一種基于1μm～2μm氣體分子吸收譜線的全光纖測風激光雷達的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多普勒測風激光雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于1 μπι~2 μπι氣體 分子吸收譜線的全光纖測風激光雷達。
【背景技術(shù)】
[0002] 測風激光雷達對提高長期天氣預(yù)報的準確性、改進氣候研究模型、提高軍事環(huán)境 預(yù)報等有重大意義。因此，大氣風場的測量受到越來越多的關(guān)注，國際民航機構(gòu)、世界氣 象組織、世界各國航空航天的研究機構(gòu)等組織都正在積極地開展風場探測系統(tǒng)的研究與開 發(fā)。
[0003] 多普勒測風激光雷達根據(jù)探測原理的不同可分為相干探測和直接探測。相干探測 通過激光大氣回波信號與本振激光相干的方式探測風速探測。直接探測則利用鑒頻器將多 普勒頻移信息轉(zhuǎn)化為能量的相對變化以探測大氣風速。直接探測可分為條紋技術(shù)和邊緣技 術(shù)。條紋技術(shù)采用Fabry-Perot干涉儀或Fizeau干涉儀產(chǎn)生干涉條紋，通過條紋重心的偏 移測定大氣散射信號的多普勒頻移。邊緣技術(shù)利用具有陡峭響應(yīng)曲線的濾波器，通過檢測 透過率的變化測量多普勒頻移量。邊緣技術(shù)中，除采用上述兩種干涉儀外，還可以采用分子 吸收線、Michelson干涉儀、光柵、棱鏡、Mach-Zehnder干涉儀等高分辨鑒頻率器。
[0004] 采用邊緣技術(shù)的測風激光雷達中，F(xiàn)abry-Perot干涉儀具有陡峭的邊緣，高的速度 靈敏度，針對不同探測目標和工作波長可優(yōu)化設(shè)定等優(yōu)點，是直接探測測風激光雷達中應(yīng) 用最廣泛的鑒頻器。同時，其也存在對環(huán)境溫度、濕度、應(yīng)力的變化敏感，不易集成，光路準 直條件苛刻等缺點。
[0005] 相比而言，基于分子（或原子）吸收的濾波器件具有更穩(wěn)定的頻譜特性，更大的視 場角，更寬松的光路準直條件等優(yōu)點。其中基于碘蒸氣分子的濾波器已應(yīng)用于測風激光雷 達。然而532nm激光為可見光，人眼允許最大曝光功率低，人眼不安全及體積龐大等缺點限 制了其在飛機、艦載等平臺的應(yīng)用。
[0006]另外，全光纖測風激光雷達由于其體積小、集成度高、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點是各國爭 先發(fā)展的領(lǐng)域，特別是工作于1.5 μπι通信波段的全光纖系統(tǒng)。1.5 μπι系統(tǒng)主要優(yōu)點為： (1)人眼相對安全，1.55 μπι波段激光的人眼最大允許曝光功率是2. 1 μπι波段的10倍，是 1. 06 μπι波段的5個數(shù)量級；（2)光通信器件已發(fā)展很成熟，可以直接應(yīng)用，可降低成本； (3)全光纖結(jié)構(gòu)，易于組裝和集成，容易小型化、穩(wěn)定化和商品化。
[0007] 值得注意的是，氣體分子近紅外吸收譜線由于其吸收譜穩(wěn)定、吸收線多等優(yōu)點，已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于密集波分復(fù)用、穩(wěn)頻激光器、波長計、光譜儀等。但尚且沒有基于1 μ m~2 μ m 氣體分子近紅外吸收譜線鑒頻的測風激光雷達。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種基于1 μπι~2 μπι氣體分子吸收譜線的全光纖測風激光 雷達，其具有全光纖結(jié)構(gòu)、氣體分子吸收譜線穩(wěn)定、抗干擾能力強、系統(tǒng)穩(wěn)定、高度集成等優(yōu) 點。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0010] 一種基于1 μ m~2 μ m氣體分子吸收譜線的全光纖測風激光雷達，包括：連續(xù)激光 器1、光纖隔離器2、強度調(diào)制器3、任意函數(shù)發(fā)生器4、光纖放大器5、光纖環(huán)形器6、延時光 纖7、光學收發(fā)和掃描系統(tǒng)8、光纖布拉格光柵9、光纖分束器10、基于氣體分子吸收譜線的 鑒頻器11、第一探測器12、第一采集卡13、第二探測器14、第二采集卡15與計算機16,其中 各器件連接關(guān)系為：
[0011] 連續(xù)激光器1的輸出端與光纖隔離器2的輸入端連接，光纖隔離器2的輸出端與 強度調(diào)制器3的輸入端連接，強度調(diào)制器3的輸出端與光纖放大器5的輸入端連接，任意函 數(shù)發(fā)生器4的輸出端與強度調(diào)制器3的控制端連接；
[0012] 光纖放大器5的輸出端與光纖環(huán)形器6輸入端A連接，光纖環(huán)形器6的端口 B與 延時光纖7的輸入端連接，延時光纖7的輸出端與光學收發(fā)和掃描系統(tǒng)8的輸入端連接，光 纖環(huán)形器6的端口 C與光纖布拉格光柵9的輸入端連接，光纖環(huán)形器6的端口 D與光纖分 束器10的輸入端連接；
[0013] 光纖分束器10包含輸出端A與輸出端B ;其中的輸出端A與基于氣體分子吸收譜 線的鑒頻器11的輸入端連接，基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11的輸出端與第一探測器 12的輸入端連接，第一探測器12的輸出端與第一采集卡13的輸入端連接；光纖分束器10 的輸出端B與第二探測器14的輸入端連接，第二探測器14的輸出端與第二采集卡15的輸 入端連接；
[0014] 第一采集卡13的輸入端和第二采集卡15的輸入端分別接入計算機16。
[0015] 進一步的，還包括：用于放置所述基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11的恒溫恒壓 裝置17。
[0016] 進一步的，所述基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11包括：晶體光纖及連接在該晶 體光纖兩端的單模光纖；
[0017] 所述晶體光纖中封裝有1 μ m~2 μ m的氣體分子，所述1 μ m~2 μ m的氣體分子 包括：HF、C2H2、CO、HCN、CH4、(：0 2和 / 或 HBr。
[0018] 進一步的，由所述計算機16采用Galatry函數(shù)擬合氣體分子吸收譜。
[0019] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出基于Ιμπι~2 μπι的氣體分 子吸收譜的全光纖測風激光雷達，通過將出射激光鎖定在氣體分子吸收譜線的陡峭邊緣 上，以檢測大氣回波信號在分子吸收譜線上的能量變化測量多普勒頻移。本發(fā)明提出將 1 μπι~2 μπι的氣體分子封裝在恒溫恒壓條件下的晶體光纖中，實現(xiàn)了基于氣體分子吸收 譜鑒頻的多普勒測風激光雷達全光纖接收光路。同時，通過采用Galatry函數(shù)擬合氣體分 子吸收譜，相比于Voigt函數(shù)，提高了作為測風基準的分子吸收譜的擬合精度。本發(fā)明基于 氣體吸收譜鑒頻具有頻譜特性穩(wěn)定、光路準直條件容易滿足、結(jié)構(gòu)緊湊、人眼相對安全、系 統(tǒng)穩(wěn)定、探測精度尚等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0021] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于I ym~2 μπι氣體分子吸收譜線的全光纖測 風激光雷達的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明實施例提供的基于氣體分子吸收譜線構(gòu)成的全光纖鑒頻器的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明實施例提供的氣體分子HCN吸收譜；
[0024] 圖4為本發(fā)明實施例提供的氣體分子12C2H2吸收譜；
[0025] 圖5為本發(fā)明實施例提供的氣體分子H12CN、12C0、13C0的混合形成的吸收譜線；
[0026] 圖6為本發(fā)明實施例提供的基于1 μ m~2 μ m氣體分子吸收譜線的全光纖測風激 光雷達的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒?發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0028] 實施例
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于1 μ m~2 μ m氣體分子吸收譜線的全光纖測 風激光雷達的示意圖。如圖1所示，其主要包括：
[0030] 連續(xù)激光器1、光纖隔離器2、強度調(diào)制器3、任意函數(shù)發(fā)生器4、光纖放大器5、光纖 環(huán)形器6、延時光纖7、光學收發(fā)和掃描系統(tǒng)8、光纖布拉格光柵9、光纖分束器10、基于氣體 分子吸收譜線的鑒頻器11、第一探測器12、第一采集卡13、第二探測器14、第二采集卡15 與計算機16,其中各器件連接關(guān)系為：
[0031] 連續(xù)激光器1的輸出端與光纖隔離器2的輸入端連接，光纖隔離器2的輸出端與 強度調(diào)制器3的輸入端連接，強度調(diào)制器3的輸出端與光纖放大器5的輸入端連接，任意函 數(shù)發(fā)生器4的輸出端與強度調(diào)制器3的控制端連接；
[0032] 光纖放大器5的輸出端與光纖環(huán)形器6輸入端A連接，光纖環(huán)形器6的端口 B與 延時光纖7的輸入端連接，延時光纖7的輸出端與光學收發(fā)和掃描系統(tǒng)8的輸入端連接，光 纖環(huán)形器6的端口 C與光纖布拉格光柵9的輸入端連接，光纖環(huán)形器6的端口 D與光纖分 束器10的輸入端連接；
[0033] 光纖分束器10包含輸出端A與輸出端B ;其中的輸出端A與基于氣體分子吸收譜 線的鑒頻器11的輸入端連接，基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11的輸出端與第一探測器 12的輸入端連接，第一探測器12的輸出端與第一采集卡13的輸入端連接；光纖分束器10 的輸出端B與第二探測器14的輸入端連接，第二探測器14的輸出端與第二采集卡15的輸 入端連接；
[0034] 第一采集卡13的輸入端和第二采集卡15的輸入端分別接入計算機16。
[0035] 本發(fā)明實施例中，所述激光雷達還包括：用于放置所述基于氣體分子吸收譜線的 鑒頻器11的恒溫恒壓裝置17。由于氣體分子吸收譜的透過率與壓強有光，壓強越大，氣體 分子吸收譜的譜寬越大；特別值得注意的是，氣體分子吸收譜的中心會隨著壓強和溫度的 變化發(fā)生移動，因此，需要將基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11封裝于恒溫恒壓裝置17 中，本實施例中，恒溫恒壓裝置17的溫度精度為0.0 Orc，從而消除環(huán)境溫度、濕度、壓強變 化對測風激光雷達的影響。
[0036] 優(yōu)選地，本發(fā)明實施例中的光纖鏈路均采用熔接方式連接。
[0037] 優(yōu)選地，本發(fā)明實施例中的光學器件為保偏型器件，各器件之間采用保偏光纖連 接。
[0038] 如圖2所示，所述基于氣體分子吸收譜線的鑒頻器11包