CN100561254C - 基于半导体激光器的大气探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成。本发明可安装于地面基站、运载车辆、飞机和卫星上。其向大气中发射脉冲激光束，当激光脉冲遇到大气分子和大气中的微小颗粒时，会与大气分子本身和大气中的微小颗粒发生相互作用，产生与激光光束同轴但方向相反的后向散射光信号，该系统的光学接收器接收到这些后向散射光信号，经过信号处理后，送入计算机进行分析和储存，从而获得大气分子和大气中的微小颗粒空间分布和时间演化信息，进行气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域的应用。

Description

基于半导体激光器的大气探测激光雷达

技术领域

本发明涉及一种对大气本身和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云)的空间位置和时间演化进行探测的基于半导体激光器的激光雷达。

背景技术

和其它遥感技术手段相比，激光雷达具有探测精度高、时空分辨率好，以及重量轻、体积小等独特优势，在对大气、海洋和陆地的遥感探测中具有很好的应用潜力。在种类众多的大气探测激光雷达中，用于探测低空大气微小粒子(包括气溶胶和云)的空间分布和时间变化的米散射激光雷达相对较为简单和实用，已被较为广泛地应用于气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域。但现实的情况是，应用领域对这种激光雷达的需求数量远远大于实际已在应用的数量。主要原因在于激光雷达价格昂贵、结构复杂、需专业人员操作维护才能正常工作，而究其根源又在于激光雷达都使用了技术复杂、价格昂贵的激光器(激光器部分占整个激光雷达价格和操作维修工作量的很大比例)。因此，采用结构简单、性能可靠、价格便宜的激光器是推广激光雷达应用范围最为有效的途径。半导体激光器是一种全固态的激光器件，它没有其它激光器那样复杂的光腔结构和调整要求，是一种高可靠、长寿命和廉价的相干光源。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于半导体激光器的大气探测激光雷达，具有价格低廉、操作简单的特点，对大气本身和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云)进行探测，获取其空间位置和时间演化的信息。

本发明提供的技术方案是：基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成。

上述半导体激光发射器由半导体激光器电源、光纤耦合半导体激光器、非球面透镜和扩束器组成；半导体激光器电源输出端与光纤耦合半导体激光器电功率输入端相连，光纤耦合半导体激光器激光输出端与非球面透镜输入端相连，非球面透镜输出端与扩束器输入端相连。

上述激光雷达接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、复合滤光器、会聚光学透镜、光电探测器、门控击穿驱动电路组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与复合滤光器输入端相连，复合滤光器输出端与会聚光学透镜输入端相连，会聚光学透镜输出进入光电探测器，门控击穿驱动电路输出端与光电探测器高压输入端相连。

上述复合滤光器包括窄带干涉滤光片和F-P标准具，激光雷达接收器中准直光学透镜输出端与复合滤光器中窄带干涉滤光片输入端相连，窄带干涉滤光片输出端与复合滤光器中F-P标准具输入端相连，F-P标准具输出端与会聚光学透镜输入端相连。

上述计算机为工业控制计算机，工业控制计算机通过I/O接口卡、GPIB接口卡与信号处理电路相联，所述信号处理电路由前置放大器、A/D转换器和光子计数器组成；光电探测器输出端与前置放大器输入端相连，前置放大器输出端与A/D转换器和光子计数器输入端相连，光子计数器输出端与GPIB接口卡输入端相连，I/O接口卡输出端与半导体激光器电源控制输入端、A/D转换器和光子计数器触发输入端相连，I/O接口卡、GPIB接口卡和A/D转换器置于工业控制计算机PCI插槽中。

上述门控击穿驱动电路包括两个可调稳压器和高速固态继电器，两个可调稳压器输出端与高速固态继电器输入端相连，I/O接口卡输出端与高速固态继电器输入端相连，高速固态继电器输出端与光电探测器的高压输入端相连。

本发明可安装于地面基站、运载车辆、飞机和卫星上。其向大气中发射脉冲激光束，当激光脉冲遇到大气分子和大气中的微小颗粒(包括气溶胶和云等)时，会与大气分子本身和大气中的微小颗粒发生相互作用，产生与激光光束同轴但方向相反(朝激光雷达传播)的后向散射光信号，该系统的激光雷达接收器接收到这些后向散射光信号，经过整形、滤光、光电转换、放大、模数转换和光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存，从而获得大气分子和大气中的微小颗粒空间分布和时间演化信息，进行气象、环保、交通安全、靶场保障、大气科学研究以及许多军事领域的应用。

附图说明

图1是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达原理框图；

图2是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的半导体激光发射器部分结构原理图；

图3是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的激光雷达接收器部分结构原理图；

图4是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的门控击穿驱动电路原理图；

图5是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的复合滤光器结构原理图；

图6是本发明中基于半导体激光器的大气探测激光雷达的信号处理与计算机部分结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明中的基于半导体激光器的大气探测激光雷达主要包括：半导体激光发射器1，激光雷达接收器2，和与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路与工业控制计算机3。

参见图2，半导体激光发射器1由半导体激光器电源5、光纤耦合半导体激光器6、非球面透镜7和扩束器8组成；半导体激光器电源5输出端与光纤耦合半导体激光器6电功率输入端相连，光纤耦合半导体激光器6激光输出端与非球面透镜7输入端相连，非球面透镜7输出端与扩束器8输入端相连。按所要求的脉冲宽度和重复频率，图2中I/O接口卡4(研华公司，型号PCI-1751)输出脉冲控制信号，该信号对半导体激光器电源5(凌云公司，型号LYPEX-SG-WLX-FX)进行脉冲调制。半导体激光器电源5对光纤耦合半导体激光器6的脉冲驱动通过高速大电流开关的切换方式实现，调制参数为脉冲宽度0.5μS，重复率1KHz。对光纤耦合半导体激光器6的波长漂移的控制，通过半导体激光器电源5内的已有温度控制回路实现，使半导体激光器6的工作波长稳定在小于激光雷达接收器系统中窄带干涉滤光片17的带宽范围。采用工作波长为近红外的光纤耦合半导体激光器6(LDX公司，型号UM7800/100/20)作为发射光源，对于激光雷达应用，此激光器的光束还需要进行高倍准直。准直分两步进行：先用非球面透镜7进行初准直，再经10X扩束器8将发散进一步降低。扩束器8由一个凹透镜和一个凸透镜组成：凹透镜直径12毫米，焦距25毫米；凸透镜直径100毫米，焦距250毫米，凹透镜的虚焦点与凸透镜的实焦点实施共焦点配置。初准直采用非球面透镜7，可使光能向光束中心集中，以利减小高倍扩束后的光斑直径。调节过程中，光束准直度通过CCD拍摄远近场光斑图像进行调整和控制。

参见图3，激光雷达接收器2由接收望远镜9、视场光阑10、准直光学透镜11、复合滤光器12、会聚光学透镜13、光电探测器14、门控击穿驱动电路组成；接收望远镜9输出端与视场光阑10输入端相连，视场光阑10输出端与准直光学透镜11输入端相连，准直光学透镜11输出端与复合滤光器12输入端相连，复合滤光器12输出端与会聚光学透镜13输入端相连，会聚光学透镜13输出进入光电探测器14，门控击穿驱动电路输出端与光电探测器14高压输入端相连。后向散射的激光雷达回波信号经图3中接收望远镜9收光聚焦以后，采用视场光阑10将接收视场控制在合适的视场角范围内，经过准直光学透镜11将回波光信号整理成平行光后，经过复合滤光器12将杂散背景光过滤，只让信号光通过。信号光经过会聚光学透镜13，将光斑直径缩小，以使光斑直径小于光电探测器14的光敏面，使所有的回波光信号都能投射到光电探测器14的光敏面上，光电探测器14将回波光信号转换成相应的电信号。同时，在调整时还需采用准直光源共轴入射的方法指导，使回波能准确入射光敏面。三维精密调节架15用于对光电探测器的空间位置进行精密调节。

为克服死时间的困难，对光电探测器14采用一种新的G-APD工作模式，即对其采用门控击穿驱动电路方案，不但可降低猝灭的技术复杂性，还能大幅度提高探测动态范围。上述门控击穿驱动电路包括两个可调稳压器I2、I3和高速固态继电器I4，两个可调稳压器I2、I3输出端与高速固态继电器I4输入端相连，I/O接口卡4输出端与高速固态继电器I4输入端相连，高速固态继电器I4输出端与光电探测器14的高压输入端相连(参见图4)。其工作过程为：对较强的近场回波，使探测器14工作于不击穿的普通APD模式，对近场回波进行模数转换探测；对较弱的远场回波，通过门控技术使探测器14击穿工作在G-APD模式，对远场回波进行光子计数探测。图4中AC-DC电源模块I1提供APD探测器需要的直流高压，C1为滤波电容。通过可调稳压器I2提供普通APD模式工作所需要的偏置高压，RR1和R1组成的分压电路提供I2所需要的参考电压，C2、C3和C4起到高频旁路滤波作用。通过可调稳压器I3提供G-APD模式工作所需要的偏置高压，RR2和R2组成的分压电路提供I3所需要的参考电压，C5、C6和C7起到高频旁路滤波作用。I/O接口卡4输出控制高速固态继电器I4，对光电探测器14的偏置电压实施切换，以保证光电探测器14的门控击穿驱动工作方式。选用大面积的G-APD，在复合滤光器12之后采用短焦距透镜和探测器空间位置的可调整来实施光学对准。

为尽量降低滤光带宽，采用干涉滤光片加F-P标准具的复合滤光方案，如图5所示。复合滤光器12包括窄带干涉滤光片17和F-P标准具18，激光雷达接收器2中准直光学透镜输出端与复合滤光器12中窄带干涉滤光片17输入端相连，窄带干涉滤光片17输出端与复合滤光器12中F-P标准具18输入端相连，F-P标准具18输出端与会聚光学透镜13输入端相连。经过准直的回波光经过窗片16透射到窄带干涉滤光片17上，干涉滤光片带宽为1nm，再经过F-P标准具18进一步精细滤光，F-P标准具18光谱范围(FSR)为1nm，细度(F)为15。窄带干涉滤光片17和F-P标准具18两者口径均为φ25mm。过滤后的低噪声信号光通过会聚光学透镜13投射到光电探测器14上。遮光罩19为窄带干涉滤光片17和F-P标准18具提供恒温和干燥环境。三维精密调节架15用于对光电探测器的空间位置进行精密调节。

如图6所示，工业控制计算机23通过I/O接口卡4、GPIB接口卡24与信号处理电路相联，所述信号处理电路由前置放大器20、A/D转换器21和光子计数器22组成；光电探测器14输出端与前置放大器20输入端相连，前置放大器20输出端与A/D转换器21和光子计数器22输入端相连，光子计数器22输出端与GPIB接口卡24输入端相连，I/O接口卡4输出端与A/D转换器21和光子计数器22触发输入端相连，I/O接口卡4、GPIB接口卡24和A/D转换器21置于工业控制计算机23的PCI插槽中。

光电探测器的输出信号经过图6中前置放大器20(SRS公司，型号SR-445A)的电流-电压转换和电平放大后，进入A/D转换器21(研华公司，型号PCI-1714)和光子计数器22(SRS公司，型号SR430)。相对较强的信号通过A/D转换器21进行模数转换；而微弱的信号则通过光子计数器22进行光子计数。A/D转换器21是PCI接口卡，通过PCI接口将数据输入工业控制计算机23进行数据处理和存贮；而光子计数的数据通过GPIB接口卡24(研华公司，型号PCI-1670)输入工业控制计算机23进行数据处理和存贮，同时工业控制计算机23也通过I/O接口卡4(研华公司，型号PCI-1751)输出同步脉冲信号，控制A/D转换器21和光子计数器22的时序触发。

Claims (5)

1.基于半导体激光器的大气探测激光雷达，包括半导体激光发射器、激光雷达接收器、与激光雷达接收器输出连接的信号处理电路及计算机组成；所述半导体激光发射器由半导体激光器电源、光纤耦合半导体激光器、非球面透镜和扩束器组成；半导体激光器电源输出端与光纤耦合半导体激光器电功率输入端相连，光纤耦合半导体激光器激光输出端与非球面透镜输入端相连，非球面透镜输出端与扩束器输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的大气探测激光雷达，其特征在于：所述激光雷达接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、复合滤光器、会聚光学透镜、光电探测器、门控击穿驱动电路组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与复合滤光器输入端相连，复合滤光器输出端与会聚光学透镜输入端相连，会聚光学透镜输出进入光电探测器，门控击穿驱动电路输出端与光电探测器高压输入端相连。

3.根据权利要求2所述的基于半导体激光器的大气探测激光雷达，其特征在于：复合滤光器包括窄带干涉滤光片和F-P标准具，激光雷达接收器中准直光学透镜输出端与复合滤光器中窄带干涉滤光片输入端相连，窄带干涉滤光片输出端与复合滤光器中F-P标准具输入端相连，F-P标准具输出端与会聚光学透镜输入端相连。

4.根据权利要求1或2所述的基于半导体激光器的大气探测激光雷达，其特征在于：所述计算机为工业控制计算机，工业控制计算机通过I/O接口卡、GPIB接口卡与信号处理电路相联，所述信号处理电路由前置放大器、A/D转换器和光子计数器组成；光电探测器输出端与前置放大器输入端相连，前置放大器输出端与A/D转换器和光子计数器输入端相连，光子计数器输出端与GPIB接口卡输入端相连，I/O接口卡输出端与半导体激光器电源控制输入端、A/D转换器和光子计数器触发输入端相连，I/O接口卡、GPIB接口卡和A/D转换器置于工业控制计算机PCI插槽中。

5.根据权利要求2所述的基于半导体激光器的大气探测激光雷达，其特征在于：门控击穿驱动电路包括两个可调稳压器和高速固态继电器，两个可调稳压器输出端与高速固态继电器输入端相连，I/O接口卡输出端与高速固态继电器输入端相连，高速固态继电器输出端与光电探测器的高压输入端相连。

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