一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统

摘要

本发明公开了一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，该系统包括：发射系统、前置光学系统、鉴频系统、控制系统，发射系统主要是一个Nd：YAG激光器，前置光学系统主要包括一个窄带滤光片、一个积分球、多模光纤、一个光纤分束器和一个准直透镜，鉴频系统主要包括一个Fabry-Perot标准具、会聚透镜、多模光纤和两个探测器。控制系统由控制计算机、高速数据采集卡以及标准具控制器组成。在锁定的过程中，在鉴频器的前置光学里引入积分球，一方面可以将激光脉冲在时域上展宽，另一方面保证了耦合到多模光纤里的光斑均匀性。二者确保了激光脉冲在鉴频器上透过率测量的精确性，进而提高了多普勒激光雷达的频率锁定精度。

主权项

一种高精度多普勒激光雷达频率锁定系统，其特征在于，该系统包括：发射系统、前置光学系统、鉴频系统和控制系统；发射系统主要是一个Nd：YAG激光器(1)；前置光学系统主要包括一个窄带滤光片(2)、一个积分球(3)、第一多模光纤(4)、一个光纤分束器(5)和一个准直透镜(6)；鉴频系统主要包括一个Fabry‑Perot标准具(7)、会聚透镜(8)、第二多模光纤(4)和两个探测器(9)；控制系统由控制计算机、高速数据采集卡(10)以及标准具控制器(11)组成；由Nd：YAG激光器(1)产生的光束经窄带滤光片(2)滤掉背景光后进入积分球(3)，在积分球(3)内多次漫反射后形成均匀光，进入第一多模光纤(4)，第一多模光纤(4)内的光被光纤分束器(5)分成两束，其中一束经准直透镜(6)变成平行光入射到标准具(7)表面，透过标准具(7)的光经另一会聚透镜(8)会聚至第一探测器(9)进行光强检测；另一束则直接经第二多模光纤(4)导入第二探测器(9)进行光强检测，在此过程中，标准具控制器(11)控制标准具(7)调整其腔长，而高速采集卡(10)则不断采集两个探测器(9)探测到的信号，并将其送至控制计算机进行透过率计算，透过率计算采用面积积分的方式，即将用高速数据采集卡采集到的脉冲波形进行面积积分，取通过Fabry‑Perot标准具(7)的脉冲波形面积积分和直接进入探测器(9)进行光强检测的脉冲波形面积积分之比，作为信号通过标准具的透过率，根据标准具透过率和频率的关系式$H\left(\nu \right)=\frac{1}{{\mathrm{\pi \theta }}_0^2}\underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}d\phi \underset{0}{\overset{{\theta }_0}{\int }}{T}_{pe}{[1+\frac{4{F_e}^2}{{\pi }^2}{\sin }^2(\pi \nu cos\theta /{\nu }_{FSR})]}^{-1}·sin\theta d\theta$反演得到频率，式中，为有效精细度，R_e为有效反射率，T_pe为峰值透过率，θ₀为入射光的发散角，ν_FSR为标准具透过率函数的自由谱间隔，然后根据标准具腔长和频率的关系调整标准具控制器重新定位标准具的位置，其中v是要锁定的发射频率，Δv是激光频率相对于锁定频率的偏移量，l是标准具的腔长，Δl是锁定过程中标准具腔长的变化量，进行下一次的锁定过程，至此，整个高精度多普勒激光雷达频率锁定系统建立；所述的窄带滤光片(2)为半带宽为0.15nm的窄带滤光片，所述的积分球(3)为直径为25cm的积分球，光纤分束器(5)为分束比为20/80的光纤分束器；该锁定系统中光经积分球，由多模光纤导入准直透镜变成平行光后入射到标准具表面进行透过率测量的方法有两个显著的优点：一是可以保证耦合到多模光纤里的光斑均匀性；二是积分球可以在不改变激光脉冲频域特性的前提下对其时域进行展宽，从而使得在一定的采集卡采样率下可以采到更多的数据点，保证了原始信号的真实性，进而保证了标准具透过率测量的准确性；在进行锁定实验时，激光器发出的激光脉冲首先通过窄带滤光片滤掉背景光，然后进入积分球，经积分球多次均匀漫反射后，变成均匀光由多模光纤导出并分成两束，其中一束由一个准直透镜变成平行光，垂直入射到标准具表面，透过标准具后经另一个会聚透镜耦合到多模光纤，由多模光纤将其导入探测器进行强度检测，另一束则直接经多模光纤导入探测器进行强度测量，通过比较两个探测器测得的信号强度可以精确测量激光脉冲在标准具上的透过率；然后根据标准具透过率曲线与激光频率的关系可以确定发射激光频率。