[发明专利]一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，属于脉冲激光雷达的技术领域。

背景技术

目前，用于探测气溶胶激光雷达系统包括激光发射单元(脉冲激光器、激光扩束和准直)、激光接收单元(望远镜、干涉滤波片)、信号探测单元和数据采集与处理单元组成。激光发射单元发射脉冲信号到大气中，通过望远镜接收散射信号，经探测单元探测，经数据采集与处理单元处理后，实现大气气溶胶消光比等参数。

目前，一般激光雷达采用的激光波长532nm或者1064nm测量气溶胶，一般激光雷达能量比较大(0.1-1J)，探测距离远，但对人眼安全造成一定的伤害。因此，逐渐发展为一种微脉冲激光雷达，这种激光雷达采用低脉冲(1-50uJ)、高重复频率的激光光源，通过降低能量实现了对人眼安全的，发展人眼安全的激光雷达受到探测器件影响。但是这种微脉冲激光雷达存在如下缺陷：

1、探测距离比较近，脉冲能量在uJ级别，远不如初期发展的激光雷达，能量大的激光雷达对人群不安全；

2、从激光波长来说，人眼虹膜容易吸收1064nm激光，无论能量多小，对人眼安全是也是有害的；

3、对于气溶胶浓度分布比较浓的地方，532nm的穿透能力比较弱，测量距离比较近，而1064nm的激光能量对人眼不安全。

4、目前的激光雷达最长波段是1064nm，对于探测大颗粒的人眼安全的1.5um波段的激光雷达尚未发现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，该激光雷达系统突破了现有技术壁垒，采用人眼安全波长激光器和相应的In-Ga-As APD单元的单光子计数计数，实现人眼安全、测量距离远、系统结构简单的脉冲激光雷达，该系统主要用于探测云层高度及气溶胶密度等大气参数。

技术术语：

OPO激光器：是一种光学参量振荡器,是利用非线性晶体的混频特性实现频率变换的器件,其中有一个或两个光波具有振荡特性,具有可调谐,系统紧凑的特点。

本发明的技术方案如下：

一种人眼安全波长的共轴气溶胶激光雷达系统，包括激光部、反射激光采集部和数据采集单元；

所述的激光部包括激光器和扩束器，所述激光器发出的激光通过扩束器和一对平行设置的反射镜实现平移，使所述平移后激光的出射方向与所述反射激光采集部同轴设置；所述的激光器的参数为1)波长范围：1.4-1.8μm；2)单脉冲能量:>10uJ；3)脉冲重复频率：1-50kHz；所述的激光器为OPO激光器或拉曼激光器；所述扩束器实现对激光的扩束和准直,使输出激光具有较小发散角；所述OPO激光器是通过OPO光参量振荡输出人眼安全激光，拉曼激光器是采用拉曼效应产生的人眼安全波段激光，人眼安全激光的波段定义是在1.5-1.8μm，此处的激光摄入到人眼时可以被人眼的角膜吸收，不会摄入到视网膜上，这样避免了视网膜的损害；

所述反射激光采集部包括沿反射激光反射方向依次设置的望远镜、窄带干涉滤波片和透镜；其中所述望远镜的尺寸孔径根据所需要探测的距离来进行决定属于现有技术内容；

所述数据采集单元包括InGaAs APD单光子计数系统，所述透镜通过光纤与所述InGaAs APD单光子计数系统相连；所述InGaAs APD单光子计数系统的参数如下：光子计数率：24MHz；暗计数率300Hz；门控速度1GHz。该系统采用上述参数后其探测效率大于16％；本发明采用的技术指标较以往单光子探测系统有很大程度提高。

所述数据采集单元还包括数据采集卡和计算机；所述数据采集卡采集InGaAs APD单光子计数系统中采集到的激光数据并将其传输至计算机；

InGaAs APD单光子计数系统和数据采集单元的触发信号直接来源于所述激光器的触发信号；

所述数据采集卡为实现单光子计数功能的单光子计数卡。

根据本发明优选的，所述数据采集卡采用MSP-800系列的单光子计数卡，计数卡的参数指标如下，通道方式：双通道；测量速度：800MHz；门脉冲宽度：1ns；插槽形式：PC插槽。数据采集后经现有的Fernand方法处理得到气溶胶的消光系数，处理方法如下：根据获得的激光能量信号先进行距离矫正，并利用通过美国大气标准分子获得的大气分子消光系数进行Fernand算法进行求解，获得大气消光系数。

根据本发明优选的，所述InGaAs APD单光子计数系统,系统采用1.25GHz的正弦门控实现InGaAs APD探测器处于盖革模式。此处设计用于实现后向散射探测信号的弱光信号的采集。