大气探测激光雷达激光状态参数监测与频率控制技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunhoe
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激光系统是大气探测激光雷达的核心组成单元,大气探测激光雷达探测功能和探测性能的不断发展高度依赖于激光系统的性能,致使其组成越来越复杂,对其指标精度、工作稳定性和智能化程度的要求也越来越高。特别是对复杂的激光雷达系统智能化自动运行,是促进大气探测激光雷达应用推广的关键。本文的主要研究工作和创新点是:(1)提出了一种简洁实用的多通道激光能量同时监测方法,并实验实现了多通道、多波长脉冲和连续激光能量的同时监测;(2)在此基础上,提出一种基于原子鉴频脉冲激光能量监测的智能稳频技术方案,并开展了实验研究,研究结果有效提升了激光系统工作稳定性和指标精度,为激光雷达在复杂外场环境下运行,提供了重要保障。具体研究工作如下:为提高激光雷达的探测性能、实现多参数同时探测等目的,通常会采用倍频、稳频、调Q、脉冲放大等技术,这些技术的使用使得激光传输环节多,任意一处激光参数的变化都会对激光雷达的探测结果产生影响。因此,在激光雷达运行中,需要对多个环节同时进行监测,监测数据可以为激光雷达数据反演、激光雷达运行状态实时诊断等提供重要信息。然而,大气探测激光雷达采用脉冲激光作为发射激光,脉冲时间约为10ns,重复频率低。这使得对大气探测激光雷达激光状态参数的监测变得非常困难。本文基于大气探测激光雷达,开展了脉冲激光能量变化监测技术的研究,并提出了多通道脉冲激光能量变化监测方法,研制出了用于激光雷达脉冲激光能量变化监测的多通道脉冲激光能量变化监测装置,将该装置应用于全高程全天时大气探测激光雷达,实现了对全高程全天时激光雷达出射激光多个参数的同时监测。在此基础上,利用多通道脉冲激光能量变化监测中的一个通道,搭建了基于原子鉴频器的脉冲染料激光频率检测与控制装置,实现了对脉冲染料激光器的频率控制。从而初步形成了脉冲激光的监测体系。最后对多通道单冲激光能量变化监测装置的推广应用进行了展望。(1)进行了脉冲光信号监测技术的调研分析,介绍了各种脉冲光信号探测器及其采集电路。分析了使用点探测器对激光单个脉冲光进行测量时,随机误差大;采用面阵探测进行监测时,利用面探测器上的多个点探测器可以有效减小测量误差。对光电二极管、光电池、热释电探测器、光电倍增管固态光电倍增管以及CCD和CMOS的工作原理和对单脉冲光信号数据采集电路进行了介绍。提出进行单脉冲光信号测量时采用CMOS做探测,可使得单脉激光测量信噪比高,测量误差小。(2)为实现大气探测激光雷达激光发射单元多参数同时监测,本文提出了多通道脉冲激光能量变化监测方法,并研制了用于激光雷达系统的多通道脉冲激光能量变化监测装置。该装置采用定制的多合一光纤束对待测激光进行分布式采样,多合一光纤束出射端不进行熔接而是并排放置在一起,形成光纤束的出射端面,使得从空间上可以区分,各根光纤采样光通过消色差透镜成像在CMOS感光面上,根据光斑的位置,对CMOS感光面上的光敏单元分块,每块对应一个监测通道。设计了基于LabVIEW的数据采集软件,实现了对多个监测通道的数据进行并行快速采集。最后将该装置应用于全高程全天时大气探测激光雷达,实现了对全高程全天时激光雷达中1064nm、532nm、589nm以及ASE光的能量变化的实时监测,并通过计算得到了倍频晶体SHG2的倍频效率以及脉冲染料激光器的转化效率。(3)提出了一种原子鉴频机制的脉冲激光稳频方法,并在上述实验的基础上,利用多通道脉冲激光能量变化监测中的一个通道,搭建了基于原子鉴频器的脉冲燃料激光稳频装置,设计了脉冲染料激光器稳频控制软件,实现了脉冲燃料激光器的稳频。从而初步形成了脉冲激光的监测体系。最后对多通道单脉冲激光能量变化监测装置的推广应用进行了展望。
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