[发明专利]探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成

权利要求书

1.一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，包括DFB半导体连续波激光on单元(1)，DFB半导体连续波激光off单元(2)，第一1×1开关(3)，第二1×1开关(4)，2×1选通开关(5)，光隔离器(6)，声光调制器及其驱动器(7)，掺铒光纤放大器(8)，二倍频器(9)，扩束器(10)，轴锥体(11)，中心过孔的45°平面反射镜(12)，会聚透镜(13)，光阑(14)，发射/接收望远镜(15)，输入/输出窗口(16)，带通滤光片(17)，F-P标准具(18)，窄带滤光片(19)，场透镜(20)，多模光纤(21)，硅单光子计数器模块(22)，多通道数据累积器(23)，脉冲发生器(24)，微处理器(25)，数字开关驱动器(26)，其特征在于：

以H¹³C¹⁴N氰化氢气体分子的光谱吸收线作为波长锁定的基准，所述的DFB半导体连续波激光on单元(1)当中的DFB半导体连续波光的波长和DFB半导体连续波激光off单元(2)当中的DFB半导体连续波激光的波长保持着长期稳定；

所述的DFB半导体连续波激光on单元(1)和DFB半导体连续波激光off单元(2)经过第一1×1开关(3)和第二1×1开关(4)、2×1选通开关(5)，分别被声光调制器及其驱动器(7)斩波成为重复频率10kHz量级、脉冲宽度1μs以内的脉冲激光，脉冲激光再经过掺铒光纤放大器(8)提高脉冲能量，能量提高之后的脉冲激光对，再由二倍频器(9)转换成764.6849/764.9031nm，或765.1662/765.3804nm的脉冲激光对，最终脉冲激光能量达15μJ量级；发射激光束经过扩束器(10)变成平行光束，一对轴锥体(11)横截面为圆形斑的平行光束变成横截面为圆环斑的平行光束，平行光束穿过中心过孔的45°平面反射镜(12)的中心过孔，而被会聚透镜(13)聚于发射/接收望远镜(15)的焦点处，此焦点处设置光阑(14)，从焦点处发射的激光束经过发射/接收望远镜(15)、也是终极扩束(准直)器后，从输入/输出窗口(16)输出；

后向散射回波光束透过输入/输出窗口(16)，被发射/接收望远镜望远镜(15)收集于焦点处，回波光束从焦点处发散，经过会聚透镜(13)还原成横截面为环形斑的平行光束，回波光束直径大于发射光束直径，回波光束被中心过孔的45°平面反射镜(12)的周边表面反射，被反射光束穿过一个带通滤光片(17)、一个F-P标准具(18)，一个窄带滤光片(19)，on/off光频率之差等于F-P标准具(18)的自由光谱范围的整数倍，透过来的on/off回波光束被场透镜(20)汇入多模光纤(21)，由硅单光子计数器模块(22)探测回波的强度；多个发射脉冲激发的不同高度的后向散射光由硅单光子计数器模块(22)检测的计数，被多通道数据累积器(23)按不同的通道累积起来，最终累积的数据传送给微处理器(25)；不同高度氧气吸收截面HITRAN数据库储存在微处理器(25)中，微处理器(25)处理来自多通道数据累积器(23)传来的数据，计算差分光学厚度，反演垂直路径两端的大气压力差；

所述的脉冲发生器(24)为声光调制器及其驱动器(7)的驱动器提供斩波脉冲，也为多通道数据累积器(23)提供触发脉冲；微处理器(25)接收来自多通道数据累积器(23)传来的数据，并且指令数字开关驱动器(26)，为第一1×1开关(3)和第二1×1(4)、2×1选通开关(5)提供必要高电平和低电平；

所述的DFB半导体连续波激光on单元(1)包括第一DFB激光二极管稳恒电流驱动器(1-1)、第一DFB激光二极管(1-2)、第一光纤耦合器(1-3)、第一波导相位调制器(1-4)、第一H¹³C¹⁴N氰化氢气体分子吸收池(1-5)、第一InGaAs光探测器(1-6)、第一跨阻放大器(1-7)、第一带通滤波器(1-8)、第一混频器(1-9)、第一射频移相器(1-10)、第一射频振荡器(1-11)、第一低通滤波器(1-12)、第一伺服单元(1-13)、第一热电温度控制器(1-14)，以及第二DFB激光二极管稳恒电流驱动器(1-15)、第二DFB激光二极管(1-16)、第二光纤耦合器(1-17)、第三光纤耦合器(1-18)、第一平衡探测器组件(1-19)、限制性放大器(1-20)、8或32倍分频器(1-21)、第一基准高频振荡器(1-22)、第一直接数字频率合成器(1-23)、第一相敏检波器(1-24)、第二伺服单元(1-25)、第二热电温度控制器(1-26)；

当第一DFB激光二极管(1-2)波长等于H¹³C¹⁴N氰化氢分子吸收线R22、R20中心波长时，第一低通滤波器(1-12)输出的误差信号为0.0；一旦当第一DFB激光二极管(1-2)波长偏离H¹³C¹⁴N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长时，第一低通滤波器(1-12)输出直流误差信号，第一伺服单元(1-13)根据此误差信号，调节第一DFB激光二极管(1-2)的注入电流，输出补偿信号给第一热电温度控制器(1-14)，改变第一DFB激光二极管(1-2)的工作温度，使其波长回归H¹³C¹⁴N氰化氢分子吸收线R22、或者R20中心波长；被锁定的第一DFB激光二极管(1-2)波长，成为第二DFB激光二极管(1-16)的偏频锁定的基准波长；

第一光纤耦合器(1-3)和第三光纤耦合器(1-18)分别从第二DFB激光二极管(1-16)和第一DFB激光二极管(1-2)各取样一小部分激光由第一平衡探测器(1-19)外差检测出这两个激光的频差射频信号，此差频射频信号被8或32倍分频器(1-21)作8、或32倍分频，分频后的射频信号与第一直接数字频率合成器(1-23)合成的基准射频信号在第一相敏检波器(1-24)处相遇，第一相敏检波器(1-24)输出分频后的射频信号与直接数字合成射频信号的相位差，第二伺服单元(1-25)据此相位差，调节第二DFB激光二极管(1-16)的注入电流，改变第二热电温度控制器(1-26)工作温度，使得第二DFB激光二极管(1-16)和第一DFB激光二极管(1-2)连续波激光之间，光频差稳定在872.18MHz、或者3.331GHz，也即它们之间的波长差稳定在6.8pm、或者26pm；

所述的DFB半导体连续波激光off单元(2)包括第三DFB激光二极管稳恒电流驱动器(2-1)、第三DFB激光二极管(2-2)、第四耦合器(2-3)、第二波导相位调制器(2-4)、第二H¹³C¹⁴N氰化氢气体分子吸收池(2-5)、第二InGaAs光探测器(2-6)、第二跨阻放大器(2-7)、第二带通滤波器(2-8)、第二混频器(2-9)、第二射频移相器(2-10)、第二射频振荡器(2-11)、第二低通滤波器(2-12)、第三伺服单元(2-13)、第三热电温度控制器(2-14)，以及第四DFB激光二极管稳恒电流驱动器(2-15)、第四DFB激光二极管(2-16)、第五耦合器(2-17)、第六耦合器(2-18)、第二平衡探测器组件(2-19)、第二限制性放大器(2-20)、第二分频器(2-21)、第二基准高频振荡器(2-22)、第二直接数字频率合成器(2-23)、第二相敏检波器(2-24)、第四伺服单元(2-25)、第四热电温度控制器(2-26)；

第三DFB激光二极管(2-2)连续波激光受到第二波导相位调制器(2-4)的调制，当第三DFB激光二极管(2-2)波长等于氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长时，第二低通滤波器(2-12)输出的误差信号为0.0；一旦当第三DFB激光二极管(2-2)波长偏离氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长时，第二低通滤波器(2-12)输出直流信号作为误差信号，第三伺服单元(2-13)根据此误差信号，调节第三DFB激光二极管(2-2)注入电流，通过第三热电温度控制器(2-14)去调整第三DFB激光二极管(2-2)的工作温度，使其波长回归氰化氢分子吸收线R21、或者R19中心波长；第三DFB激光二极管(2-2)被锁定的波长，成为第四DFB激光二极管(2-16)偏频锁定的波长基准；

第四耦合器(2-3)和第六耦合器(2-18)分别从第三DFB激光二极管(2-2)和第四DFB激光二极管(2-16)各取样一小部分激光，由第二平衡探测器组件(2-19)外差检测出这两个激光的频差信号，差频信号被第二分频器(2-21)作32倍分频，分频以后的射频信号与第二直接数字频率合成器(2-23)合成的射频在第二相敏检波器(2-24)处相遇，第二相敏检波器(2-24)输出两个射频信号之间的相位差，第四伺服单元(2-25)基于相位差生成修正信号，调节第四DFB激光二极管(2-16)的注入电流，改变第四热电温度控制器(2-26)工作温度，使得第四DFB激光二极管(2-16)和第三DFB激光二极管(2-2)连续波激光之间，光频之差稳定在3.897GHz、或者3.213GHz，也即波长之差稳定在30.04pm、或者25pm。