專利名稱：基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對大氣本身和大氣中的微小顆粒(包括氣溶膠和云)的空間位置和時間演化進行探測的基于半導體激光器的激光雷達。
背景技術：
和其它遙感技術手段相比，激光雷達具有探測精度高、時空分辨率好，以及重量輕、體積小等獨特優勢，在對大氣、海洋和陸地的遙感探測中具有很好的應用潛力。在種類眾多的大氣探測激光雷達中，用于探測低空大氣微小粒子(包括氣溶膠和云)的空間分布和時間變化的米散射激光雷達相對較為簡單和實用，已被較為廣泛地應用于氣象、環保、交通安全、靶場保障、大氣科學研究以及許多軍事領域。但現實的情況是，應用領域對這種激光雷達的需求數量遠遠大于實際已在應用的數量。主要原因在于激光雷達價格昂貴、結構復雜、需專業人員操作維護才能正常工作，而究其根源又在于激光雷達都使用了技術復雜、價格昂貴的激光器(激光器部分占整個激光雷達價格和操作維修工作量的很大比例)。因此，采用結構簡單、性能可靠、價格便宜的激光器是推廣激光雷達應用范圍最為有效的途徑。半導體激光器是一種全固態的激光器件，它沒有其它激光器那樣復雜的光腔結構和調整要求，是一種高可靠、長壽命和廉價的相干光源。
發明內容
本發明針對上述問題，提供一種基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，具有價格低廉、操作簡單的特點，對大氣本身和大氣中的微小顆粒(包括氣溶膠和云)進行探測，獲取其空間位置和時間演化的信息。
本發明提供的技術方案是基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，包括半導體激光發射器、激光雷達接收器、與激光雷達接收器輸出連接的信號處理電路及計算機組成。
上述半導體激光發射器由半導體激光器電源、光纖耦合半導體激光器、非球面透鏡和擴束器組成；半導體激光器電源輸出端與光纖耦合半導體激光器電功率輸入端相連，光纖耦合半導體激光器激光輸出端與非球面透鏡輸入端相連，非球面透鏡輸出端與擴束器輸入端相連。
上述激光雷達接收器由接收望遠鏡、視場光闌、準直光學透鏡、復合濾光器、會聚光學透鏡、光電探測器、門控擊穿驅動電路組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與準直光學透鏡輸入端相連，準直光學透鏡輸出端與復合濾光器輸入端相連，復合濾光器輸出端與會聚光學透鏡輸入端相連，會聚光學透鏡輸出進入光電探測器，門控擊穿驅動電路輸出端與光電探測器高壓輸入端相連。
上述復合濾光器包括窄帶干涉濾光片和F-P標準具，激光雷達接收器中準直光學透鏡輸出端與復合濾光器中窄帶干涉濾光片輸入端相連，窄帶干涉濾光片輸出端與復合濾光器中F-P標準具輸入端相連，F-P標準具輸出端與會聚光學透鏡輸入端相連。
上述計算機為工業控制計算機，工業控制計算機通過I/O接口卡、GPIB接口卡與信號處理電路相聯，所述信號處理電路由前置放大器、A/D轉換器和光子計數器組成；光電探測器輸出端與前置放大器輸入端相連，前置放大器輸出端與A/D轉換器和光子計數器輸入端相連，光子計數器輸出端與GPIB接口卡輸入端相連，I/O接口卡輸出端與半導體激光器電源控制輸入端、A/D轉換器和光子計數器觸發輸入端相連，I/O接口卡、GPIB接口卡和A/D轉換器置于工業控制計算機PCI插槽中。
上述門控擊穿驅動電路包括兩個可調穩壓器和高速固態繼電器，兩個可調穩壓器輸出端與高速固態繼電器輸入端相連，I/O接口卡輸出端與高速固態繼電器輸入端相連，高速固態繼電器輸出端與光電探測器的高壓輸入端相連。
本發明可安裝于地面基站、運載車輛、飛機和衛星上。其向大氣中發射脈沖激光束，當激光脈沖遇到大氣分子和大氣中的微小顆粒(包括氣溶膠和云等)時，會與大氣分子本身和大氣中的微小顆粒發生相互作用，產生與激光光束同軸但方向相反(朝激光雷達傳播)的后向散射光信號，該系統的激光雷達接收器接收到這些后向散射光信號，經過整形、濾光、光電轉換、放大、模數轉換和光子計數處理后，送入計算機進行分析和儲存，從而獲得大氣分子和大氣中的微小顆粒空間分布和時間演化信息，進行氣象、環保、交通安全、靶場保障、大氣科學研究以及許多軍事領域的應用。
圖1是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達原理框圖；圖2是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的半導體激光發射器部分結構原理圖；圖3是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的激光雷達接收器部分結構原理圖；圖4是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的門控擊穿驅動電路原理圖；圖5是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的復合濾光器結構原理圖；圖6是本發明中基于半導體激光器的大氣探測激光雷達的信號處理與計算機部分結構原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明作進一步詳細的描述。
參見圖1，本發明中的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達主要包括半導體激光發射器1，激光雷達接收器2，和與激光雷達接收器輸出連接的信號處理電路與工業控制計算機3。
參見圖2，半導體激光發射器1由半導體激光器電源5、光纖耦合半導體激光器6、非球面透鏡7和擴束器8組成；半導體激光器電源5輸出端與光纖耦合半導體激光器6電功率輸入端相連，光纖耦合半導體激光器6激光輸出端與非球面透鏡7輸入端相連，非球面透鏡7輸出端與擴束器8輸入端相連。按所要求的脈沖寬度和重復頻率，圖2中I/O接口卡4(研華公司，型號PCI-1751)輸出脈沖控制信號，該信號對半導體激光器電源5(凌云公司，型號LYPEX-SG-WLX-FX)進行脈沖調制。半導體激光器電源5對光纖耦合半導體激光器6的脈沖驅動通過高速大電流開關的切換方式實現，調制參數為脈沖寬度0.5μS，重復率1KHz。對光纖耦合半導體激光器6的波長漂移的控制，通過半導體激光器電源5內的已有溫度控制回路實現，使半導體激光器6的工作波長穩定在小于激光雷達接收器系統中窄帶干涉濾光片17的帶寬范圍。采用工作波長為近紅外的光纖耦合半導體激光器6(LDX公司，型號UM7800/100/20)作為發射光源，對于激光雷達應用，此激光器的光束還需要進行高倍準直。準直分兩步進行先用非球面透鏡7進行初準直，再經10X擴束器8將發散進一步降低。擴束器8由一個凹透鏡和一個凸透鏡組成凹透鏡直徑12毫米，焦距25毫米；凸透鏡直徑100毫米，焦距250毫米，凹透鏡的虛焦點與凸透鏡的實焦點實施共焦點配置。初準直采用非球面透鏡7，可使光能向光束中心集中，以利減小高倍擴束后的光斑直徑。調節過程中，光束準直度通過CCD拍攝遠近場光斑圖像進行調整和控制。
參見圖3，激光雷達接收器2由接收望遠鏡9、視場光闌10、準直光學透鏡11、復合濾光器12、會聚光學透鏡13、光電探測器14、門控擊穿驅動電路組成；接收望遠鏡9輸出端與視場光闌10輸入端相連，視場光闌10輸出端與準直光學透鏡11輸入端相連，準直光學透鏡11輸出端與復合濾光器12輸入端相連，復合濾光器12輸出端與會聚光學透鏡13輸入端相連，會聚光學透鏡13輸出進入光電探測器14，門控擊穿驅動電路輸出端與光電探測器14高壓輸入端相連。后向散射的激光雷達回波信號經圖3中接收望遠鏡9收光聚焦以后，采用視場光闌10將接收視場控制在合適的視場角范圍內，經過準直光學透鏡11將回波光信號整理成平行光后，經過復合濾光器12將雜散背景光過濾，只讓信號光通過。信號光經過會聚光學透鏡13，將光斑直徑縮小，以使光斑直徑小于光電探測器14的光敏面，使所有的回波光信號都能投射到光電探測器14的光敏面上，光電探測器14將回波光信號轉換成相應的電信號。同時，在調整時還需采用準直光源共軸入射的方法指導，使回波能準確入射光敏面。三維精密調節架15用于對光電探測器的空間位置進行精密調節。
為克服死時間的困難，對光電探測器14采用一種新的G-APD工作模式，即對其采用門控擊穿驅動電路方案，不但可降低猝滅的技術復雜性，還能大幅度提高探測動態范圍。上述門控擊穿驅動電路包括兩個可調穩壓器I2、I3和高速固態繼電器I4，兩個可調穩壓器I2、I3輸出端與高速固態繼電器I4輸入端相連，I/O接口卡4輸出端與高速固態繼電器I4輸入端相連，高速固態繼電器I4輸出端與光電探測器14的高壓輸入端相連(參見圖4)。其工作過程為對較強的近場回波，使探測器14工作于不擊穿的普通APD模式，對近場回波進行模數轉換探測；對較弱的遠場回波，通過門控技術使探測器14擊穿工作在G-APD模式，對遠場回波進行光子計數探測。圖4中AC-DC電源模塊I1提供APD探測器需要的直流高壓，C1為濾波電容。通過可調穩壓器I2提供普通APD模式工作所需要的偏置高壓，RRl和R1組成的分壓電路提供I2所需要的參考電壓，C2、C3和C4起到高頻旁路濾波作用。通過可調穩壓器I3提供G-APD模式工作所需要的偏置高壓，RR2和R2組成的分壓電路提供I3所需要的參考電壓，C5、C6和C7起到高頻旁路濾波作用。I/O接口卡4輸出控制高速固態繼電器I4，對光電探測器14的偏置電壓實施切換，以保證光電探測器14的門控擊穿驅動工作方式。選用大面積的G-APD，在復合濾光器12之后采用短焦距透鏡和探測器空間位置的可調整來實施光學對準。
為盡量降低濾光帶寬，采用干涉濾光片加F-P標準具的復合濾光方案，如圖5所示。復合濾光器12包括窄帶干涉濾光片17和F-P標準具18，激光雷達接收器2中準直光學透鏡輸出端與復合濾光器12中窄帶干涉濾光片17輸入端相連，窄帶干涉濾光片17輸出端與復合濾光器12中F-P標準具18輸入端相連，F-P標準具18輸出端與會聚光學透鏡13輸入端相連。經過準直的回波光經過窗片16透射到窄帶干涉濾光片17上，干涉濾光片帶寬為1nm，再經過F-P標準具18進一步精細濾光，F-P標準具18光譜范圍(FSR)為1nm，細度(F)為15。窄帶干涉濾光片17和F-P標準具18兩者口徑均為φ25mm。過濾后的低噪聲信號光通過會聚光學透鏡13投射到光電探測器14上。遮光罩19為窄帶干涉濾光片17和F-P標準18具提供恒溫和干燥環境。三維精密調節架15用于對光電探測器的空間位置進行精密調節。
如圖6所示，工業控制計算機23通過I/O接口卡4、GPIB接口卡24與信號處理電路相聯，所述信號處理電路由前置放大器20、A/D轉換器21和光子計數器22組成；光電探測器14輸出端與前置放大器20輸入端相連，前置放大器20輸出端與A/D轉換器21和光子計數器22輸入端相連，光子計數器22輸出端與GPIB接口卡24輸入端相連，I/O接口卡4輸出端與A/D轉換器21和光子計數器22觸發輸入端相連，I/O接口卡4、GPIB接口卡24和A/D轉換器21置于工業控制計算機23的PCI插槽中。
光電探測器的輸出信號經過圖6中前置放大器20(SRS公司，型號SR-445A)的電流—電壓轉換和電平放大后，進入A/D轉換器21(研華公司，型號PCI-1714)和光子計數器22(SRS公司，型號SR430)。相對較強的信號通過A/D轉換器21進行模數轉換；而微弱的信號則通過光子計數器22進行光子計數。A/D轉換器21是PCI接口卡，通過PCI接口將數據輸入工業控制計算機23進行數據處理和存貯；而光子計數的數據通過GPIB接口卡24(研華公司，型號PCI-1670)輸入工業控制計算機23進行數據處理和存貯，同時工業控制計算機23也通過I/O接口卡4(研華公司，型號PCI-1751)輸出同步脈沖信號，控制A/D轉換器21和光子計數器22的時序觸發。
權利要求
1.基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，包括半導體激光發射器、激光雷達接收器、與激光雷達接收器輸出連接的信號處理電路及計算機組成。
2.根據權利要求1所述的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，其特征在于所述半導體激光發射器由半導體激光器電源、光纖耦合半導體激光器、非球面透鏡和擴束器組成；半導體激光器電源輸出端與光纖耦合半導體激光器電功率輸入端相連，光纖耦合半導體激光器激光輸出端與非球面透鏡輸入端相連，非球面透鏡輸出端與擴束器輸入端相連。
3.根據權利要求1或2所述的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，其特征在于所述激光雷達接收器由接收望遠鏡、視場光闌、準直光學透鏡、復合濾光器、會聚光學透鏡、光電探測器、門控擊穿驅動電路組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與準直光學透鏡輸入端相連，準直光學透鏡輸出端與復合濾光器輸入端相連，復合濾光器輸出端與會聚光學透鏡輸入端相連，會聚光學透鏡輸出進入光電探測器，門控擊穿驅動電路輸出端與光電探測器高壓輸入端相連，。
4.根據權利要求3所述的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，其特征在于復合濾光器包括窄帶干涉濾光片和F-P標準具，激光雷達接收器中準直光學透鏡輸出端與復合濾光器中窄帶干涉濾光片輸入端相連，窄帶干涉濾光片輸出端與復合濾光器中F-P標準具輸入端相連，F-P標準具輸出端與會聚光學透鏡輸入端相連。
5.根據權利要求1或2所述的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，其特征在于所述計算機為工業控制計算機，工業控制計算機通過I/O接口卡、GPIB接口卡與信號處理電路相聯，所述信號處理電路由前置放大器、A/D轉換器和光子計數器組成；光電探測器輸出端與前置放大器輸入端相連，前置放大器輸出端與A/D轉換器和光子計數器輸入端相連，光子計數器輸出端與GPIB接口卡輸入端相連，I/O接口卡輸出端與半導體激光器電源控制輸入端、A/D轉換器和光子計數器觸發輸入端相連，I/O接口卡、GPIB接口卡和A/D轉換器置于工業控制計算機PCI插槽中。
6.根據權利要求5所述的基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，其特征在于門控擊穿驅動電路包括兩個可調穩壓器和高速固態繼電器，兩個可調穩壓器輸出端與高速固態繼電器輸入端相連，I/O接口卡輸出端與高速固態繼電器輸入端相連，高速固態繼電器輸出端與光電探測器的高壓輸入端相連。
全文摘要
本發明涉及一種基于半導體激光器的大氣探測激光雷達，包括半導體激光發射器、激光雷達接收器、與激光雷達接收器輸出連接的信號處理電路及計算機組成。本發明可安裝于地面基站、運載車輛、飛機和衛星上。其向大氣中發射脈沖激光束，當激光脈沖遇到大氣分子和大氣中的微小顆粒時，會與大氣分子本身和大氣中的微小顆粒發生相互作用，產生與激光光束同軸但方向相反的后向散射光信號，該系統的光學接收器接收到這些后向散射光信號，經過信號處理后，送入計算機進行分析和儲存，從而獲得大氣分子和大氣中的微小顆粒空間分布和時間演化信息，進行氣象、環保、交通安全、靶場保障、大氣科學研究以及許多軍事領域的應用。
文檔編號G01W1/00GK1831562SQ20061001879
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月17日 優先權日2006年4月17日
發明者龔威, 朱忠敏 申請人:武漢大學