一种全高程大气风温密探测激光雷达

摘要

本实用新型公开了一种全高程大气风温密探测激光雷达。该激光雷达由激光发射单元（1）、光学接收单元（2）、信号检测单元（3）三单元组成。通过采用二次倍频余光复用、双光纤焦面分光、三方向激光束切换、三方向光纤切换、时序控制、数据反演融合技术有机结合，形成全高程大气风温密探测激光雷达。其优点是：能实现从近地面到110km高度范围的大气风场、温度、密度多参量同时探测。本实用新型具有技术方案科学、系统集成度高、自动化程度好、工作可靠和使用方便等优点，为中高层大气研究和中高层大气环境监测提供一种高性能探测手段。

主权项

一种全高程大气风温密探测激光雷达，其特征在于，该激光雷达由激光发射单元(1)、光学接收单元(2)、信号检测单元(3)组成；  激光发射单元(1)由连续光激光器(101)、声光调制器(102)、脉冲染料放大器(103)、第一直角棱镜(104)、第一三方向激光束切换器(105)、二倍频器(106)、双色强光分束器(107)、光吸收器(108)、Nd:YAG激光器(111)、第二直角棱镜(112)和第二三方向激光束切换器(113)组成；连续光激光器(101)、声光调制器(102)和脉冲染料放大器(103)依次同轴放置，第一直角棱镜(104)的一个直角面与该轴垂直，另一个直角面对准第一三方向激光束切换器(105)的进光口；Nd:YAG激光器(111)输出532 nm激光的出光口对准第二直角棱镜(112)的一个直角面，第二直角棱镜(112)的另一个直角面对准第二三方向激光束切换器(113)的进光口；Nd:YAG激光器(111)输出1064 nm激光的出光口、二倍频器(106)和光吸收器(108)依次同轴放置，在二倍频器(106)和光吸收器(108)之间放置与该轴向成45度角的双色强光分束器(107)，双色强光分束器(107)的反射方向对准脉冲染料放大器(103)的泵浦光进光口；第一三方向激光束切换器(105)和第二三方向激光束切换器(113)的结构相同，三方向激光束切换器由电动平移台控制器(401)、外箱体(402)、内箱体(403)、平移导轨(404)、驱动装置(405)、五个直角棱镜(411)、(412)、(421)、(431)、(432)、三个限位器(414)、(423)、(434)和三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)组成；外箱体(402)的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为进光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置左限位器(414)、右限位器(434)及中限位器(423)，外箱体(402)的底面嵌有左右方向运动的平移导轨(404)；内箱体(403)底部安置驱动装置(405)，驱动装置(405)放置在平移导轨(404)上；内箱体(403)由左右面板、后面板和底面板组成，左右面板和后面板的中心处均设有圆孔，内箱体(403)左右面板与外箱体(402)左右面板的圆孔圆心同轴，内箱体(403)左右面板的圆孔处分别安置第三直角棱镜(411)及第六直角棱镜(431)，这两个直角棱镜相距60 mm~100 mm；三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)分别安置在外箱体(402)左右面板及后面板圆孔处的外面，三个双轴倾斜台(413)、(422)、(433)上各安置一个直角棱镜(412)、(421)、(432)；当驱动装置(405)沿平移导轨(404)向左移动时，内箱体(403)接触到左限位器(414)停止，这时，第六直角棱镜(431)的中心对准外箱体(402)前面板圆孔的中心，从进光口垂直入射的激光束经第六直角棱镜(431)反射，反射光正好从内箱体(403)右面板圆孔及外箱体(402)右面板圆孔垂直穿出，再经第七直角棱镜(432)发射；当驱动装置(405)沿平移导轨(404)向右移动时，内箱体(403)接触到中限位器(423)停止，这时，外箱体(402)前后面板圆孔与内箱体(403)后面板圆孔的中心在一直线上，从进光口垂直入射的激光束经内箱体(403)后面板圆孔及外箱体(402)后面板圆孔垂直穿出，再经第五直角棱镜(421)发射；当驱动装置(405)沿平移导轨(404)继续向右移动时，内箱体(403)接触到右限位器(434)而停止，这时，第三直角棱镜(411)的中心对准外箱体(402)前面板圆孔的中心，进光口垂直入射的激光束经第三直角棱镜(411)反射，反射光正好从内箱体(403)左面板圆孔及外箱体(402)左面板圆孔垂直穿出，再经第四直角棱镜(412)发射；然后驱动装置(405)回到最左边初始位置，开始下一轮的分时切换工作；第一三方向激光束切换器(105)中第四直角棱镜(412)反射的589 nm激光束与第一望远镜(210)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第四直角棱镜(412)反射的532 nm激光束偏离第一望远镜(210)接收视场的光轴方向1.5~15毫弧度；第一三方向激光束切换器(105)中第五直角棱镜(421)反射的589 nm激光束与第二望远镜(220)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第五直角棱镜(421)反射的532 nm激光束偏离第二望远镜(220)接收视场的光轴方向1.5~15毫弧度；第一三方向激光束切换器(105)中第七直角棱镜(432)反射的589 nm激光束与第三望远镜(230)接收视场的光轴平行，第二三方向激光束切换器(113)中第七直角棱镜(432)反射的532 nm激光束偏离第三望远镜(230)接收视场的光轴方向1.5~15毫弧度； 光学接收单元(2)由三台望远镜(210)、(220)、(230)，六根光纤(211)、(212)、(221)、(222)、(231)、(232)和两台三方向光纤切换器(241)、(242)组成；第二望远镜(220)的接收视场光轴为竖直方向；第一望远镜(210)接收视场的光轴和第三望远镜(230)接收视场的光轴在水平面上的投影正交且与第二望远镜(220)光轴具有相同的夹角θ, 15°<θ<45°；第一589 nm光纤(211)和第一532 nm光纤(212)的进光端并排相距3~30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第一望远镜(210)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第一望远镜(210)接收视场的光轴平行；第二589 nm光纤(221)和第二532 nm光纤(222)的进光端并排相距3~30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第二望远镜(220)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第二望远镜(220)接收视场的光轴平行；第三589 nm光纤(231)和第三532 nm光纤(232)的进光端并排相距3~30毫米放置，两根光纤的进光端端面均位于第三望远镜(230)的焦平面处，两根光纤的进光端光轴均与第三望远镜(230)接收视场的光轴平行； 第一三方向光纤切换器(241)和第二三方向光纤切换器(242)的结构相同，三方向光纤切换器由第二电动平移台控制器(501)、第二外箱体(502)、第二内箱体(503)、第二平移导轨(504)、第二驱动装置(505)、两个直角棱镜(511)、(531)、三个限位器(513)、(522)、(533)和三个准直镜(512)、(521)、(532)组成；第二外箱体(502)的前后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，前面板的圆孔为出光口，左右面板内侧及后面板内侧分别安置第二左限位器(513)、第二中限位器(522)及第二右限位器(533)，第二外箱体(502)的底面嵌有左右方向的第二平移导轨(504)；第二内箱体(503)底部安置第二驱动装置(505)，第二驱动装置(505)放置在第二平移导轨(504)上；第二内箱体(503)由左右面板、后面板和底面板组成，第二内箱体(503)后面板及左右面板的中心处均设有圆孔，第二外箱体(502)左右面板与第二内箱体(503)左右面板的圆孔圆心同轴，第二内箱体(503)左右面板的圆孔处分别安置第八直角棱镜(511)及第九直角棱镜(531)，两个直角棱镜(511)、(531)相距60 mm~100 mm分别固定在第二内箱体(503)的底板上；第二外箱体(502)左面板、后面板和右面板圆孔处分别安置一个准直镜，第一准直镜(512)和第三准直镜(532)的光轴与第二外箱体(502)左右面板的圆孔圆心同轴，第二准直镜(521)的光轴与第二外箱体(502)前后面板的圆孔圆心同轴；第一589 nm光纤(211)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第一准直镜(512)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第一准直镜(512)的光轴同轴；第二589 nm光纤(221)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第二准直镜(521)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第二准直镜(521)的光轴同轴；第三589 nm光纤(231)的出光端端面位于第一三方向光纤切换器(241)的第三准直镜(532)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第一三方向光纤切换器(241)的第三准直镜(532)的光轴同轴；第一532 nm光纤(212)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第一准直镜(512)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第一准直镜(512)的光轴同轴；第二532 nm光纤(222)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第二准直镜(521)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第二准直镜(521)的光轴同轴；第三532 nm光纤(232)的出光端端面位于第二三方向光纤切换器(242)的第三准直镜(532)焦平面处，该光纤的出光端光轴与第二三方向光纤切换器(242)的第三准直镜(532)的光轴同轴；当第二驱动装置(505)沿第二平移导轨(504)向左移动时，第二内箱体(503)接触到第二左限位器(513)停止，这时，第九直角棱镜(531)的中心对准第二外箱体(502)前面板圆孔的中心，光束经第三准直镜(532)进入三方向光纤切换器，经第九直角棱镜(531)反射，反射光正好从第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出；当第二驱动装置(505)沿第二平移导轨(504)向右移动时，第二内箱体(503)接触到第二中限位器(522)停止，这时，第二外箱体(502)前后面板圆孔与第二内箱体(503)后面板圆孔的中心在一直线上，光束经第二准直镜(521)进入三方向光纤切换器，直接通过第二内箱体(503)后面板圆孔及第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出；当第二驱动装置(505)继续沿第二平移导轨(504)向右移动时，第二内箱体(503)接触到第二右限位器(533)而停止，这时，第八直角棱镜(511)的中心对准第二外箱体(502)前面板圆孔的中心，光束经第一准直镜(512)进入三方向光纤切换器，经第八直角棱镜(511)反射，反射光正好从第二外箱体(502)前面板的出光口垂直穿出；检测控制单元(3)由原子滤光器(301)、第一光电探测器(302)、第一采集卡(303)、多普勒鉴频器(311)、第二光电探测器(312)、第二采集卡(313)、计算机(304)和时序控制器(305)组成；原子滤光器(301)的光轴与光学接收单元(2)的第一三方向光纤切换器(241)的第二外箱体(502)前后面板圆孔中心同轴，第一光电探测器(302)的感光面对准原子滤光器(301)的出光口，第一光电探测器(302)的输出端与第一采集卡(303)输入端连接，第一采集卡(303)信号输出端与计算机(304)连接；多普勒鉴频器(311)的光轴与光学接收单元(2)的第二三方向光纤切换器(242)的第二外箱体(502)前后面板圆孔中心同轴，第二光电探测器(312)的感光面对准多普勒鉴频器(311)的出光口，第二光电探测器(312)的输出端与第二采集卡(313)输入端连接，第二采集卡(313)信号输出端与计算机(304)连接；计算机(304)与时序控制器(305)输入端连接；时序控制器(305)输出端分别连接到激光发射单元(1)的Nd:YAG激光器(111)的控制信号输入端、声光调制器(102)的控制信号输入端、第一三方向激光束切换器(105)的电动平移台控制器(401)、第二三方向激光束切换器(113)的电动平移台控制器(401)、光学接收单元(2)的第一三方向光纤切换器(241)的第二电动平移台控制器(501)及第二三方向光纤切换器(242)的第二电动平移台控制器(501)。