CN100346173C - 非相干激光测风方法及激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种非相干激光测风方法及由实现该方法的激光雷达。它首先产生窄线宽脉冲激光，并对该脉冲激光进行锁频，组成激光雷达发射单元，使该激光脉冲序列发射进入大气；利用望远镜接收大气分子和气溶胶的后向散射光，接收到的光信号分成两路，一路光信号直接转换为电信号I，通过碘吸收滤波器的另一路光信号转换成电信号II，计算机采集的两路电信号，经数据处理获得径向风速；数据处理的关键是获得激光雷达风速响应曲线，通过调谐种子激光频率，对碘吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，在覆盖的频谱宽度内所接收到的两路激光回波信号比(I/II)，其随激光频率的变化即为实时测量到的风速响应曲线。根据风速响应曲线校正径向风速，再通过两个方向径向风速与水平风速的三角几何关系依次得到水平风速剖面，对多个不同方向多次测量后可以得到水平风速风场。利用本方法可获取高度40～60公里范围内的风速。

Description

非相干激光测风方法及激光雷达
技术领域
本发明为一种非相干激光测风方法及实现该方法的激光雷达。
背景技术
风速测量在气象、环境、交通等事业的许多方面有着重要的作用。目前使用相干测量方法只能获取高度约0～3公里范围内的风速，而利用腆吸收滤波器的非相干方法可获取高度40～60公里范围内的风速。但是，由于低空(高度0～10公里)或对流层的空气中含有大量的气溶胶微粒，而其含量又无法确定，因此对这一空域的风速测量技术一直是一个空白。
发明内容
发明一种能够利用非相干多普勒效应测量高度0～10公里或对流层范围内大气水平风速的非相干激光测风方法和实现该方法的激光雷达。通过调谐种子激光频率，对腆吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，实时测量风速测量响应曲线。利用该响应曲线可校正测量到的径向0～10公(或对流层)高度范围内大气气溶胶和大气分子同时存在，无法进行风速测量难题。
本发明首先产生窄线宽脉冲激光，并对该脉冲激光进行锁频，组成可激光雷达发射单元，使该激光脉冲序列发射进入大气；利用望远镜接收大气分子和气溶胶的后向散射光，接收到的光信号分成两路，一路光信号直接转换为电信号I，通过腆吸收滤波器的另一路光信号转换成电信号II，计算机采集的两路电信号，经数据处理获得径向风速，即视线风速；数据处理的关键是获得激光雷达风速响应曲线，通过调谐种子激光频率，对腆吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，在覆盖的频谱宽度内所接收到的两路激光回波信号比(I/II)，其随激光频率的变化即为实时测量到的风速响应曲线。根据风速响应曲线校正径向风速，再通过两个方向径向风速与水平风速的三角几何关系依次得到水平风速剖面，对多个不同方向多次测量后可以得到水平风速风场。
本发明所采用的准确测量风速的方法是实时获得激光雷达风速响应曲线，通过调谐种子激光频率，对碘吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，在覆盖的频谱宽度内，所接收到的两路信号比随激光频率的变化即为测量到的风速响应曲线，再通过两个方位角的径向风速分析处理得到风场。本发明中窄线宽的脉冲激光可以通过将种子激光注入脉冲激光的方法实现。线宽一般可压缩在90～100MHz范围内。
本发明中采取主动稳频技术，通过碘吸收滤波器检测出种子激光器的频率偏移量，通过数字PID算法(比例控制、积分控制和微分控制的组合)计算误差信号，将之反馈至控制系统对激光器的各相应参数进行控制，达到稳频目的。改进的数字PID算法采用积分分离和微分的四点中心差分算法，使得系统对刚起动时的较大的偏差造成的积分饱和或突变量造成的积分饱和做修正；并可降低差分项造成的对干扰的过分敏感。
实现本发明所述方法的设备包括：
1激光雷达发射单元：由种子激光器、脉冲激光器、激光扫描镜、种子注入及激光稳频光学和电子部件组成。
2激光雷达接收单元：由望远镜、碘吸收滤波器、光电倍增管和与计算机连接的数据采集电路组成。
这种方法和技术的优点是校正了大气气溶胶和大气温度剖面对径向风速测量的综合影响。根据本发明所采用的方法和技术，对实际测量数据进行校正和处理结果，使低空(0～10公里)或对流层水平风速剖面的测量结果，风速标准偏差为1m/s，风向标准偏差为15度。
附图说明
图1为本发明实施例的硬件部分的结构图；
具体实施方式
如图所示，本实施例包括发射系统、接收系统和数据处理系统。发射系统包括脉冲激光器，种子激光器与其端口连接。接收系统包括卡塞格林望远镜(Cassegrain Telescope)，其光线输出端依次对应安装凸透镜和分光镜。分光镜的一个输出端依次安装碘吸收滤波器、凸透镜和光电倍增管2，该光电倍增管的电信号输出端经数据采集电路(模数转换或光子计数)接计算机；分光器的另一端出端对应依次安装凸透镜、光电倍增管1，该光电倍增管的电信号输出端经采集电路接计算机。
上述硬件的运行过程如下：发射系统产生窄线宽的脉冲激光(激光波长532nm，线宽90～100MHz)，该激光脉冲序列按某一发射角度发射进入大气，并通过稳频技术对脉冲激光进行锁频；由大气分子和气溶胶的后向散射光通过望远镜接收后分为两束，其中一束直接经光电倍增管转换为电信号，另一路经碘吸收滤波器后，由光电倍增管转换为电信号，计算机采集的两路电信号，经数据处理获得径向风速。激光脉冲序列按另一发射角度发射进入大气，再重复上述过程，得到两个方位角的径向风速。计算机中进行分析处理时，先通过调谐种子激光频率，对碘吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，所接收到的两路信号比随激光频率的变化即为实时测量到的风速响应曲线，利用该响应曲线可校正测量到的径向风速。根据风速响应曲线校正径向风速，再通过两个方向径向风速与水平风速的三角几何关系依次得到水平风速剖面，对多个不同方向多次测量后可以得到水平风速风场。

Claims (4)

1、一种非相干激光测风方法，其特征是：首先产生窄线宽脉冲激光，并对该脉冲激光进行锁频，组成激光雷达发射单元，使该激光脉冲序列发射进入大气：利用望远镜接收大气分子和气溶胶的后向散射光，接收到的光信号分成两路，一路光信号直接转换为电信号I，通过腆吸收滤波器的另一路光信号转换成电信号II，计算机采集的两路电信号，经数据处理获得径向风速，即视线风速；数据处理的关键是获得激光雷达风速响应曲线，通过调谐种子激光频率，对腆吸收滤波器532nm附近的吸收线覆盖的频谱宽度进行激光频率扫描，在覆盖的频谱宽度内所接收到的两路激光回波信号比，即电信号I/电信号II，其随激光频率的变化即为实时测量到的风速响应曲线；根据风速响应曲线校正径向风速，再通过两个方向径向风速与水平风速的三角几何关系依次得到水平风速剖面，对多个不同方向多次测量后可以得到水平风速风场。
2、根据权利要求1所述的非相干激光测风方法，其特征是：所述的窄线宽激光的产生是通过将种子激光注入脉冲激光中而实现的，窄线宽脉冲激光的线宽为90～100MHz。
3、根据权利要求1所述的非相干激光测风方法，其特征是：所述的锁频方式为主动稳频，它是通过腆吸收滤波器检测出种子激光器的频率偏移量，误差信号通过数字PID算法计算，参数根据实验确定，将之反馈至控制系统对激光器的各相应参数进行控制，达到稳频目的。
4、用于实现根据权利要求1或2所述非相干激光测风方法的一种非相干激光测风雷达，其特征是：它包括与种子激光器连接的脉冲激光器和接收其大气后向散射信号的望远镜、将望远镜接收到的信号分为两路的分束镜、与其中一路信号对应的光电转换用的光电倍增管，光电倍增管放大电路和与计算机连接的数据采集电路；与另一路信号对应有确吸收滤波器，光电转换用的光电倍增管和与计算机连接的数据采集电路。
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