CN102213763A - 基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法 - Google Patents

基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法 Download PDF

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基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法，涉及相干多普勒测风激光雷达系统，它解决了现有方法探测距离小、探测精度低的问题。系统：锁模激光器发出的光分为一号透射光和一号反射光，一号透射光经一号凹透镜、一号凸透镜、偏振片、1/4波片、二号凹透镜、二号凸透镜后聚焦至目标并反射，反射光分为二号透射光和二号反射光，二号反射光入射至混频器；二号透射光入射至二号探测器；一号反射光经分束片分为三号透射光和三号反射光，三号反射光入射至混频器；三号透射光入射至一号探测器。方法：二号反射光与三号反射光混频、检波后获得目标速度；分析三号透射光和二号透射光的时间差，实现对目标的测距。本发明适用于对目标的测距。

Description

基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法
技术领域
本发明涉及一种相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法。
背景技术
激光外差探测是一种高灵敏度的探测技术，在测距、测速、制导、跟踪等领域有着广泛的应用。在外差探测中，激光雷达和传统的微波雷达具有各自优势，激光雷达具有更小的传输孔径，可以获得高的空间分辨力；微波雷达技术成熟，抗大气干扰能力强，能够全天候工作，因此有人尝试把激光雷达和微波雷达结合起来，将射频波段的信号调制到激光束上，产生了用激光作为探测媒介，信号处理采用微波雷达技术的光载波雷达(lidar-radar)模型，但是现有光载波雷达采用的光源为单纵模激光器，它需要再进行腔外调制，雷达系统复杂性较高，光学调整难度较大，因此导致探测距离较小、探测精度较低。而采用锁模激光器作为光源发生装置还未见记载。
发明内容
本发明解决了现有采用单纵模激光器作为激光雷达系统的光源导致探测距离小、探测精度低的问题，从而提供了一种基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法。
基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统，它包括锁模激光器、一号分束片、一号凹透镜、一号凸透镜、偏振片、1/4波片、二号凹透镜、二号凸透镜、二号分束片、三号分束片、三号凸透镜、四号凸透镜、一号探测器、二号探测器、混频器、包络检波器和示波器，锁模激光器发出的光束经一号分束片分为一号透射光束和一号反射光束，所述一号透射光束入射至一号凹透镜，并经一号凹透镜扩束后入射至一号凸透镜，经一号凸透镜透射后入射至偏振片，经偏振片透射后入射至1/4波片，经1/4波片透射后入射至二号凹透镜，经二号凹透镜扩束后入射至二号凸透镜，经二号凸透镜聚焦至待测目标，经待测目标反射形成的反射光束沿入射光路返回，直到入射至偏振片后，经该偏振片反射后入射至三号分束片，经三号分束片分为二号透射光束和二号反射光束，所述二号反射光束入射至混频器的光输入端；二号透射光束入射至四号凸透镜，经四号凸透镜聚焦至二号探测器的光输入端；一号反射光束入射至二号分束片，经二号分束片分为三号透射光束和三号反射光束，三号反射光束入射至混频器的光输入端；三号透射光束入射至三号凸透镜，经三号凸透镜聚焦至一号探测器的光输入端，所述一号探测器的电信号输出端与示波器的一号电信号输入端连接；二号探测器的电信号输出端与示波器的二号电信号输入端连接；混频器用于将输入的两束光进行混频，所述混频器的混频光束输出端与包络检波器的混频光束输入端连接；包络检波器的检波信号输出端与示波器检波信号输入端连接。
基于上述系统的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距方法，它由以下步骤实现：
步骤一、混频器将二号反射光束与三号反射光束进行混频，获得混频后的光束；
步骤二、采用包络检波器对步骤一获得的混频后的光束进行检波，获得检波后波形；
步骤三、采用示波器分析步骤二获得的检波后波形的周期，获得待测目标的反射光的多普勒频移，进而获得待测目标的速度信息；
步骤四、采用一号探测器和二号探测器分别探测三号透射光和二号透射光，并采用示波器分析三号透射光和二号透射光的时间差，并根据步骤三获得的待测目标的速度信息，从而获得待测目标的距离，实现对待测目标的测距。
有益效果：本发明采用锁模激光器作为系统光源，利用锁模脉冲进行光混频，计算出大气中气溶胶的多普勒频移，从而判断出大气中风速，然后利用发射信号和回波信号的时间差来计算探测目标的距离，探测距离远、探测精度高，并且集发射、接收于一体，大幅度简化了系统结构。
附图说明
图1是本发明的系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统，它包括锁模激光器1、一号分束片2、一号凹透镜3、一号凸透镜4、偏振片5、1/4波片6、二号凹透镜7、二号凸透镜8、二号分束片9、三号分束片10、三号凸透镜11、四号凸透镜12、一号探测器13、二号探测器14、混频器15、包络检波器16和示波器17，锁模激光器1发出的光束经一号分束片2分为一号透射光束和一号反射光束，所述一号透射光束入射至一号凹透镜3，并经一号凹透镜3扩束后入射至一号凸透镜4，经一号凸透镜4透射后入射至偏振片5，经偏振片5透射后入射至1/4波片6，经1/4波片6透射后入射至二号凹透镜7，经二号凹透镜7扩束后入射至二号凸透镜8，经二号凸透镜8聚焦至待测目标18，经待测目标18反射形成的反射光束沿入射光路返回，直到入射至偏振片5后，经该偏振片5反射后入射至三号分束片10，经三号分束片10分为二号透射光束和二号反射光束，所述二号反射光束入射至混频器15的光输入端；二号透射光束入射至四号凸透镜12，经四号凸透镜12聚焦至二号探测器14的光输入端；一号反射光束入射至二号分束片9，经二号分束片9分为三号透射光束和三号反射光束，三号反射光束入射至混频器15的光输入端；三号透射光束入射至三号凸透镜11，经三号凸透镜11聚焦至一号探测器13的光输入端，所述一号探测器13的电信号输出端与示波器17的一号电信号输入端连接；二号探测器14的电信号输出端与示波器17的二号电信号输入端连接；混频器15用于将输入的两束光进行混频，所述混频器15的混频光束输出端与包络检波器16的混频光束输入端连接；包络检波器16的检波信号输出端与示波器17检波信号输入端连接。
具体实施方式二、本具体实施方式一所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统的区别在于，锁模激光器1发出的光束为输出波长为1064nm、包络脉宽为170ns、单脉冲宽度百皮秒量级、重复频率为100MHz的激光光束。
本实施方式中的锁模激光器1采用主被动锁模Nd:YAG脉冲激光器。偏振片5采用多层介质膜偏振片。
具体实施方式三、本具体实施方式一所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统的区别在于，一号探测器13和二号探测器14均为PIN光电探测器。
具体实施方式四、基于具体实施方式一所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距方法，它由以下步骤实现：
步骤一、混频器15将二号反射光束与三号反射光束进行混频，获得混频后的光束；
步骤二、采用包络检波器16对步骤一获得的混频后的光束进行检波，获得检波后波形；
步骤三、采用示波器17分析步骤二获得的检波后波形的周期，获得待测目标反射光的多普勒频移，进而获得待测目标的速度信息；
步骤四、采用一号探测器13和二号探测器14分别探测三号透射光和二号透射光，并采用示波器17分析三号透射光和二号透射光的时间差，并根据步骤三获得的待测目标的速度信息，从而获得待测目标的距离，实现对待测目标的测距。
工作原理：激光在大气中传输的回波信号与系统本征光信号通过混频器15产生差频频率信号，通过包络检波器16检出差频信号，差频频率信号大小即等于回波信号的多普勒频移，通过测量差频信号可以计算风速大小。相干多普勒激光雷达就是利用光混频技术实现测风的。本发明利用锁模脉冲进行光混频，以及发射信号和回波信号的时间差来计算物体的距离。本发明探测方法：锁模激光器1输出的光由一号分束片2分出一部分至二号分束片9，二号分束片9分出一小部分由三号凸透镜11会聚到一号探测器13上，大部分光由二号分束片9反射至混频器15中；
锁模激光器1输出的光透过一号分束片2的部分由一号凹透镜3和一号凸透镜4组成的扩束系统扩束数倍；
偏振片5和1/4波片6组成隔离系统用于提取目标反射回来的光。信号提取原理是：发射的激光和目标反射的反射光两次通过1/4波片6偏振态旋转90度，反射光再次到达偏振片5时就由原来的透射变为反射；
二号凹透镜7和二号凸透镜8是组成望远镜系统，通过改变二号凹透镜7和二号凸透镜8之间的距离，焦点可由零至无穷远处扫描；
当激光遇到空气中的气溶胶粒子，发生后向散射，此时，二号凹透镜7和二号凸透镜8作为接收系统，偏振片5和1/4波片6组成隔离系统提取出目标反射回来的光，二号分束片9分出一部分光经四号凸透镜12把光会聚到二号探测器14上，另一部分光反射至混频器15中与二号分束片9反射的光进行混频；
混频后的光经包络检波器16检波后由示波器17分析出包络周期，从而计算出多普勒频移，获知目标的速度信息。
同时记录下一号探测器13和二号探测器14的探测波形，示波器17分析一号探测器13和二号探测器14探测发射前的激光和反射回来的激光的时间差，因此就可计算目标的距离。

Claims (4)

1.基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统，其特征是：它包括锁模激光器(1)、一号分束片(2)、一号凹透镜(3)、一号凸透镜(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、二号凹透镜(7)、二号凸透镜(8)、二号分束片(9)、三号分束片(10)、三号凸透镜(11)、四号凸透镜(12)、一号探测器(13)、二号探测器(14)、混频器(15)、包络检波器(16)和示波器(17)，锁模激光器(1)发出的光束经一号分束片(2)分为一号透射光束和一号反射光束，所述一号透射光束入射至一号凹透镜(3)，并经一号凹透镜(3)扩束后入射至一号凸透镜(4)，经一号凸透镜(4)透射后入射至偏振片(5)，经偏振片(5)透射后入射至1/4波片(6)，经1/4波片(6)透射后入射至二号凹透镜(7)，经二号凹透镜(7)扩束后入射至二号凸透镜(8)，经二号凸透镜(8)聚焦至待测目标(18)，经待测目标(18)反射形成的反射光束沿入射光路返回，直到入射至偏振片(5)后，经该偏振片(5)反射后入射至三号分束片(10)，经三号分束片(10)分为二号透射光束和二号反射光束，所述二号反射光束入射至混频器(15)的光输入端；二号透射光束入射至四号凸透镜(12)，经四号凸透镜(12)聚焦至二号探测器(14)的光输入端；一号反射光束入射至二号分束片(9)，经二号分束片(9)分为三号透射光束和三号反射光束，三号反射光束入射至混频器(15)的光输入端；三号透射光束入射至三号凸透镜(11)，经三号凸透镜(11)聚焦至一号探测器(13)的光输入端，所述一号探测器(13)的电信号输出端与示波器(17)的一号电信号输入端连接；二号探测器(14)的电信号输出端与示波器(17)的二号电信号输入端连接；混频器(15)用于将输入的两束光进行混频，所述混频器(15)的混频光束输出端与包络检波器(16)的混频光束输入端连接；包络检波器(16)的检波信号输出端与示波器(17)检波信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达系统，其特征在于锁模激光器(1)发出的光束为输出波长为1064nm、包络脉宽为170ns、单脉冲宽度百皮秒量级、重复频率为100MHz的激光光束。
3.根据权利要求1所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达系统，其特征在于一号探测器(13)和二号探测器(14)均为PIN光电探测器。
4.基于权利要求1所述的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统的基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距方法，其特征是：它由以下步骤实现：
步骤一、混频器(15)将二号反射光束与三号反射光束进行混频，获得混频后的光束；
步骤二、采用包络检波器(16)对步骤一获得的混频后的光束进行检波，获得检波后波形；
步骤三、采用示波器(17)分析步骤二获得的检波后波形的周期，获得待测目标的反射光的多普勒频移，进而获得待测目标的速度信息；
步骤四、采用一号探测器(13)和二号探测器(14)分别探测三号透射光和二号透射光，并采用示波器(17)分析三号透射光和二号透射光的时间差，并根据步骤三获得的待测目标的速度信息，从而获得待测目标的距离，实现对目标的测距。
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