一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，包括多纵模激光器、半波片、偏振分光棱镜、声光调制模块、光谱鉴频干涉仪、汇聚透镜、光电探测器、峰值保持电路和比例—积分—微分伺服控制模块；多纵模激光器输出的多纵模脉冲激光经半波片和偏振分光棱镜后，分束得到的低功率光束；低功率光速被声光调制模块移频后入射到光谱鉴频干涉仪，出射的光经汇聚透镜后被光电探测器接收；光电探测器输出的电信号传输至峰值保持电路处理后，输出信号到比例‑积分‑微分伺服控制模块，输出调谐电压作用于光谱鉴频干涉仪以实现谐振频率锁定。利用本发明专利技术，可满足多纵模HSRL对光谱鉴频干涉仪频率稳定性的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统
本专利技术属于大气激光雷达
，尤其是涉及一种基于峰值保持电路的多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统。
技术介绍
高光谱分辨率激光雷达(HighSpectralResolutionLiar,HSRL)是目前最精确的大气气溶胶探测系统之一，其优势在于利用具备高的光谱分辨率的滤光器对大气后向散射信号中的大气气溶胶米散射信号与大气分子瑞利散射信号进行分离，进而令气溶胶的后向散射系数与消光系数等特性得到精确反演。在此背景下，考虑到目前HSRL所用的单纵模激光器对环境的适应性较差以及体积庞大的因素，对一种新的利用多纵模激光器的HSRL系统的研究正在进行。多纵模HSRL的原理与HSRL基本相同，即利用透过率曲线呈周期性分布的干涉仪鉴频器对每个纵模成分的大气后向散射信号进行光谱鉴频。以上实现的前提为保证各个激光纵模的频率与鉴频器特性曲线的相对位置稳定，因此需要对干涉仪进行锁频处理，令其鉴频曲线分布跟随纵模移动以将二者锁定。目前HSRL所采用的干涉仪鉴频器如视场展宽迈克尔逊干涉仪、法布里—珀罗干涉仪等的频率稳定性稍差，主要采用温度控制的方法使其保持频率稳定。虽然此方法可以实现频率的长期稳定，但响应速度较慢的温度调节方式注定了其短期稳定性不佳，且对温度精度要求极高，因此需要新的锁频方式参与进来从而令所有纵模的大气回波信号严格匹配于器件的鉴频曲线。而多纵模HSRL中的多纵模激光器结构简单，直接从谐振腔中输出脉冲形式激光，因此常规的连续激光锁频方式在此系统中不再适用。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，提升了多纵模高光谱分辨率激光雷达进行大气探测时的光谱鉴频质量，同时解决了多纵模激光器直接输出脉冲光这一特性所带来的控制难点。一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，包括多纵模激光器、半波片、偏振分光棱镜、声光调制模块、光谱鉴频干涉仪、汇聚透镜、光电探测器、峰值保持电路和比例—积分—微分伺服控制模块；所述多纵模激光器输出的多纵模脉冲激光，经过半波片调整偏振态后用偏振分光棱镜分束为高功率光束与低功率光束，高功率光束作为激光雷达探测信号，低功率光束用于光谱鉴频干涉仪的频率锁定；低功率光速被声光调制模块移频后入射到需要锁定的光谱鉴频干涉仪，从中出射的光经过汇聚透镜后被光电探测器接收；光电探测器输出的电信号传输至峰值保持电路处理后，输出峰值保持信号和采样触发信号到比例-积分-微分伺服控制模块，比例-积分-微分伺服控制模块输出调谐电压作用于光谱鉴频干涉仪以实现谐振频率锁定。优选地，所述的声光调制模块为二级调制结构，包括一级声光调制器和二级声光调制器；其中，一级声光调制器用于将多纵模激光器输出分束所得的低功率光束进行移频处理；所述的二级声光调制器用于将已经进行移频的脉冲光进行进一步移频。在激光器与模式匹配的前提下两级移频令一系列激光纵模普遍位光谱鉴频干涉仪鉴频曲线的动态范围内。进一步地，所述的峰值保持电路包括一级峰值保持电路和二级峰值保持电路，所述的一级峰值保持电路包括跨导放大器、鉴别二极管-保持电容电路与电压缓冲电路；所述的二级峰值保持电路包括电压放大电路、鉴别二极管-保持电容电路、电压比较器、单稳态触发电路、峰值保持开关电路与电压缓冲电路。由于系统中的激光脉宽为ns量级，且各脉冲之间间隔较长，因此采用了二级峰值保持结构。所述的一级峰值保持电路用于实现一个较短时间的峰值保持功能，将窄脉冲展宽为宽脉冲。所述的二级峰值保持电路用于对一级峰值保持电路所输出的宽脉冲进一步的长时间峰值保持，并在每个脉冲到来时产生固定时间的门限信号，令保持电容在设定时刻自动放电从而实现一个固定的峰值保持时长，此外，产生触发信号用于比例—积分—微分伺服控制模块的AD采集过程。一级峰值保持电路用于初步峰值保持，所采用的电容容值较小，内部电荷会在短时间内泄露光，输出的保持信号的特征为相对原脉冲下降时间变长、脉宽变宽的脉冲信号。二级峰值保持电路对变宽的脉冲进行真正意义上的峰值保持，在利用二极管通断与电容充电功能将脉冲峰值电压保留的同时，利用电压比较器与单稳态触发器产生一路固定时间的峰值保持门限信号，以实现在门限信号结束后控制开关电路释放保持电容中的电荷从而准备对下一个脉冲进行峰值保持。所述的比例—积分—微分伺服控制模块接收峰值保持信号和采样触发信号，在保持时间内对峰值保持电压进行采集并进行时域平均，通过比例—积分—微分运算后得到计算结果电压值，经外围电路进行电平转换以及放大后输出连续的调谐电压，作用于光谱鉴频干涉仪的压电陶瓷模块以实现对谐振频率的反馈控制。比例—积分—微分伺服模块在二级峰值保持电路中电压比较器所输出信号的上升沿的触发下对每个保持的电压值进行多次采集并取平均值以提升精度。由于脉冲光是经过干涉仪鉴频器后被探测，因此其峰值幅度对应各个纵模与干涉仪鉴频曲线的相对位置。当雷达探测信号的纵模全部位于干涉仪谐振点，则经过声光移频的锁频光的纵模会全部位于干涉曲线的边沿，因此模块所采集到的电压值与干涉仪相对激光器的频率偏移量相关。据此，对一系列脉冲的电压值进行比例-积分-微分运算，得到相应的用于控制的连续输出电压。将此电压通过外围放大电路进行电平移动与合适放大后就得到了使干涉仪频率跟随激光器的调谐电压，从而令各纵模与干涉仪各谐振点保持对齐以保证大气回波信号中的米散射信号被准确滤除。所述的光谱鉴频干涉仪设有压电陶瓷模块，所述压电陶瓷模块用于根据调谐电压对干涉仪频率进行控制，包括压电陶瓷驱动器以及压电陶瓷位移台；压电陶瓷驱动器用于将调谐电压进行功率放大，压电陶瓷位移台用于控制干涉仪鉴频器的干涉臂长。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的系统解决了传统激光锁频方法不适用于脉冲激光器光源这一条件的问题，在相应波段内可满足多纵模HSRL对光谱鉴频干涉仪频率稳定性的要求。2、本专利技术系统所涉及的设备简易，且成本低，对外部环境要求低，符合多纵模HSRL系统低成本化、集成化的特点。3、本专利技术的系统可应用于其他对干涉仪器件频率稳定性要求高的领域，如干涉检测领域。附图说明图1为本专利技术一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统的装置示意图；图2为本专利技术中峰值保持电路示意图；图3为本专利技术中比例—积分—微分伺服模块的信号处理流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，包括多纵模激光器1、半波片2、偏振分光棱镜3、声光调制模块4、光谱鉴频干涉仪5、汇聚透镜6、光电探测器7、峰值保持电路8、比例—积分—微分伺服控制模块9。多纵模激光器1输出的激光首先利用半波片2调整偏振，之后用偏振分光棱镜3分出一束光入射到声光调制模块4。锁频光被声光调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，其特征在于，包括多纵模激光器、半波片、偏振分光棱镜、声光调制模块、光谱鉴频干涉仪、汇聚透镜、光电探测器、峰值保持电路和比例—积分—微分伺服控制模块；/n所述多纵模激光器输出的多纵模脉冲激光，经过半波片调整偏振态后用偏振分光棱镜分束为高功率光束与低功率光束，高功率光束作为激光雷达探测信号，低功率光束用于光谱鉴频干涉仪的频率锁定；/n低功率光速被声光调制模块移频后入射到需要锁定的光谱鉴频干涉仪，从中出射的光经过汇聚透镜后被光电探测器接收；/n光电探测器输出的电信号传输至峰值保持电路处理后，输出峰值保持信号和采样触发信号到比例-积分-微分伺服控制模块，比例-积分-微分伺服控制模块输出调谐电压作用于光谱鉴频干涉仪以实现谐振频率锁定。/n

【技术特征摘要】
1.一种多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，其特征在于，包括多纵模激光器、半波片、偏振分光棱镜、声光调制模块、光谱鉴频干涉仪、汇聚透镜、光电探测器、峰值保持电路和比例—积分—微分伺服控制模块；
所述多纵模激光器输出的多纵模脉冲激光，经过半波片调整偏振态后用偏振分光棱镜分束为高功率光束与低功率光束，高功率光束作为激光雷达探测信号，低功率光束用于光谱鉴频干涉仪的频率锁定；
低功率光速被声光调制模块移频后入射到需要锁定的光谱鉴频干涉仪，从中出射的光经过汇聚透镜后被光电探测器接收；
光电探测器输出的电信号传输至峰值保持电路处理后，输出峰值保持信号和采样触发信号到比例-积分-微分伺服控制模块，比例-积分-微分伺服控制模块输出调谐电压作用于光谱鉴频干涉仪以实现谐振频率锁定。


2.根据权利要求1所述的多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，其特征在于，所述的声光调制模块为二级调制结构，包括一级声光调制器和二级声光调制器；其中，一级声光调制器用于将多纵模激光器输出分束所得的低功率光束进行移频处理；所述的二级声光调制器用于将已经进行移频的脉冲光进行进一步移频。


3.根据权利要求1所述的多纵模高光谱分辨率激光雷达干涉仪锁频系统，其特征在于，所述的峰值保持电路包括一级峰值保持电路和二级峰值保持电路，所述的一级峰值保持电路包括跨导放大器、鉴别二极管-保持电容电路与电压缓冲电路；所述的二级...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，陈非同，刘崇，王彬宇，王南朝，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33