實現(xiàn)傾斜方向的風(fēng)場探測；三方向回波光采 用光纖開關(guān)切換、輪流鑒頻，獲得高空風(fēng)場信息。實現(xiàn)了對中高層大氣密 度、溫度、波動和風(fēng)場的探測。為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案 本發(fā)由激光發(fā)射、光學(xué)接收和信號檢測三部分組成。明采用兩臺種子 注入穩(wěn)頻的Nd:YAG激光器，分別經(jīng)兩次倍頻獲得四束532nm激光，其中 一束經(jīng)染料激光器轉(zhuǎn)換為589nm激光，然后將此589nm激光和另外的三束 532nm激光，分三方向發(fā)射豎直方向發(fā)射一束532nm和一束589nm激光， 經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收和雙光纖焦面分光，分別將532nm和589mn回波光送入瑞利 散射檢測通道和鈉層熒光檢測通道，獲得含有密度、溫度、波動信息的數(shù) 據(jù)；兩傾斜方向分別發(fā)射一束532nm激光，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收，連同豎直方向 的532nm回波光信號輪流送入瑞利風(fēng)場檢測通道，獲得三方向風(fēng)場分量信 息的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)對中高層大氣的密度、波動、溫度和風(fēng)場的同時探測。具 體分述如下-激光發(fā)射部分激光發(fā)射部分的激光源采用兩臺種子注入穩(wěn)頻的Nd:YAG激光器，兩 臺激光器輸出的1064nm的激光分別經(jīng)兩次倍頻余光復(fù)用的方法(專利-ZL 00115964.X)獲得四束532nm激光，其中一束532nm激光泵浦染料激 光器，產(chǎn)生589nm激光。獲得的三束532nm激光和一束589om激光，分 三個方向發(fā)射豎直方向發(fā)射532nm和589nm雙波長激光，兩光束與主望
遠(yuǎn)鏡光軸呈1 5。夾角對稱分布；兩傾斜方向分別發(fā)射一束532nm激光， 其方向與豎直532nm光束呈30~50。夾角，且兩斜向光束的水平面投影成90°夾角。上述產(chǎn)生589nm激光的脈沖染料激光器采用鈉原子智能穩(wěn)頻技術(shù)(專 利號200510019816.x),將589nm激光頻率鎖定在鈉原子的共振線上； 532nm激光采用碘分子穩(wěn)頻的連續(xù)波種子注入穩(wěn)頻技術(shù)(文獻(xiàn)Corrected and calibrated I2 absorption model at frequency-doubled Nd:YAG laser wavelengths, Applied Optics, 1997， 36(27): 6729~6738)，將三束532nm激光 頻率鎖定在碘分子的共振線上。光學(xué)接收部分光學(xué)接收部分由三臺接收望遠(yuǎn)鏡和四根光纖組成。主望遠(yuǎn)鏡光軸豎直 向上，在兩回波光的遠(yuǎn)場焦點處分別放置一根接收光纖，分別接收豎直方 向的589nm和532nm回波光信號；兩個斜向望遠(yuǎn)鏡光軸與斜向發(fā)射激光束 平行或同軸，在兩個斜向望遠(yuǎn)鏡的焦點處各放置一根接收光纖，分別接收 兩個傾斜方向的532nm回波光信號。三臺接收望遠(yuǎn)鏡與三束532nm激光束 一起構(gòu)成三個方向固定收發(fā)系統(tǒng)，用以探測三個方向風(fēng)場信息。與一套激 光發(fā)射與接收、系統(tǒng)同步偏轉(zhuǎn)、三方向輪流探測的方式相比，易于操作、 運行穩(wěn)定可靠。信號檢測都分信號檢測部分包括光纖開關(guān)、計算機(jī)、鈉層熒光檢測通道、瑞利風(fēng)場檢測通道和瑞利散射檢測通道。鈉層熒怖檢翻豎直方向589nm的回波光信號經(jīng)光纖送入鈉層熒光檢測通道，經(jīng)鈉原子濾光和光電探測等，獲得80 110Km高空鈉層共振熒光 的激光雷達(dá)回波信號，以及20 60Km高空大氣瑞利散射的激光雷達(dá)回波 信號，這些信號包含了 20 60Km高空大氣的密度、溫度和波動信息，以 及80 110Km高空鈉層相對密度和波動信息。由于脈沖染料激光器采用智能穩(wěn)頻的方法將589nm激光鎖定在鈉原子 的共振線上，而在鈉層熒光檢測通道中采用了超窄帶寬的鈉原子濾光器， 兩者工作在相同原子的相同躍遷譜線上，因此兩者具有頻率一致性。而鈉 原子濾光器的濾光帶寬比干涉濾光器窄約2~3個量級，具有高性能的背景 光抑制能力，使得鈉層熒光檢測通道可以實現(xiàn)在白天也能單光子探測的全 天時探測效果。瑞利風(fēng)場檢測將三個方向的532nm回波光信號，經(jīng)光纖開關(guān)分時切 換，送入瑞利風(fēng)場檢測通道，經(jīng)復(fù)合濾光、回波光鑒頻和光電探測等，獲 得三個方向的激光雷達(dá)回波信號，這些信號包含了 20 60Km高空大氣的 風(fēng)場信息。采用光纖開關(guān)實現(xiàn)三方向回波光分時檢測光纖開關(guān)有三路輸入兩路輸出，三個方向的532nm回波光信號分別經(jīng)光纖輸入光纖開關(guān)，輸出的兩 根光纖分別連接瑞利風(fēng)場檢測通道和瑞利散射檢測通道。光纖開關(guān)分別將 三個方向的532nm回波光信號輪流切換，三個回波光分時連接到瑞利風(fēng)場 檢測通道，切換時間可以達(dá)到秒的量級，從天氣變化的時間尺度上看，三 個方向回波頻移信息的獲取已達(dá)到準(zhǔn)同時。這種光纖切換方式，與三方向 旋轉(zhuǎn)接收方式相比，信號切換速度快、運行穩(wěn)定可靠。將三路回波光信號 共用一套風(fēng)場檢測通道的方法，風(fēng)場檢測一致性好、節(jié)省硬件資源。
發(fā)射激光頻率和接收回波光鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具頻率的穩(wěn)定性和一致性將直接 影響風(fēng)場測量的精度，本實用新型的發(fā)射激光頻率采用碘分子穩(wěn)頻種子注入的方式，將發(fā)射的532nm激光鎖定在碘分子的共振線上，保證了發(fā)射激 光的頻率穩(wěn)定性；接收回波光鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具也采取穩(wěn)頻措施以發(fā)射532nm 激光為頻率標(biāo)準(zhǔn)，采用差頻鎖定的方法，將鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰鎖定在無 多普勒頻移瑞利回波光光譜的斜邊上。這樣既保證了鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具的頻率穩(wěn) 定性，又保證了發(fā)射激光與接收鑒頻頻率的相對一致性，使得系統(tǒng)具有較 高的風(fēng)場測量精度。在回波光鑒頻方面，本實用新型采用標(biāo)準(zhǔn)具單邊緣鑒頻方式鎖定頻 率位置的鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具，透射光強(qiáng)將隨著回波光多普勒頻移的變化而變化， 經(jīng)光電轉(zhuǎn)換獲得帶有風(fēng)場信息的電信號。這種單邊緣鑒頻的方式，與雙邊 緣鑒頻相比，結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省硬件資源。此外，在瑞利風(fēng)場檢測通道種中還采用復(fù)合濾光技術(shù)以增加其白天探 測能力。復(fù)合濾光是采用窄帶濾光片與F-P標(biāo)準(zhǔn)具相結(jié)合的方式(文獻(xiàn) APPLIED OPTICS, Vol. 22， No. 23， p3716-3724， 1983)，以發(fā)射532nm激光 為頻率基準(zhǔn)，將復(fù)合濾光器的透射峰鎖定在激光譜線上，保證了復(fù)合濾光 頻率和發(fā)射激光頻率的一致性。復(fù)合濾光器的總透射帶寬為標(biāo)準(zhǔn)具的一個 透射峰的帶寬，比單純使用干涉濾光片窄約2個量級，這樣可以有效的抑制 背景光的干擾，達(dá)到白天也能進(jìn)行光子接收探測的全天時探測效果。瑞利散lt檢測豎直方向接收到的532nm瑞利回波光信號只有一部分 時間被風(fēng)場檢測通道利用，剩余時間可以經(jīng)光纖送入瑞利散射檢測通道， 經(jīng)復(fù)合濾光和光電探測等，獲得20 80Km高空大氣的瑞利散射激光雷達(dá)
回波信號，此信號含有20 80Km高空大氣的密度、溫度和波動信息。本 通道中也采用復(fù)合濾光技術(shù)瑞利散射檢測通道以其接收到的532nm激光 作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，將復(fù)合濾光器透射峰鎖定在該激光頻率上，實現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)頻的窄帶復(fù)合濾光。以達(dá)到白天也能進(jìn)行光子接收探測的全天時探測效果。 計算機(jī)計算機(jī)實現(xiàn)對整體系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的獲取和信息的處理一是發(fā)出同步信號，觸發(fā)兩臺激光器產(chǎn)生激光脈沖，與此同時觸發(fā)三個接收檢測通道進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集；二是對瑞利散射檢測通道、鈉層熒光檢測 通道和瑞利風(fēng)場檢測通道所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和反演，最終得到中高層 大氣的密度、溫度、波動和風(fēng)場。從上述三個檢測通道所獲得的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中反演出大氣的密 度、溫度、波動和風(fēng)場的方法，為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知。本實用新型的優(yōu)點和效果本實用新型提出的一種綜合型多功能中髙層大氣探測激光雷達(dá)，將三 種激光雷達(dá)有機(jī)融合在一起，只用兩臺固體激光器和一臺染料激光器，便 實現(xiàn)除了能在夜間進(jìn)行20~80Km高空大氣的密度、溫度、波動和20~60Km 的風(fēng)場、以及S0 110Km鈉層相對密度和波動探測外，還能在白天進(jìn)行 20~50Km高空大氣的密度、溫度、波動和20~40Km的風(fēng)場、以及8t) 110Km 鈉層相對密度和波動探測。硬件資源充分得到綜合利用；采用光纖開關(guān)對 激光雷達(dá)回波光輪流切換，切換方式簡單易行，運行可靠性高，切換速度 快，達(dá)到秒級準(zhǔn)同時探測；采用一套頻移檢測系統(tǒng)對三向回波的分時檢測， 檢測一致性好，節(jié)省硬件資源；用碘分子同時鎖定發(fā)射激光和鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具， 并采用單邊緣鑒頻技術(shù)，以簡單的結(jié)構(gòu)有效地提髙了瑰利風(fēng)場測量精度；
將復(fù)合濾光與碘分子激光穩(wěn)頻、鈉原子濾光與鈉原子激光穩(wěn)頻相結(jié)合，使 系統(tǒng)既具有較強(qiáng)的背景光抑制能力又具有較強(qiáng)的收發(fā)頻率一致性；發(fā)射激 光器、復(fù)合濾光器和鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具都采用了頻率自動鎖定技術(shù)，系統(tǒng)運行自 動化程度髙、長期穩(wěn)定性好；達(dá)到多項參數(shù)同時長時間、穩(wěn)定的、全天時 探測的效果。

圖1為一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。 其中l(wèi)激光發(fā)射部分、IO第一激光發(fā)射裝置、ll第二激光發(fā)射裝置、101第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器、102第一倍頻器、103第一分光器、 104第二倍頻器、105第一棱鏡、lll第二種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器、 112第三倍頻器、113第二分光器、114第四倍頻器、115原子穩(wěn)頻脈沖染 料激光器、116第二棱鏡、231第一激光束、232第二激光束、233第三激 光束、234第四激光束；2光學(xué)接收部分、201第一斜向望遠(yuǎn)鏡、202第二斜向望遠(yuǎn)鏡、203主 望遠(yuǎn)鏡、211第一光纖、212第二光纖、213第三光纖、214第四光纖、215 第五光纖；3信號檢測部分、301計算機(jī)、302光纖開關(guān)、303鈉層熒光檢測通道、 304瑞利散射檢測通遒、305瑞利風(fēng)場檢測通道、316第六光纖、317第七光纖。
具體實施方式
實施例1綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分1、光學(xué)接收
部分2和信號檢測部分3組成。 激光發(fā)射部分l:激光發(fā)射部分1由第一激光發(fā)射裝置10和第二激光發(fā)射裝置11兩部分組成。第一激光發(fā)射裝置10由第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器101、第一 倍頻器102、第一分光器103、第二倍頻器104和第一棱鏡105組成，并按 此順序依次排列；第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器101輸出的1064nm 激光，經(jīng)第一倍頻器102產(chǎn)生532nm激光，通過第一分光器103將532nm 激光和剩余的1064nm激光按波長分光，將反射的532mn第一激光束231 發(fā)射出去，發(fā)射方向與第一斜向望遠(yuǎn)鏡201的光軸平行，從第一分光器103 透射的1064畫激光經(jīng)第二倍頻器104產(chǎn)生532腿激光，經(jīng)第一棱鏡105 折射后，將532nm的第三激光束233發(fā)射出去，發(fā)射方向與主望遠(yuǎn)鏡203 的光軸呈1°~5°夾角。第二激光發(fā)射裝置ll由第二種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器lll、第三 倍頻器112、第二分光器113、第四倍頻器114、原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器 115和第二棱鏡116組成，并按此順序依次排列；第二種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG 激光器lll輸出的1064nm激光，經(jīng)第三倍頻器112產(chǎn)生532nm激光，通 過第二分光器113將532nm激光和剩余的1064nm激光按波長分光，將反 射的532nm第二激光束232發(fā)射出去，發(fā)射方向與第二斜向望遠(yuǎn)鏡202的 光軸平行，從第二分光器113透射的1064nm激光經(jīng)第四倍頻器114產(chǎn)生 532nm激光，入射到原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器115，產(chǎn)生589nm穩(wěn)頻激光， 經(jīng)第二棱鏡116折射，將589nm的第四激光柬234發(fā)射出去，其發(fā)射方向
相對于主望遠(yuǎn)鏡203的光軸與第三激光束233對稱。上述的兩個種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器101和111，以碘分子譜線作 為穩(wěn)頻基準(zhǔn)，采用連續(xù)波種子注入穩(wěn)頻的方法(文獻(xiàn)Applied Optics, 1997, 36(27): 6729~6738)，將三束532nrn激光鎖定在碘分子的共振線上；上述的 原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器115，以鈉原子譜線作為穩(wěn)頻基準(zhǔn)，采用智能穩(wěn)頻 的方法(專利號200510019816.X)，將其輸出頻率鎖定在鈉原子的共振線上。光學(xué)接收部分2:光學(xué)接收部分2由三臺接收望遠(yuǎn)鏡和四根光纖組成。主望遠(yuǎn)鏡203的 光軸豎直向上，第一斜向望遠(yuǎn)鏡201和第二斜向望遠(yuǎn)鏡202光軸都與主望 遠(yuǎn)鏡203光軸呈相同的30°~50°夾角，且兩斜向望遠(yuǎn)鏡光軸的水平面投影成 90°夾角，三臺望遠(yuǎn)鏡和三束532nm發(fā)射激光一起構(gòu)成三向固定收發(fā)方式。第一光纖211的一端放置第一斜向望遠(yuǎn)鏡201的焦點處，第二光纖212 的一端放置第二斜向望遠(yuǎn)鏡202的焦點處，第三光纖213的一端放置532nm 第三激光束233回波光在主望遠(yuǎn)鏡203的遠(yuǎn)場焦點處，上述三條光纖的另 一端連接光纖開關(guān)302的輸入端；第四光纖214的一端放置在589nm第四 激光束234回波光在主望遠(yuǎn)鏡203的遠(yuǎn)場焦點處，另一端連接鈉層熒光檢 測通道303的輸入端；上述光纖一端的光軸均與其所放置的望遠(yuǎn)鏡光軸平 行，分別接收發(fā)射激光束的遠(yuǎn)場回波光。信號檢測信號檢測部分3由計算機(jī)301、光纖開關(guān)302、鈉層熒光檢測通道303、 瑞利散射檢測通道304和瑞利風(fēng)場檢測通道305組成。鈉層熒光橡淵第四光纖214將主望遠(yuǎn)鏡203接收到的589nm回波光
信號連接到鈉層熒光檢測通道303。在鈉層熒光檢測通道303中，589nm 回波光經(jīng)光束準(zhǔn)直透鏡、窄帶干涉濾光片、鈉原子濾光器、光電探測器和 數(shù)據(jù)采集器，獲得80 110Km高空鈉層共振熒光的激光雷達(dá)回波信號，以 及20 60Km高空大氣瑞利散射的激光雷達(dá)回波信號，通過數(shù)據(jù)線傳送給 計算機(jī)301。其中，鈉層熒光檢測方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。鈉層熒光檢測通遒303中的超窄帶寬鈉原子濾光器，與原子穩(wěn)頻脈沖 染料激光器115的鈉原子譜線穩(wěn)頻相結(jié)合， 一方面使發(fā)射和接收激光頻率 建立在相同的原子譜線上，實現(xiàn)了收發(fā)頻率的一致性；另一方面利用鈉原 子濾光器的超窄帶寬特性，實現(xiàn)了白天也能進(jìn)行中高層大氣探測的全天時 探測能力。瑞利風(fēng)場檢測光纖開關(guān)302將第一光纖211、第二光纖212和第三 光纖213輪流連接到第六光纖316，再輸入到瑞利風(fēng)場檢測通道305的風(fēng) 場檢測輸入端。在瑞利風(fēng)場檢測通道305中，532nm回波光經(jīng)光柬準(zhǔn)直透鏡、復(fù)合濾 光器、鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具、光電探測器和數(shù)據(jù)采集器，獲得三個方向20 60Km 的風(fēng)場激光雷達(dá)回波信號，通過數(shù)據(jù)線傳送給計算機(jī)301。其中，瑞利風(fēng) 場檢測方法和光纖開關(guān)的切換方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。第五光纖215的一端斜對第一棱鏡105的入射光一側(cè)，收集一部分散 射的532nm發(fā)射激光,另一端斜對主望遠(yuǎn)鏡203的接收面，使散射的532nm 發(fā)射激光通過鏡面反射、第三光纖213傳導(dǎo)和光纖開關(guān)302切換，進(jìn)入瑞 利風(fēng)場檢測通道305,以此532nm激光作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，將復(fù)合濾光器的透 射峰鎖定在該激光頻率上，實現(xiàn)自適應(yīng)的窄帶復(fù)合濾光；鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具以此532nm激光作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，采用差頻鎖定的方法，將鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰 鎖定在無多普勒頻移的瑞利回波光光譜的斜邊上，以實現(xiàn)單邊緣鑒頻。其 中，復(fù)合濾光器和鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具的頻率鎖定方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。瑞利散射檢淵第三光纖213在沒有連通到第六光纖316時，由光纖 開關(guān)302將其連通到第七光纖317,將豎直方向的532nrn激光回波連接到 瑞利散射檢測通道304的檢測輸入端，經(jīng)光束準(zhǔn)直透鏡、復(fù)合濾光器、光 電探測器和數(shù)據(jù)采集器，獲得豎直方向的20 80Km的瑞利散射激光雷達(dá) 回波信號，通過數(shù)據(jù)線傳送給計算機(jī)301。其中，瑞利散射檢測方法是本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。瑞利散射檢測通道304以其接收到的532nm激光作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，將其 復(fù)合濾光器透射峰鎖定在激光頻率上，實現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)頻的窄帶復(fù)合濾光。 其中，復(fù)合濾光器的頻率鎖定方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。計算機(jī)輸出的同步信號連接到第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器101 、 第二種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器lll、鈉層熒光檢測通道303、瑞利風(fēng)場 檢測通道305和瑞利散射檢測通道304，實現(xiàn)發(fā)射激光與接收檢測的同步 進(jìn)行。從上述三個檢測通道所獲得的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中反演出大氣的密 度、溫度、波動和風(fēng)場的方法，是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。 實施例2實施例1中的三臺接收望遠(yuǎn)鏡中的一臺或者兩臺或者三臺采用組合式 接收望遠(yuǎn)鏡。
實施例3實施例1或者實施例2中的鈉層熒光通道303的原子濾光器采用干涉 濾光器或雙折射濾光器。 實施例4實施例1或者實施例2中的瑞利散射通道304和璀利測風(fēng)通道305的 復(fù)合濾光器采用干涉濾光器或雙折射濾光器。
權(quán)利要求1、 一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)由激光發(fā)射部分(l)、光學(xué)接收部分(2)、信號檢測部分(3)三部分組成，其特征在于， 激光發(fā)射部分(1)由第一激光發(fā)射裝置(10)和第二激光發(fā)射裝置(11)兩部分 組成；第一激光發(fā)射裝置(10)由第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器(101)、 第一倍頻器(102)、第一分光器(103)、第二倍頻器(104)和第一棱鏡(105)組成， 并按此順序依次排列；第一分光器(103)反射的第一激光束(231)與第一斜向 望遠(yuǎn)鏡(201)的光軸平行，第一棱鏡(105)折射的第三激光束(233)與主望遠(yuǎn)鏡 (203)的光軸呈1°~5°夾角；第二激光發(fā)射裝置(ll)由第二種子注入穩(wěn)頻 Nd:YAG激光對lll)、第三倍頻器(112)、第二分光器(113)、第四倍頻器(114)、 原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器(115)和第二棱鏡(116)組成，并按此順序依次排 列；第二分光對113)反射的第二激光束(232)與第二斜向望遠(yuǎn)鏡(202)的光軸 平行，第二棱鏡(116)折射的第四激光束(234)方向相對于主望遠(yuǎn)鏡(203)的光 軸與第三激光束(233)對稱；光學(xué)接收部分(2)由三臺接收望遠(yuǎn)鏡和四根光纖組成；主望遠(yuǎn)鏡(203)的 光軸豎直向上，第一斜向望遠(yuǎn)鏡(201)與第二斜向望遠(yuǎn)鏡(202)光軸都與主望 遠(yuǎn)鏡(203)光軸呈30°~50°相同夾角，且兩斜向望遠(yuǎn)鏡光軸的水平面投影成 90°夾角；第一光纖(211)的一端放置于第一斜向望遠(yuǎn)鏡(201)的焦點處，第二 光纖(212)的一端放置于第二斜向望遠(yuǎn)鏡(202)的焦點處，第三光纖(213)的一 端放置于第三激光束(233)回波光在主望遠(yuǎn)鏡(203)的遠(yuǎn)場焦點處，上述三條光纖的另一端連接光纖開關(guān)(302)的輸入端；第四光纖(214)的一端放置于第 四激光束(234)回波光在主望遠(yuǎn)鏡(203)的遠(yuǎn)場焦點處，另一端連接鈉層熒光 檢測通道(303)的輸入端；信號檢測部分(3)由計算機(jī)(301)、光纖開關(guān)(302)、鈉層熒光檢測通道 (303)、瑞利散射檢測通道(304)和瑞利風(fēng)場檢測通道(305)組成；鈉層熒光檢測通道(303)獲得的鈉層熒光回波信號，通過數(shù)據(jù)線傳送給 計算機(jī)(301);光纖開關(guān)(302)將第一光纖(211)、第二光纖(212)和第三光纖 (213)輪流連接到第六光纖(316)，再輸入到瑞利風(fēng)場檢測通道(305)的輸入 端，瑞利風(fēng)場檢測通道(305)的輸出信號通過數(shù)據(jù)線傳送給計算機(jī)(301);第 三光纖(213)在沒有連通到第六光纖(316)時，連通到第七光纖(317)，再輸入 到瑞利散射檢測通道(304)的輸入端，瑞利散射檢測通道(304)的輸出信號通 過數(shù)據(jù)線傳送給計算機(jī)(301);計算機(jī)輸出的同步信號連接到第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器 (101)、第二種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器(lll)、鈉層熒光檢測通道(303)、 瑞利風(fēng)場檢測通道(305)和瑞利散射檢測通道(304)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷 達(dá)，其特征在于，第五光纖(215)的一端斜對第一棱鏡(105)的入射光一側(cè)， 另一端斜對主望遠(yuǎn)鏡(203)的接收面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷 達(dá)，其特征在于，所述的第一種子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器(101)和第二種 子注入穩(wěn)頻Nd:YAG激光器(lll)采用碘分子穩(wěn)頻種子注入鎖定532nm激光 的頻率；復(fù)合濾光器的透射峰鎖定在發(fā)射532nm激光頻率上，鑒頻標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰鎖定在無多普勒頻移的瑞利回波光光譜的斜邊上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求3所述的一種綜合型多功能中高層大 氣探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述的原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器(115)輸出 的589nm激光頻率鎖定在鈉原子的共振線上，鈉層熒光檢測通道(303)的濾 光器采用鈉原子濾光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷 達(dá)，其特征在于，所述光學(xué)接收部分(2)的三臺接收望遠(yuǎn)鏡中的一臺或者兩 臺或者三臺采用組合式接收望遠(yuǎn)鏡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的一種綜合型多功能中高層大氣 探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述瑞利散射檢測通道(304)和瑞利風(fēng)場檢測 通道(305)中的復(fù)合濾光器采用干涉濾光器或雙折射濾光器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種綜合型多功能中髙層大氣探測激光雷 達(dá)，其特征在于，所述鈉層熒光檢測通道(303)的原子濾光器采用干涉濾光 器或雙折射濾光器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷 達(dá)，其特征在于，所述鈉層熒光檢測通道(303)的原子濾光器采用干涉濾光 器或雙折射濾光器。
專利摘要本實用新型公開了一種綜合型多功能中高層大氣探測激光雷達(dá)，由激光發(fā)射(1)、光學(xué)接收(2)、信號檢測(3)三部分組成。該雷達(dá)將瑞利散射激光雷達(dá)、鈉層熒光激光雷達(dá)和瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)有機(jī)融合在一起，使硬件資源得到綜合利用，實現(xiàn)用一臺激光雷達(dá)對中高層大氣的密度、溫度、波動和風(fēng)場多種參數(shù)的全天時探測。本激光雷達(dá)采用三向固定收發(fā)、光纖開關(guān)切換、單通道單邊緣風(fēng)場檢測、發(fā)射激光和回波鑒頻頻率聯(lián)鎖于分子躍遷，以及原子濾光或復(fù)合濾光、兩次倍頻余光復(fù)用、雙光纖焦面分光、脈沖染料激光原子穩(wěn)頻等關(guān)鍵技術(shù)，使之具有工作穩(wěn)定可靠、探測精度高、自動化程度高，以及探測參數(shù)多、探測時間長等優(yōu)點。
文檔編號G01S17/00GK201021940SQ20072008354
公開日2008年2月13日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者陽 戴, 李發(fā)泉, 李奉延, 王嘉珉, 程學(xué)武, 龔順生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所