[发明专利]基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法

说明书

本发明基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法，本发明的激光雷达，包括种子激光器输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器输入端依序连接；所述接收望远镜输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器输入端依序连接；能量检测通道输入端与分束器输出端连接，能量检测通道输出端接入采集卡输入端连接，波形发生器输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器。本发明激光雷达及方法突破飞行时间法的模糊距离，在缩小体积同时提高雷达系统稳定性，提高对于大粒径气溶胶分布的辨识能力，提高云层穿透能力，为研究大气科学提供探测设备。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法。

背景技术

环境污染日益严重，气象要素和污染物的探测变得越来越重要。得益于高时间和空间分辨率，激光雷达在对于风向风速以及污染物传输方面的探测大有裨益。相干探测激光雷达主要用于边界层内大气参数探测，直接探测激光雷达可以覆盖更远距离和更高高度的大气参数探测。法国上普罗旺斯天文台(OHP)首次使用双边缘FPI作为鉴频器实现了长达50公里的风力探测，在阿雷西博天文台开发了一种基于单FPI的瑞利激光雷达用于近60km高度的风测量。后来，扫描电压的FPI被分子碘过滤器取代。在挪威安第斯附近的阿洛玛研究站中，FPI和碘过滤器都被用于高空风测量，最近的实验证明了它能测量80公里以内的风和温度。中国科学技术大学在2014年也实现了60km高空风场探测。而在气溶胶探测上，目前相干探测手段尚没有成熟的解决方案，直接探测占据绝对主导。尤其是1.5μm波长激光雷达由于具有人眼安全、瑞利散射干扰小、天空背景辐射干扰小、大气衰减率小等优势，是各国正在积极发展的领域。美国的Mayor通过甲烷腔中的受激拉曼散射效应，研制成功了焦耳级别的大脉冲能量1.5μm激光器，并应用在激光雷达中对大气烟羽和风场进行了探测。也有美国国家大气研究中心采用拉曼频移的方法将YAG激光器输出的1064nm激光移至1.5μm进行气溶胶探测。中国科学技术大学对于1.5μm能见度激光雷达、气溶胶激光雷达也进行了许多相关研究。

激光在大气传输过程中，受大气衰减以及各种复杂天气状况影响，激光雷达接收的回波信号具有很低的信噪比和很大的随机性。当信噪比较低时，信号湮没在噪声中，导致测量误差增大，提高激光雷达的信噪比，尤其是远场弱信号的信噪比，对提高数据处理准确性至关重要。

目前采用的提高信噪比的方法有提高激光发射平均功率、增大望远镜口径、使用脉冲累积等。这些都可以在一定程度上提高信噪比，但目前的激光器发射脉冲功率受限，通过增加脉冲时域宽度提高发射平均功率会牺牲距离分辨率；望远镜口径增大会导致成本增加和稳定性降低；而基于飞行时间法的激光雷达采用的脉冲累积方法存在时间分辨率变差及混叠距离问题。

发明内容

基于现有技术的这些问题，本发明的目的是要突破混叠距离的限制，在不牺牲探测空间分辨率的情况下，提高脉冲发射平均功率，以提高系统的信噪比，由此，本发明提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达。

为了达成所述目的，本发明的第一方面，是提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其实现解决技术问题的技术方案包括：种子激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器、分束器、准直器、接收望远镜、滤波器、铟镓砷量子探测器、能量监测通道、采集卡、计算机以及波形发生器；其中：所述种子激光器的输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器的输入端依序连接；所述接收望远镜的输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器的输入端依序连接；能量检测通道的输入端与分束器的输出端连接，能量检测通道的输出端接入采集卡的输入端连接，波形发生器的输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器；