[发明专利]具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统

说明书

本发明涉及一种脉冲激光雷达系统，特别涉及一种用于大气探测的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其主要用于探测云层高度及气溶胶密度等大气参数。

用于大气气溶胶密度及云层高度测量的激光雷达系统，一般由脉冲激光光源、激光发射及接收单元、信号探测单元、数据采集及处理单元组成，激光束经发射光学单元射向大气目标，接收单元收集来自云层、气溶胶等大气目标的后向散射光，经高速数据采集及处理单元处理后就可以对大气目标的高度及密度分布进行定量监测。

目前常用的激光雷达系统一般以大脉冲能量(0.1-1.0焦耳)、低重复频率(数十赫兹)的脉冲激光器作为光源，对测量现场附近的人群及飞机等有严重的安全问题，很难满足对大气目标长时间自动监测的要求。随着相关配套单元技术的进展，采用低脉冲能量(1-50微焦耳)、高重复频率(1-20千赫兹)的脉冲激光光源，扩束至人眼安全的强度后再射向大气目标的微脉冲激光雷达系统，已日益获得研究人员的关注.

如图2所示，为已有技术的非共轴微脉冲激光雷达系统示意图，其公开在IEEE“地球科学和遥感”论文集(Transactions on Geoscience andRemote Sensing.)  31(1)，48-55(1993)，论文题目为“微脉冲激光雷达”(Micro Pulse Lidar)，作者Jamcs D.Spinhirne。该系统的发射光学组件与接收光学组件采用独立并行放置的非共轴设计，从激光二极管激励(泵浦)的钕-四氟化钇锂(Nd；YLF)激光器输出的二倍频(523nm)激光束经扩束、准直后射向大气目标，来自目标的后向散射信号经卡塞格伦(Cassegrain)望远镜收集后，通过窄带干涉滤光片去掉背景杂散光，所得的信号光聚焦后由雪崩光电二极管采集送入电脑处理，可以获得大气中云层及气溶胶的空间分布数据。

但这种非共轴系统的限制在于：

1.需要独立的发射光学组件，增加了整个测量系统的体积及重量，影响系统的机动性及可移动性测量性能：

2.更为严重的是这种非共轴设计不可避免的带来接收与发射光学组件视场角的不匹配，其空间耦合面积随视场角及空间探测距离而改变，这大大增加了数据处理的复杂性及还原真实大气参数的难度。

如图3所示，为另一已有技术的共轴微脉冲激光雷达系统示意图，其公开在国际光学工程学会“激光雷达大气监测”论文集(Proc.SPIE onLidar Atmosphereic Monitoring.)第3104卷.39-42(1997)，论文题目为“用于探测气溶胶和云层的微脉冲激光雷达”作者是L.H.Hwang.Sandor Lokos.and Jin Kim.。该系统采用共轴设计，由一个施密特-卡塞格伦(Schmidt-Cassegrain)望远镜同时作为光信号发射器及接收器，激光二极管激励(泵浦)的钕-四氟化钇锂(Nd；YLF)激光器经KTP晶体倍频后耦合进入望远镜，通过凸面第二反射镜反射后经凹面主反射镜射向大气目标，返回的信号光被同一个望远镜收集，经滤波、聚焦后由雪崩光电二极管将探测信号输入计算机，由计算机对多通道信号采集卡采集的数字信号进行处理、分析，获得大气参数。

这种系统的限制在于：

1.能量效率低：激光器发射的高斯光束中心强度大，边缘强度小，激光束在进入望远镜第二反射镜时其中心部分由于孔径遮挡不能有效射出望远镜，这样损失的能量大约在30％-40％左右；

2.对探测器的损伤，被第二反射镜阻挡的激光沿原路返回，近轴光线射入探测器后将产生很强的背景信号，对高灵敏度的雪崩光电管的长期照射将造成探测器的永久疲劳与损伤，同时由于背景信号远远强于来自大气目标的后向散射信号，这也增加了背景压缩与信号处理的难度。

本发明的目的在于提供一种具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其是为了改善已有系统的技术限制，采用共轴设计改善非共轴系统数据处理及系统结构的复杂度，采用微光学波面整形器件来改善已有共轴系统的能量耦合效率，从而实现一种对人眼安全、能量效率高，系统结构轻便的微脉冲激光雷达系统。

为实现本发明的目的，我们提出一种基于微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其主要包括：

一固体激光器，其由激光二极管激励，并输出一倍频激光束；

一光信号扩束器，其将所述激光器输出的倍频光信号进行扩束和准直，并输出高斯光强分布的平行光信号；

一微光学波面整形器，将光信号扩束器输出的高斯光束变换成平顶中空环形光束；