本發(fā)明涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，尤其涉及一種有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大氣中間層位于80km至110km之間。中間層的大氣參數(shù)探測(cè)對(duì)于研究大氣潮汐波、重力波、行星尺度波以及波與波之間的相互作用具有重要作用。中間層對(duì)底部傳輸來(lái)的大氣波動(dòng)、動(dòng)量注入，以及對(duì)太陽(yáng)輻射、高能粒子的沉降和空間天氣事件的短周期擾動(dòng)敏感。大氣中間層的重力波控制著由高能粒子產(chǎn)生的nox和hox的向下輸運(yùn)過(guò)程，而這些粒子將會(huì)增大平流層臭氧的損耗從而影響地面的氣候。激光雷達(dá)由于其高精度、高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，是研究中高層大氣的重要手段。由于流星燒蝕，中間層富含各種金屬原子或者金屬離子，如na、k、li、mg、ca和fe等原子或離子。激光雷達(dá)通過(guò)探測(cè)這些金屬原子或離子，可以獲取中間層的大氣參數(shù)信息。例如，通過(guò)na共振熒光激光雷達(dá)可探測(cè)中間層的風(fēng)速和溫度信息。

目前，基于鎳的大氣激光雷達(dá)尚處于研發(fā)階段。該類型激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射337.054納米的激光，從而激發(fā)鎳的共振熒光，其中339.396納米的信號(hào)占總信號(hào)的41％，337.054納米的信號(hào)占31％，347.35納米的信號(hào)占20％。提取鎳的共振熒光信號(hào)時(shí)，有兩個(gè)因素需要考慮，即濾波器對(duì)信號(hào)的透過(guò)率和濾波器對(duì)背景噪聲的抑制能力。當(dāng)采用窄帶濾波器時(shí)，濾波器可有效抑制大氣背景噪聲，但窄帶濾波器的透過(guò)率低，并且僅可提取單支共振熒光信號(hào)，利用率低。當(dāng)采用帶通濾波器時(shí)，濾波器的透過(guò)率高，可同時(shí)提取幾支共振熒光信號(hào)，但將引入大的大氣背景噪聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，激光雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大氣鎳回波信號(hào)的好效率提取，同時(shí)有效抑制大氣背景噪聲，從而實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的晝夜連續(xù)觀測(cè)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括：種子激光器(1)、激光放大器(2)、激光擴(kuò)束裝置(3)、望遠(yuǎn)鏡(4)、第一耦合透鏡(5)，帶通濾波器(6)、fabry-perot干涉儀(7)、溫控裝置(8)、陷波濾器(9)、第二耦合透鏡(10)、探測(cè)器(11)、采集卡(12)以及數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)(13)；其中：

種子激光器(1)的輸出端與激光放大器(2)的輸入端連接，激光放大器(2)的輸出端與激光擴(kuò)束裝置(3)的輸入端連接；激光通過(guò)激光擴(kuò)束裝置(3)發(fā)射到大氣中，大氣的回波信號(hào)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡(4)接收；

大氣回波信號(hào)先經(jīng)第一耦合透鏡(5)轉(zhuǎn)成平行光，平行光依次經(jīng)帶通濾波器(6)、fabry-perot干涉儀(7)和陷波濾器(9)，來(lái)提取鎳回波信號(hào)并濾除大氣背景噪聲，fabry-perot干涉儀(7)內(nèi)的溫度通過(guò)溫控裝置(8)控制，鎳回波信號(hào)經(jīng)陷波濾器(9)后通過(guò)第二耦合透鏡(10)經(jīng)信號(hào)耦合到探測(cè)器(11)，探測(cè)器(11)的輸出端與采集卡(12)的輸入端連接，采集卡(12)的輸出端與數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)(13)的輸入端連接。

基于依次設(shè)置的帶通濾波器(6)、fabry-perot干涉儀(7)和陷波濾器(9)，實(shí)現(xiàn)鎳激光雷達(dá)的晝夜連續(xù)觀測(cè)；其中，激光擴(kuò)束裝置(3)發(fā)射的337.054納米的激光，使大氣中的鎳氣體產(chǎn)生能級(jí)躍遷，發(fā)生躍遷的波長(zhǎng)為339.396納米、337.054納米和347.35納米，通過(guò)設(shè)定fabry-perot干涉儀(7)的自由譜間距，使得339.396納米、337.054納米和347.35納米的這三支鎳共振熒光信號(hào)通過(guò)fabry-perot干涉儀；同時(shí)，基于設(shè)置在fabry-perot干涉儀(7)前、后的帶通濾波器(6)、陷波濾器(9)濾除大氣背景噪聲。

所述fabry-perot干涉儀(7)的自由譜間距設(shè)為0.468納米，帶寬為0.01納米。

所述帶通濾波器(6)的帶寬大于10.299納米，并且保證339.396納米、337.054納米和347.35納米的鎳共振熒光信號(hào)透過(guò)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，1)可同時(shí)提取三支鎳的共振熒光線，這三支共振熒光占總信號(hào)的92％，具有高效率的特點(diǎn)。2)fabry-perot干涉儀、帶通濾波器和陷波濾器都具有高透過(guò)率的特點(diǎn)，鎳共振熒光線的透過(guò)率高；3)fabry-perot干涉儀的占空比很低，可有效隔離大氣背景噪聲，而周期性fabry-perot干涉儀所引入的大氣背景噪聲通過(guò)帶通濾波器和陷波濾器進(jìn)行高效濾除；從而實(shí)現(xiàn)鎳激光雷達(dá)的晝夜連續(xù)觀測(cè)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，如圖1所示，其主要包括：種子激光器1、激光放大器2、激光擴(kuò)束裝置3、望遠(yuǎn)鏡4、第一耦合透鏡5，帶通濾波器6、fabry-perot干涉儀7、溫控裝置8、陷波濾器9、第二耦合透鏡10、探測(cè)器11、采集卡12以及數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)13；其中：

種子激光器1的輸出端與激光放大器2的輸入端連接，激光放大器2的輸出端與激光擴(kuò)束裝置3的輸入端連接；激光通過(guò)激光擴(kuò)束裝置3發(fā)射到大氣中，大氣的回波信號(hào)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡4接收；

大氣回波信號(hào)先經(jīng)第一耦合透鏡5轉(zhuǎn)成平行光，平行光依次經(jīng)帶通濾波器6、fabry-perot干涉儀7和陷波濾器9，來(lái)提取鎳回波信號(hào)并濾除大氣背景噪聲，fabry-perot干涉儀7內(nèi)的溫度通過(guò)溫控裝置8控制，鎳回波信號(hào)經(jīng)陷波濾器9后通過(guò)第二耦合透鏡10經(jīng)信號(hào)耦合到探測(cè)器11，探測(cè)器11的輸出端與采集卡12的輸入端連接，采集卡12的輸出端與數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)13的輸入端連接。

本發(fā)明實(shí)施例提供的激光雷達(dá)系統(tǒng)的高效濾波技術(shù)原理請(qǐng)參見圖2。

如圖2(a)所示，激光擴(kuò)束裝置3發(fā)射的337.054納米的激光，使大氣中的鎳氣體產(chǎn)生能級(jí)躍遷，發(fā)生躍遷的波長(zhǎng)為339.396納米、337.054納米和347.35納米，其中339.396納米的信號(hào)占總信號(hào)的41％，337.054納米的信號(hào)占31％，347.35納米的信號(hào)占20％，這三支共振熒光占總信號(hào)的92％。

當(dāng)提取鎳的共振熒光信號(hào)時(shí)，有兩個(gè)因素需要考慮，即濾波器的透過(guò)率和濾波器對(duì)背景噪聲的抑制能力。如前述背景技術(shù)中提到的，當(dāng)采用窄帶濾波器時(shí)，可有效抑制大氣背景噪聲，但窄帶濾波器的透過(guò)率低，僅可提取單支共振熒光信號(hào)，另外的共振熒光信號(hào)有被隔離了，利用率低。當(dāng)采用帶通濾波器時(shí)，濾波器的透過(guò)率高，并且可同時(shí)提取幾支共振熒光信號(hào)，但同時(shí)將引入大的大氣背景噪聲。

本發(fā)明為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了基于fabry-perot干涉儀、帶通濾波器和陷波濾器的高效濾波技術(shù)。即，通過(guò)依次設(shè)置的帶通濾波器6、fabry-perot干涉儀7和陷波濾器9，實(shí)現(xiàn)鎳激光雷達(dá)的晝夜連續(xù)觀測(cè)。如圖2(b)所示，通過(guò)設(shè)定fabry-perot干涉儀7的自由譜間距，使得339.396納米、337.054納米和347.35納米的這三支鎳共振熒光信號(hào)通過(guò)fabry-perot干涉儀，同時(shí)由于fabry-perot干涉儀7的占空比很低，可有效隔離大氣背景噪聲。

優(yōu)選的，所述fabry-perot干涉儀7的自由譜間距設(shè)為0.468納米，帶寬為0.01納米。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中也可通過(guò)調(diào)節(jié)fabry-perot干涉儀7的腔長(zhǎng)，使得339.396納米、337.054納米和347.35納米的這三個(gè)共振熒光信號(hào)通過(guò)fabry-perot干涉儀7。

如圖2(c)所示，基于設(shè)置在fabry-perot干涉儀7前、后的帶通濾波器5、陷波濾器9能進(jìn)一步隔離大氣背景噪聲，并且由于帶通濾波器6帶寬大，其峰值透過(guò)率高，從而達(dá)到對(duì)鎳共振熒光信號(hào)高效低噪聲的探測(cè)。

優(yōu)選的，所述帶通濾波器6的帶寬大于10.299納米，并且保證339.396納米、337.054納米和347.35納米的鎳共振熒光信號(hào)高效透過(guò)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的有效提取大氣鎳共振熒光信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)主要具有如下有益效果：

1)可同時(shí)提取三支鎳的共振熒光線，這三支共振熒光占總信號(hào)的92％，具有高效率的特點(diǎn)。

2)fabry-perot干涉儀7、帶通濾波器6和陷波濾器9都具有高透過(guò)率的特點(diǎn)，鎳共振熒光線的透過(guò)率高。

3)fabry-perot干涉儀7的占空比很低，可有效隔離大氣背景噪聲，而周期性fabry-perot干涉儀7所引入的大氣背景噪聲通過(guò)帶通濾波器6和陷波濾器9進(jìn)行高效濾除，從而實(shí)現(xiàn)鎳激光雷達(dá)的晝夜連續(xù)觀測(cè)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。