本發明屬于激光雷達大氣探測技術領域，具體涉及一種基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置。

背景技術：

激光雷達是一種主動式的現代光學遙感設備，具有很高的空間、時間分辨能力和很高的探測靈敏度等優點，廣泛應用于(1)大氣光學參數相能見度的探測；(2)氣溶膠和煙羽的探測；(3)大氣風和湍流的探測；(4)大氣氣體成份濃度和分布的探測；(5)大氣溫度和水汽含量的探測。

拉曼激光雷達利用激光與大氣介質的拉曼散射作用，通過探測介質的拉曼散射光對介質的密度等信息進行探測的光學探測手段。振動拉曼激光雷達是利用大氣中氣體分子(如氮氣、氧氣和水汽)的后向散射回波信號與密度的相互依存關系，通過探測其振動拉曼散射信號的變化獲得對大氣水汽含量的反演。而高效率的拉曼分光系統的設計一直是水汽探測水汽拉曼激光雷達的關鍵技術之一。目前，國內外拉曼激光雷達系統中多采用干涉濾光片、衍射光柵等分光器件提取所需的拉曼散射回波信號。但是這些傳統分光系統一般具有體積較大、結構不緊湊、光路調整復雜、可靠性差等不足。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置，解決現在技術中存在的體積大、可靠性差、調整復雜等問題。

本發明所采用的技術方案是，一種基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置，包括相互連接的光纖耦合和分路裝置和二級級聯全光纖濾波裝置，望遠鏡系統接收到的大氣后向散射回波信號先經光纖耦合和分路裝置分成三路，然后經二級級聯全光纖濾波裝置進行濾波。

本發明的特點還在于，

光纖耦合和分路裝置包括多模光纖和與多模光纖連接的1×3光纖分路器，其中光纖分路器由光纖耦合器I和光纖耦合器II串聯構成，多模光纖的輸出端與光纖耦合器I的輸入臂a0連接，光纖耦合器I按耦合比50:50在輸出臂a1和輸出臂a2分別輸出，光纖耦合器I的輸出臂a2與光纖耦合器II串聯，光纖耦合器II按耦合比50:50在輸出臂b2和輸出臂b3輸出，輸出臂a1、輸出臂b2和輸出臂b3分別與二級級聯全光纖濾波裝置連接。

光纖耦合器I和光纖耦合器II的光譜范圍不同。

輸出臂a1、輸出臂b2和輸出臂b3的能量分配比例為5：2.5：2.5。

二級級聯全光纖濾波裝置，包括與輸出臂a1熔接的光纖帶通濾波器I和與光纖帶通濾波器I熔接的光纖F-P濾波器I，形成第一光纖通道、輸出臂b2熔接的光纖帶通濾波器II和與光纖帶通濾波器II熔接的光纖F-P濾波器II，形成第二光纖通道、輸出臂b3熔接的光纖帶通濾波器III和與光纖帶通濾波器III熔接的光纖F-P濾波器III，形成第三光纖通道。

第一光纖通道為水汽拉曼散射通道，第二光纖通道為氮氣拉曼散射通道，第三光纖通道為米散射通道。

在第一光纖通道中，輸出臂a1熔接至光纖帶通濾波器I的輸入端，光纖帶通濾波器I的輸出端與光纖F-P濾波器I的輸入端口熔接。

在第二光纖通道中，輸出臂b2與光纖帶通濾波器II的輸入端熔接，光纖帶通濾波器II的輸出端與光纖F-P濾波器II的輸入端口熔接。

在第三光纖通道中，輸出臂b3與光纖帶通濾波器III的輸入端熔接，光纖帶通濾波器III的輸出端與光纖F-P濾波器III的輸入端口熔接。

光纖帶通濾波器I的中心波長為660nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性；光纖帶通濾波器II的中心波長為606nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性；光纖帶通濾波器III的中心波長為532nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性。

本發明的有益效果是，本發明基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置，由光纖耦合器、光纖帶通濾波器和光纖F-P濾波器構成，在分光技術上完全采用光纖結構，將望遠鏡接收的大氣回波信號經光纖耦合至全光纖分光系統，利用光纖與光纖的連接實現全光纖的輸入與濾波輸出，大大減小了分光系統的體積和重量，該裝置更具有系統穩定，可靠性高和抗干擾性能強的結構優點。同時從光譜特性上可分別提取大氣中水汽分子的振動拉曼散射信號、氮氣分子的振動拉曼散射信號和米-瑞利散射信號，并在拉曼通道中高度抑制米-瑞利散射信號和其他雜散光信號。

附圖說明

圖1是本發明基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置的結構示意圖；

圖2是本發明全光纖濾波裝置中光纖耦合和分路裝置的結構示意圖；

圖3是本發明中光纖分路器輸出臂a1的輸出光譜特性；

圖4是本發明中光纖分路器輸出臂b2的輸出光譜特性；

圖5是本發明中光纖分路器輸出臂b3的輸出光譜特性；

圖6是本發明中第一光纖通道(水汽通道)中光纖F-P濾波器I的輸出端口的光譜特性輸出圖；

圖7是拉曼激光雷達系統對大氣水汽探測信噪比分析。

圖中，1.多模光纖，2.1×3光纖分路器，3.光纖帶通濾波器I，4.光纖F-P濾波器I，5.光纖帶通濾波器II，6.光纖F-P濾波器II，7.光纖帶通濾波器III，8.光纖F-P濾波器III，9.光纖耦合器I，10.光纖耦合器II。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明基于光纖F-P濾波器的全光纖濾波裝置，如圖1所示，包括相互連接的光纖耦合和分路裝置和二級級聯全光纖濾波裝置，望遠鏡系統接收到的大氣后向散射回波信號先經光纖耦合和分路裝置分成三路，然后經二級級聯全光纖濾波裝置進行濾波。

如圖2所示，光纖耦合和分路裝置包括多模光纖1和與多模光纖1連接的1×3光纖分路器2，其中光纖分路器2由光纖耦合器I9和光纖耦合器II10串聯構成，多模光纖1的輸出端與光纖耦合器I9的輸入臂a0連接，光纖耦合器I9按耦合比50:50在輸出臂a1和輸出臂a2分別輸出，光纖耦合器I9的輸出臂a2與光纖耦合器II串聯，光纖耦合器II10按耦合比50:50在輸出臂b2和輸出臂b3輸出，輸出臂a1、輸出臂b2和輸出臂b3分別與二級級聯全光纖濾波裝置連接。

光纖耦合器I9和光纖耦合器II10的光譜范圍不同。

輸出臂a1、輸出臂b2和輸出臂b3的能量分配比例為5：2.5：2.5。

二級級聯全光纖濾波裝置，包括與輸出臂a1熔接的光纖帶通濾波器I3和與光纖帶通濾波器I3熔接的光纖F-P濾波器I4，形成第一光纖通道、輸出臂b2熔接的光纖帶通濾波器II5和與光纖帶通濾波器II5熔接的光纖F-P濾波器II6，形成第二光纖通道、輸出臂b3熔接的光纖帶通濾波器III7和與光纖帶通濾波器III7熔接的光纖F-P濾波器III8，形成第三光纖通道。

第一光纖通道為水汽拉曼散射通道，第二光纖通道為氮氣拉曼散射通道，第三光纖通道為米散射通道。

在第一光纖通道中，輸出臂a1熔接至光纖帶通濾波器I3的輸入端，光纖帶通濾波器I3的輸出端與光纖F-P濾波器I4的輸入端口熔接。

在第二光纖通道中，輸出臂b2與光纖帶通濾波器II5的輸入端熔接，光纖帶通濾波器II5的輸出端與光纖F-P濾波器II6的輸入端口熔接。

在第三光纖通道中，輸出臂b3與光纖帶通濾波器III7的輸入端熔接，光纖帶通濾波器III7的輸出端與光纖F-P濾波器III8的輸入端口熔接。

光纖帶通濾波器I3的中心波長為660nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性；光纖帶通濾波器II5的中心波長為606nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性；光纖帶通濾波器III7的中心波長為532nm，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級的光譜特性。

本發明采用串聯式的光纖耦合器作為光纖分路器，實現與前端望遠鏡接收回波信號的耦合以及與后續光纖通道信號的耦合。采用光纖耦合的串聯結構，替代普通的1×3光纖分路器，實現獨立3路光纖通道的分離，同時獲得合理的能量輸出比。

本發明在每路光纖通道中采用光纖帶通濾波器取代普通玻璃型二向色鏡，實現特定波長范圍內光譜信號的有效濾波。

本發明在每路光纖通道中采用光纖F-P濾波器的光纖濾波裝置。基于F-P腔嚴格的選波和濾波特性，利用光纖F-P腔結構參數與透過譜的關系，設計內插式光纖F-P腔結構，實現對特定光譜信號的高效濾波。

本發明在每路光纖通道中采取組合的二級光纖濾波方式。考慮到F-P透射譜的周期特性，本發明提出利用光纖帶通濾波器和光纖F-P濾波器結合的二級分光濾波結構。每路光纖通道中，光纖帶通濾波器和光纖F-P濾波器具有合理的光譜匹配特性，不僅保證在光纖帶通濾波器的光譜范圍內剛好有且只有一個F-P透過峰，并與所需特定波長的拉曼回波信號中心波長相匹配，同時二級濾波裝置的使用大大提高對彈性米散射信號和雜散信號的抑制率。

本發明裝置提供了一種小型化、結構緊湊、抗干擾的高效率高光譜分光系統，可為新型激光雷達分光系統的研制提供一種新的技術支持。

本發明全光纖濾波裝置，實現對水汽探測拉曼激光雷達系統中所需大氣回波信號的高效精細濾波方法，具體濾波過程為：

步驟1：完成對大氣回波信號的光纖耦合。由望遠鏡接收的大氣回波信號經多模光纖耦合至光纖分路和光纖濾波裝置。

步驟2：完成對大氣回波信號的全光纖分通道設置。用于大氣水汽探測拉曼激光雷達的分光系統需同時提取大氣中氮氣和水汽分子的拉曼散射回波信號，以及米-瑞利散射回波信號，因此全光纖濾波裝置應包括水汽分子拉曼散射通道、氮氣拉曼散射通道和米-瑞利散射通道。本發明采用具有不同光譜范圍的光纖耦合器I和光纖耦合器II的串聯裝置，替代傳統的光纖分路器，實現1×3的光纖通道分離，并具有最優的能量輸出比。要求分路器實現波長范圍為500-680nm的光譜信號的高效耦合，同時要求具有能量輸出比為5：2.5：2.5，其中第一光纖通道為水汽拉曼散射通道，第二光纖通道為氮氣拉曼散射通道，第三光纖通道為米散射通道。

步驟3：每路光纖通道中實現對所需大氣回波信號的高精細濾波。本發明采用二級級聯濾波裝置，采用光纖帶通濾波器和光纖F-P濾波器的二級級聯設計，進行二次濾波，分別獲得在獨立光纖通道中對大氣水汽拉曼散射信號、氮氣拉曼散射信號以及米散射信號的精細分光和高效透過。

在第一光纖通道1中，大氣水汽拉曼散射信號經過光纖帶通濾波器I3濾波后，將有用信號輸入至光纖F-P濾波器I，在光纖F-P濾波器I4的輸出端口進行精細選波，完成對水汽拉曼回波信號的精細提取。

在第二光纖通道中，氮氣拉曼散射信號經過光纖帶通濾波器II5，先進行中心波長在606nm，一定帶寬范圍內光譜信號的帶通濾波后，再入射至光纖F-P濾波器II6，完成對氮氣拉曼散射信號的精細提取，并經光電倍增管進行后續光電轉換和數據處理。

在第三光纖通道中，米散射信號首先經光纖帶通濾波器III7將波長522～542nm的光譜信號進行帶通濾波后，再經光纖F-P濾波器III8精細濾波，在光纖F-P濾波器III8的輸出端口完成對米散射信號的精細提取，并經光電倍增管進行后續光電轉換和數據處理。

光纖F-P濾波器的結構參數要求。根據F-P腔腔長、反射率與透過波長、自由光譜范圍以及精細度的關系，并考慮光纖F-P腔中損耗的影響，完成光纖F-P濾波器的結構參數設計，實現某一級次下所需波長的透過。本發明要求光纖F-P腔插入損耗<3％，腔長在um量級，自由光譜區達到幾十nm量級，帶寬小于1nm，有利于精細分光。

光纖帶通濾波器的要求。要求光纖帶通濾波器的帶寬要小于光纖F-P濾波器的自由光譜范圍，滿足在光纖帶通濾波器的帶寬范圍內只能且恰好只有一個F-P的透過峰，實現對特定波長光譜信號的透過。設計要求光纖帶通濾波器I、II、III的中心波長分別在660nm、606nm和532nm附近，帶寬在20～30nm，帶外抑制率達到3個數量級。本發明還要求各通道中光纖帶通濾波器需位于光纖分路器和光纖F-P濾波器之間，并實現光纖熔接。

實施效果：本發明全光纖濾波裝置實現分光系統的全光纖化；實現了對所需大氣回波信號的高精細分光和提取，并獲得對雜散信號的高效抑制。

如圖3所示，輸出臂a1輸出光譜帶寬450nm-680nm之間，輸出峰值為158000，可用于水汽通道。圖4和圖5對應在輸出臂b2和b3的輸出光譜強度圖。在輸出臂b2和b3的光譜峰值分別為64000和59000，實際分束比為56:21:23，基本符合50：25：25。輸出臂b2和b3端口輸出光譜范圍可覆蓋500-610nm的光譜信號，用于對606nm和532nm光譜信號的高效率耦合。

如圖6所示，第一光纖通道中，光纖帶通濾波器I作為一級分光器件，用于提取中心波長為660nm，帶寬10nm范圍內的光譜信號提取(圖中虛線所示)；再通過與光纖F-P濾波器I的二級級聯(圖中實線所示)，實現對中心波長為660nm大氣水汽拉曼散射信號高精度提取(圖中點線所示)。同時對回波信號中的強噪聲進行兩級抑制，大大提高對強噪聲的抑制率，免除強噪聲干擾。同理可得光纖通道2和光纖通道3的光譜輸出特性。

根據激光雷達參數和該全光纖分光裝置的光學性能，在激光器能量300mJ，望遠鏡口徑250mm，積分時間10分鐘的探測條件下，按照一組實測的大氣氣溶膠米散射系數的高度分布和標準大氣模型，對大氣水汽探測信噪比進行了數值仿真計算，如圖7所示。結果表明在大氣能見度20km的天氣條件下，該系統在夜晚可實現約6km以下的大氣水汽有效探測，白天的有效探測距離可達到3.4km。