CN101833089B - 多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜a、光纤、透镜b、透镜c、旋转体，旋转体上设置有速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反射镜b、透镜d；分束镜a的另一条光路上依次设置有反射镜a、反射镜b及透镜d。本发明还公开了上述标定系统的标定方法，模拟产生包含多普勒频移信息的光信号，其不仅能对相干多普勒测风激光雷达系统进行标定，而且对基于Fabry-Perot标准具或者原子滤波器、采用边缘检测技术进行分光的的非相干多普勒测风激光雷达系统，均能进行标定。该系统简单易行，适用于实验室环境下的标定。

Description

多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统及其标定方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，本发明还涉及采用该标定系统进行标定的方法。

背景技术

大气风场的测量有助于研究行星尺度动力学、天气尺度动力学以及中小尺度天气系统动力学。精确地观测大气风场对于提高天气预报、风暴预报的准确性、改善气候模型的准确性具有重要的意义。同时，精确地观测大气风场对于军事气象和环境预报、提高航空航天保障也具有十分重要的意义。

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。近些年来，测风激光雷达在国内外得到了飞速的发展。测风激光雷达可以实时监测大气湍流场的变化，探测强切变风场，不仅可以准确提供风廓线数据，还可以改进现有风预报的精度。

多普勒测风激光雷达的工作方式主要可分为相干（外差检测）和非相干（直接检测）测量。相干测量主要利用气溶胶或大粒子的散射信号，适用于低层大气风廓线探测，而在气溶胶浓度很低的清洁大气和中高空很难获得大气风速信息。

非相干探测方法可以同时利用大气气溶胶和分子散射信号，属于能量检测，其适用范围较广，适合对流层到平流层的风廓线探测。通常，非相干多普勒测风雷达主要采用的多普勒鉴频技术包括：Fabry-Perot（F-P）边缘检测及原子滤波器鉴频（单边缘或双边缘）技术以及干涉条纹图像检测技术等。

但是，对于多普勒测风激光雷达系统而言，由于风速瞬时变化很快，且不同区域的风速也不相同，因此其时空变化非常复杂和迅速。因此，对测风激光雷达系统进行标定时，无论采用传统的无线电探空气球、风廓线雷达、声雷达，还是其他测风手段进行比对，都无法获得与激光雷达系统同步的实时风场信息，这就使得测风激光雷达的系统标定比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，解决了现有的测风激光雷达系统标定困难，无法获得与激光雷达系统同步的实时风场信息的问题。

本发明的另一目的是提供一种上述系统的标定方法。

本发明所采用的技术方案是，一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜a、光纤、透镜b、透镜c、旋转体，旋转体上设置有速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反射镜b、透镜d；分束镜a的另一条光路上依次设置有反射镜a、反射镜b及透镜d。

本发明所采用的另一技术方案是，一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，采用一种标定系统，该系统的结构是：包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜a、光纤、透镜b、透镜c、旋转体，旋转体上设置有速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反射镜b、透镜d；分束镜a的另一条光路上依次设置有反射镜a、反射镜b及透镜d，

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器射出激光束，经过分束镜a分成两束，其中一路光束通过透镜a后，耦合进入光纤，传输至透镜b会聚后，沿切线方向入射到旋转体上，旋转体的入射边沿处产生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光信号经过透镜c后由反射镜b反射，被透镜d聚焦后耦合进分光系统，该路光束为标定光；

另一路光束通过反射镜a反射后，反射光穿过反射镜b的中心小孔后，被透镜d聚焦后耦合进分光系统，该路光束为参考光；

步骤2：根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体的速度反演便得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体的速度便反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定，采用一种分光装置，包括依次设置的透镜e及分束镜b，分束镜b的一路依次设置有分光系统、透镜f、光电探测部件a及数据采集系统，分束镜b的另一路依次设置有透镜g、光电探测器件b及数据采集系统，具体按照以下步骤实施：

a. 步骤1得到的由旋转体产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜e会聚后，被分束镜分成两路光束，一路光束经分光系统分光处理，并被透镜f会聚，由光电探测部件a接收，光电探测部件a输出电信号给数据采集系统，此为通道a；另一路光束被透镜g会聚，被光电探测部件b检测，光电探测部件b输出电信号给数据采集系统，此为通道b；

b. 数据采集系统分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道b上的光信号强度I ₁、I ₂，标定光在通道a、通道b的光信号强度I` <sub>1</sub>、I` ₂及旋转体的速度v _r，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度。

其中的步骤b数据采集系统分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道b上的光信号强度I ₁、I ₂，标定光在通道a、通道b的光信号强度I` <sub>1</sub>、I` ₂及旋转体的速度v _r，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，具体按照以下步骤实施：参考光在通道a、通道b上的光信号强度I ₁、I ₂的比值为

                        

包含多普勒频移Δν信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度I` <sub>1</sub>、I` ₂的比值为

                  

多普勒频移Δν，I _N的变化ΔI _N表示为

 

          

已知旋转体的速度v _r，以及I ₁、I ₂、I` <sub>1</sub>、I` ₂，根据下式，得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度

本发明的有益效果是，提出一种对多普勒测风激光雷达进行准确标定的系统，该标定系统主要作用为模拟产生包含多普勒频移信息的光信号，其不仅能对相干多普勒测风激光雷达系统进行标定，而且对基于Fabry-Perot（F-P）标准具或者原子滤波器、采用边缘检测(单边缘或双边缘)技术进行分光的非相干多普勒测风激光雷达系统，均能进行标定。该系统简单易行，适用于实验室环境下的标定。

附图说明

图1是本发明标定系统的结构示意图；

图2是本发明标定系统中旋转体的工作原理图；

图3是本发明标定方法采用的分光装置的结构示意图； 

图4是本发明多普勒频移与分光系统的透过率曲线之间的关系；

图5是本发明中标定光及参照光在通道b输出的信号强度分布；

图6是本发明中标定光及参照光在通道a输出的信号强度分布；

图7是本发明方法利用单边缘技术检测多普勒频移的测风原理。

图中，1.脉冲激光器，2.分束镜a，3.反射镜a，4.透镜a，5.透镜c，6.旋转体，7.速度传感器，8.透镜b，9.反射镜b，10.透镜d，11.光纤，12.透镜e，13.分束镜b，14.分光系统，15.透镜f，16.光电探测部件a，17.光电探测器件b，18.透镜g，19.数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统的结构，如图1所示，包括脉冲激光器1，脉冲激光器1的出射光侧设置有分束镜a2，分束镜a2的一条光路上依次设置有透镜a4、光纤11、透镜b8、透镜c5、旋转体6，旋转体6上设置有速度传感器7，透镜c5的另一侧依次设置有反射镜b9、透镜d10；分束镜a2的另一条光路上依次设置有反射镜a3、反射镜b9及透镜d10。

采用本发明多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统进行标定的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器1射出激光束，经过分束镜a2被分成两束，其中一路光束通过透镜a4后，耦合进入一段较长的光纤11，传输至透镜b8会聚后，沿切线方向入射到连续旋转的旋转体6上，由于旋转体6按照一定的方向及速度旋转，因此，在旋转体6的入射边沿处，将产生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光信号经过透镜c5准直、反射镜b9反射后，被透镜d10耦合进光纤，传输送入分光装置，该路光束为标定光；

另一路光束被反射镜a3反射后，反射光穿过反射镜b9的中心小孔后，被透镜d10耦合进光纤，传输送入分光装置，该路光束为参考光。

步骤2：根据标定光和参考光的信号强度反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，从而利用旋转体6的速度实现对多普勒测风雷达系统的标定。采用一种分光装置，如图3所示，包括依次设置的透镜e12及分束镜b13，分束镜b13的一路依次设置有分光系统14、透镜f15、光电探测部件a16及数据采集系统19，分束镜b13的另一路依次设置有透镜g18、光电探测器件b17及数据采集系统19，具体按照以下步骤实施：

a. 步骤1得到的由旋转体6产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜e12会聚后，被分束镜13分成两路光束，其中一路光束经分光系统14处理后，并被透镜f15会聚后，由光电探测部件a16接收，光电探测部件a16输出的电信号送入数据采集系统19，此为通道a；另一路光束并被透镜g18会聚后，直接被光电探测部件b17检测，光电探测部件b17输出的电信号，送入数据采集系统19，此为通道b。

b. 数据采集系统19根据上步得到的参考光在通道a、通道b上的光信号强度I ₁、I ₂，标定光在通道a、通道b的光信号强度I` <sub>1</sub>、I` ₂及旋转体6的速度v _r，按照以下算法反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度：

参考光在通道a、通道b上的光信号强度I ₁、I ₂的比值为

           （1）

同理，包含多普勒频移Δν信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度I` <sub>1</sub>、I` ₂的比值为

          （2）

由于多普勒频移Δν，I _N的变化ΔI _N可以表示为

 

          （3）

当已知旋转体的速度v _r，以及I ₁、I ₂、I` <sub>1</sub>、I` ₂时，便可以根据下式，得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度为

                （4）

本发明方法的原理为：如图7所示，大气径向风速v _r引起的多普勒频移为Δν，可以将激光发射频率ν ₀锁定在分光器件的透过率函数的陡峭边缘上，由于其斜率很大，因此微小的多普勒频移Δν将引起分光器件的透过率产生明显变化，即光信号强度（或能量）发生相对变化，通过检测这种相对变化，就可以测量出多普勒频移，从而反演出风速。后向散射多普勒频移和速度之间的关系为

                     （5）

式中，v _r是径向风速，λ ₀ 是激光波长，Δν是多普勒频移。

设归一化的米或者瑞利散射光谱函数为f(ν)，分光系统的透过函数为h(ν)，则分光系统的透过率F(ν)可以用卷积表示如下

               （6）

因此，通道a的光信号强度I（ν）可以表示如下

                    （7）

式中，I ₀是入射光的光强，C ₁为探测通道a的常数。

通道b的光信号强度可以表示如下

                         （8）

式中， C ₂为探测通道b的常数。

则通道a、通道b的信号强度I ₁、I ₂的比值为

                （9）

式中，C=C ₁/C ₂，为系统常数。

由于多普勒频移Δν的存在，将使两个通道的信号强度发生变化。因此，通过检测通道a、通道b的信号强度的变化，便可根据下式反演出径向风速

                          （10）

式中，ΔI _N/I _N为由于多普勒频移而引起的通道a、通道b的信号强度的相对变化，Θ为分光系统的速度灵敏度，其含义为单位速度引起的分光系统的透过率函数F(ν)的相对变化，或者是单位速度引起的通过分光系统的光强I(ν)的相对变化，即

                   （11）

反之，如果已知速度v _r，以及两个通道的信号强度的相对变化量ΔI/I，便可以根据下式对Θ进行精确地标定

                           （12）

如图2所示，当旋转体6边沿以一定的线速度逆时针旋转时，入射光沿切线的方向入射到旋转体6的边沿上，此时，由于多普勒效应，在入射边沿点处，将产生包含多普勒频移信息的散射光信号，设旋转体6的入射边沿点的线速度为v _r，入射光的频率为f _i，则散射光的频率为

               （13）

式中，k _i=cosθ ₁，k _s=cosθ ₂，θ ₁为入射光与反射光之间的夹角、θ ₂为散射光与速度之间的夹角，对于后向散射光，θ ₂=180°；λ _i为入射光波长。旋转体6的线速度v _r可以通过速度传感器7测量。因此当v _r为已知值时，利用该速度值便可以对分光系统的速度灵敏度进行标定。

由于标定光需要通过一段较长的光纤11进行传输，并被旋转体6散射后，才被送入多普勒测风激光雷达的分光系统，而参考光则是直接被送入分光系统。因此，当光纤11取一定长度时（如长度可以取50-100 m），则在进入分光系统前，标定光相对于参考光，在时间上将产生一定的延迟。

此时，多普勒频移与分光系统的透过率曲线之间的关系如图4所示，可以看出，当参考光通过分光系统处理后，透过率为F(ν ₀)；而带有多普勒频移Δν的标定光通过分光系统的处理后，其透过率为F(ν ₀+Δν)。

此外，通道a、b探测的包含多普勒频移信息的标定光信号、参照光信号的强度分布分别如图5、图6所示，图中，标定光的时间比参照光延迟时间Δt。                        

Claims (4)

1.一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)的出射光侧设置有分束镜a(2)，分束镜a(2)的一条光路上依次设置有透镜a(4)、光纤(11)、透镜b(8)、透镜c(5)、旋转体(6)，旋转体(6)上设置有速度传感器(7)，透镜c(5)的另一侧依次设置有反射镜b(9)、透镜d(10)；分束镜a(2)的另一条光路上依次设置有反射镜a(3)、反射镜b(9)及透镜d(10)以及一分光装置，分光装置包括依次设置的透镜e(12)及分束镜b(13)，分束镜b(13)的一路依次设置有分光系统(14)、透镜f(15)、光电探测部件a(16)及数据采集系统(19)，分束镜b(13)的另一路依次设置有透镜g(18)、光电探测器件b(17)及数据采集系统(19)。

2.一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，采用一种标定系统，该系统的结构是：包括脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)的出射光侧设置有分束镜a(2)，分束镜a(2)的一条光路上依次设置有透镜a(4)、光纤(11)、透镜b(8)、透镜c(5)、旋转体(6)，旋转体(6)上设置有速度传感器(7)，透镜c(5)的另一侧依次设置有反射镜b(9)、透镜d(10)；分束镜a(2)的另一条光路上依次设置有反射镜a(3)、反射镜b(9)及透镜d(10)，

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器(1)射出激光束，经过分束镜a(2)分成两束，其中一路光束通过透镜a(4)后，耦合进入光纤(11)，传输至透镜b(8)会聚后，沿切线方向入射到旋转体(6)上，旋转体(6)的入射边沿处产生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光信号经过透镜c(5)后由反射镜b(9)反射，被透镜d(10)聚焦后耦合进分光系统，该路光束为标定光；

另一路光束通过反射镜a(3)反射后，反射光穿过反射镜b(9)的中心小孔后，被透镜d(10)聚焦后耦合进分光系统，该路光束为参考光；

步骤2：根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体(6)的速度反演便得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定。

3.根据权利要求2所述的多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，所述的步骤2根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体(6)的速度便反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定，采用一种分光装置，包括依次设置的透镜e(12)及分束镜b(13)，分束镜b(13)的一路依次设置有分光系统(14)、透镜f(15)、光电探测部件a(16)及数据采集系统(19)，分束镜b(13)的另一路依次设置有透镜g(18)、光电探测器件b(17)及数据采集系统(19)，具体按照以下步骤实施：

a.步骤1得到的由旋转体(6)产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜e(12)会聚后，被分束镜(13)分成两路光束，一路光束经分光系统(14)分光处理，并被透镜f(15)会聚，由光电探测部件a(16)接收，光电探测部件a(16)输出电信号给数据采集系统(19)，此为通道a；另一路光束被透镜g(18)会聚，被光电探测部件b(17)检测，光电探测部件b(17)输出电信号给数据采集系统(19)，此为通道b；

b.数据采集系统(19)分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道b上的光信号强度I₁、I₂，标定光在通道a、通道b的光信号强度I`<sub>1</sub>、I`₂及旋转体(6)的速度v_r，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度。

4.根据权利要求3所述的多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，所述的步骤b数据采集系统(19)分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道b上的光信号强度I₁、I₂，标定光在通道a、通道b的光信号强度I`<sub>1</sub>、I`₂及旋转体(6)的速度v_r，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，具体按照以下步骤实施：参考光在通道a、通道b上的光信号强度I₁、I₂的比值为

$I_N\left(v_0\right)=\frac{I_1\left(v_0\right)}{I_2},$

包含多普勒频移Δν信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度I`<sub>1</sub>、I`₂的比值为

$I_N(v_0+\mathrm{\&Delta;v})=\frac{I_1^{`}(v_0+\mathrm{\&Delta;v})}{I_2^{`}},$

多普勒频移Δν，I_N的变化ΔI_N表示为

$\mathrm{\&Delta;}{I}_N=I_N(v_0+\mathrm{\&Delta;v})-I_N\left(v_0\right)=\frac{I_1^{`}(v_0+\mathrm{\&Delta;v})}{I_2^{`}}-\frac{I_1\left(v_0\right)}{I_2},$

已知旋转体的速度v_r，以及I₁、I₂、I`<sub>1</sub>、I`₂，根据下式，得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度

$\mathrm{\&Theta;}=\frac{1}{v_r}\frac{\mathrm{\&Delta;}{I}_N}{I_N}=\frac{1}{v_r}\frac{\frac{I_1^{`}(v_0+\mathrm{\&Delta;v})}{I_2^{`}}-\frac{I_1\left(v_0\right)}{I_2}}{\frac{I_1\left(v_0\right)}{I_2}}.$

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