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基于LD的780nm高光谱分辨率激光雷达系统设计

周煜东  
【摘要】:大气气溶胶是由大气介质和悬浮于其中的固体或液体颗粒物所组成的多相体系。高光谱分辨率激光雷达通过独立探测气溶胶米散射回波信号和大气分子瑞利散射回波信号,可实现气溶胶消光系数等光学特性的精细反演,在气溶胶微物理特性探测研究中发挥着不可或缺的作用。为精细反演气溶胶在780nm波长的光学特性,拓展高光谱分辨率激光雷达在不同波段的应用,本课题基于半导体激光器设计了 780nm高光谱分辨率激光雷达系统,重点设计了激光发射系统和高光谱分光系统,并分析了系统的探测性能。在深入研究大气分子瑞利散射光谱和气溶胶米散射光谱的基础上,阐述了高光谱分辨率激光雷达的探测原理及数据反演算法,提出了 780nm高光谱分辨率激光雷达系统设计方案。以分布反馈式半导体激光器为种子源,结合脉冲驱动的锥形半导体光放大器设计了 780nm激光发射系统。其中,采用高速MOSFET管设计了半导体光放大器驱动电路,实现了驱动电流的脉冲调制;利用柱透镜和非球面镜对半导体放大器的输出光束进行了光束整形。该发射系统的中心波长为780.246nm,线宽为0.6MHz;在重复频率为1kHz的情况下,脉宽为250ns,单脉冲能量为1μJ;输出光斑呈椭圆形,其中长轴为31mm、短轴为4.8mm;出射光束在快轴和慢轴方向的发散角分别为0.2mrad和0.035mrad。采用窄带干涉滤光片、FP标准具和铷原子滤波器级联的方式,设计了 780nm高光谱分辨率激光雷达分光系统,优化了 FP标准具参数和铷原子滤波器工作温度。其中,干涉滤光片带宽为0.5nm,FP标准具透射峰的半高宽为2.8GHz,自由光谱范围为98.62GHz;铷原子滤波器腔长71.80mm,工作温度338K,对米信号的抑制率可达37.3dB。研究结果表明所设计的分光系统能实现米信号和瑞利信号的有效分离。最后,基于标准大气模型对780nm高光谱分辨率激光雷达系统的探测性能进行了数值仿真。研究结果表明,在信噪比阈值为10的情况下,该系统米探测通道和瑞利探测通道在夜间的有效探测高度分别为4.9km和5.4km;白天米探测通道和瑞利探测通道的有效探测高度分别为2.0km和1.9km。780nm高光谱分辨率激光雷达系统不仅拓展了高光谱分辨率激光雷达系统的探测波长,还可为现有气溶胶探测数据提供重要补充。与传统高光谱分辨率激光雷达相比,该系统还具有人眼安全、维护方便等优点。研究内容对气溶胶精细探测技术发展和高光谱分辨率激光雷达产品化具有重要的研究意义。


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