[发明专利]一种2μm相干测风激光雷达偏振态匹配与矫正系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种2μm相干测风激光雷达偏振态匹配与矫正系统，该系统可实时监测2μm相干测风激光雷达系统中本振参考激光信号与回波激光信号的偏振态匹配情况，适用于基于星载、机载及地基平台的相干测风激光雷达系统中。

背景技术

相干测风激光雷达以其近量子噪声极限的探测灵敏度、高信噪比、高精度晴空探测能力等特点，被广泛应用在微弱激光信号探测领域。测风激光雷达已被证明是目前研究中小尺度气象现象的最有效手段之一，对气象预报、军事国防、航空安全预警等诸多方面都有重要意义。

相干测风激光雷达以大气中气溶胶的米氏散射为基础，工作在中波红外或长波红外光波段上，微脉冲外差探测，能够直接从气象回波中提取多普勒频率信息。其中2μm相干多普勒测风激光测风雷达，采用全固态2μm激光器作为发射源，其波段处于大气窗口，人眼安全，保密性强，是国际上研究的热点。

相干测风激光雷达是基于外差探测技术的高精度主动测量手段，激光外差探测是公认的量子限探测技术。相关文献与实验数据表明，激光直接探测方式最小可探测功率一般在10-9W量级，而外差探测可实现近量子限探测(在10^-11W量级以上)。可见，外差探测灵敏度比直接探测高几个数量级，但是外差探测技术的难度也比直接探测高得多。

众所周知，激光外差探测系统存在一项它所特有附加损耗因子，称之为外差效率。因此，外差效率是评价外差探测系统性能的重要参数指标之一。外差效率主要受以下因素影响：发射光束和本振光束的波形形状、振幅分布、位相差、本振光光强和偏振态。其中，前4项影响因素只需要进行单次的矫正后即可容易满足，而偏振态匹配是影响激光外差探测系统中外差效率的重要因素，并直接决定了外差探测与直接探测在微小信号探测领域的优越性。目前现有的相干测风激光雷达系统均没有对偏振态进行实时监测、匹配与矫正的系统或设备，因此，急需设计一种用于进行偏振态监测与矫正的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供了一种2μm相干测风激光雷达偏振态匹配与矫正系统，该系统可以实时监测相干测风激光雷达系统中参考本振激光信号与激光回波信号各自的偏振态情况，当该两束光的偏振态失配时，双通道偏振态监测分析系统会自动矫正激光的偏振态直到匹配为止，从而大幅度改善系统的外差效率，提高系统探测灵敏度。

本发明的技术解决方案是：提供了一种2μm相干测风激光雷达偏振态匹配与矫正结构，包括：2μm激光器、第一单模保偏光纤、声光移频器、第一光纤分束器、第二单模保偏光纤、双通道偏振态分析仪、尾纤式格林自聚焦透镜、第一同轴电缆、λ/2波片、透镜、偏振分束棱镜、λ/4波片、离轴光学天线、驱动装置、偏振片、耦合透镜、第二光纤分束器、光纤合束器、光电二极管、第二同轴电缆、示波器、第三单模保偏光纤和第四单模保偏光纤；

声光移频器包括输入端口、1级衍射输出端口、0级衍射输出端口、频率调制端口和射频功率调制端口，双通道偏振态分析仪系统包括第一信号输入端口和第二信号输入端口；

2μm激光器发射激光信号，通过第一单模保偏光纤和声光移频器的输入端口后输入到声光移频器；将调制端口的电压调节至5.2V，将射频功率调制端口电压调制至1.0V，使声光移频器达到衍射效率最大值，从0级衍射端口和1级衍射端口输出两路激光信号；1级衍射端口输出的激光束经第二单模保偏光纤的传输，经由截距为0.23的尾纤式格林自聚焦透镜准直后，形成相干测风激光雷达脉冲信号；

相干测风激光雷达脉冲信号经由λ/2波片和透镜的光束整形后，变成直径为1～2mm，发散角为1mrad的激光束，整形后的激光束经偏振分束棱镜和λ/4波片后由线偏振信号变为右旋圆偏振信号，右旋圆偏振信号进入到离轴光学天线，离轴光学天线对激光束进行扩束和准直过程后将激光信号发射到自由空间；

发射到自由空间中的激光信号经大气溶胶反射，产生后向散射激光信号，后向散射激光信号为左旋圆偏振激光；左旋圆偏振后向散射激光信号被离轴光学天线接收并经过λ/4波片后，偏振态由左旋圆偏振变为线偏振激光，并且其偏振方向旋转了90度，被偏振分束棱镜反射；

经偏振分束棱镜反射后的激光束经过驱动装置中的偏振片后，经耦合透镜耦合，然后经过第二光纤分束器分成两路激光信号，其中一路激光信号经第三单模保偏光纤后从第一信号输入端口进入双通道偏振态分析仪；

由声光移频器的0级衍射输出端口输出的2μm激光经由第一光纤分束器后分成两路，其中一路激光经过双通道偏振分析仪的第二信号输入端口进入双通道偏振分析仪；