CN102288972A - 三波长实时定标激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

三波长实时定标激光雷达装置，包括由望远镜、分束器、滤波器和两个光电探测器组成的接收系统，经由数据采集系统与两个光电探测器相连的计算机；以及向大气发射激光束的发射系统：包括对种子激光器a、种子激光器b和种子激光器c进行选择、并将激光注入脉冲激光器的光开关切换，所述的脉冲激光器经扩束镜、反射镜将激光向大气发射；或者该发射系统包括：改变种子激光器出射光、并通过合束器将该出射光注入脉冲激光器的声光移频器，所述的脉冲激光器经扩束镜、反射镜将激光向大气发射；所述的光开关切换或声光移频器经由上述计算机控制。本发明可实时的提供测风所需灵敏度及两种测风波长的测量信息，提高了测风性能，实现了精确的可移动测量。

Description

三波长实时定标激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种激光测量大气风场的雷达装置，具体涉及一种三波长实时定标激光雷达装置。
背景技术
大气风场是气象探测中的重要观测参数，在天气、环境、交通、航空、海洋等许多领域都有重要作用。天气预报中提供风场的基础信息，有助于天气变化的预报；航空中的阵风、风切变等情况危害较大，风场的观测可以帮助提前做好应对准备；风力发电中也需要前方风场的测定来使风机有效运行等。
现有的测风手段多为风向标测风和微波雷达测风。风向标的测量只能测量近地面的局部风速，限制较大，无法获得大气风场的信息；微波雷达测风需要在云、雾较多的情况下才能取得良好效果。因而在天空较为晴朗时，激光雷达就能够发挥其优势，取得高精度的大范围风场信息。
现今实际应用的测风激光雷达可以分为相干测风和非相干测风两类。相干测风激光雷达系统在气溶胶含量较高的低空区域探测效果较好，对高空区域难以有效探测。非相干探测技术通过高分辨率的光谱器件来提取反射光的强度信息，与频率变化相关联，进而求出风场信息。通过气溶胶和分子的回波信号，非相干测风系统可以取得0.5-20km公里高度范围内的风场信息。其中，基于碘分子滤波的非相干测风技术是非相干测风的一种典型技术，它利用了碘分子在一定温度下，对不同频率的光吸收率也不同的特点，将激光的工作波长设置在某一吸收线附近(如532nm激光选用1109吸收线)，探测回波通过碘分子滤波后的强度变化来求取频率变化，进而反演风速。
由于大气回波有两种成分组成：气溶胶散射(Mie散射，带宽窄)和大气分子散射(Rayleigh散射，带宽宽)，这两种散射信号通过鉴频鉴频器的透过率各不相同，因而两种信号的成分也会影响光电探测器的结果。目前要反演风速时，必须首先要了解气溶胶散射和大气分子散射的比例，才能确定每米风速的光电探测器探测强度变化。普通的测风激光雷达必须要首先测量灵敏度，取得相应信息才能进行后续的风场测量。这样，测量灵敏度和测风就不能做到同步进行。又因为气溶胶是时刻变化的，难免会造成偏差；而且在移动测量时，因为位置的时刻变换，预先进行灵敏度的测量也变得没有意义。
因此，激光雷达测风技术虽然已经进入业务化阶段，但仍无法实时获得准确的气溶胶相对浓度信息，无法实时定标测量灵敏度而进入真正实用化。
发明内容
本发明的目的是提供一种三波长实时定标激光雷达装置，以弥补已有技术的不足。
现有的非相干测风激光雷达无法快速改变发射波长；本发明是对已有的非相干测风激光雷达的改进，具体是采用了能够快速改变发射波长的发射系统，并可利用已有雷达的接收系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
三波长实时定标激光雷达装置，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器的望远镜，该分束器将望远镜收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a进入数据采集系统，另一份经鉴频器、光电探测器b进入数据采集系统，以及与数据采集系统相连的内含控制程序的计算机，其特征在于所述的发射系统包括对种子激光器a、种子激光器b和种子激光器c进行选择、并将激光注入脉冲激光器的光开关切换，所述的脉冲激光器经扩束镜、反射镜将激光向大气发射；所述的光开关切换经由上述计算机控制。
本发明的另一种技术方案如下：
实时定标高光谱分辨率激光雷达装置，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器的望远镜，该分束器将望远镜收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a进入数据采集系统，另一份经鉴频器、光电探测器b进入数据采集系统，以及与数据采集系统相连的内含控制程序的计算机，其特征在于所述的发射系统包括改变种子激光器出射光、并通过合束器将该出射光注入脉冲激光器的声光移频器，所述的脉冲激光器经扩束镜、反射镜将激光向大气发射；所述的声光移频器经由上述计算机控制。
上述计算机内的控制程序在时序上变换注入脉冲激光器的种子光波长。
上述的鉴频器为基于分子或者原子吸收光谱的鉴频器，或基于光学标准具透过率谱线的鉴频器。如基于分子吸收光谱的鉴频器是利用碘分子1109吸收线的波长范围在528.2nm～532.8nm内的鉴频器。
本发明可以由光开关切换选择注入脉冲激光器的种子激光器，或采用声光移频器对一个种子激光器的频率按照时序进行切换。注入脉冲激光器的种子光频率对应鉴频器吸收线的谷底时，接收光进入参考通道的光电探测器以及进入测量通道经滤波后的光电探测器，可以测量分子散射和气溶胶散射，反演灵敏度；注入脉冲激光器的种子光频率对应鉴频器吸收线的两侧斜边时，接收光进入参考通道的光电探测器以及进入测量通道经滤波后的光电探测器，结合上述灵敏度可以反演出风速。
通常，非相干测风激光雷达需要首先精确地知道大气分子散射和气溶胶散射的混合比例，从而确定测量灵敏度信息，然后才能根据该灵敏度信息反演风速(即风速测量)。而现有的技术在风速测量之前需要单独测量灵敏度，或者依靠其他探测资料进行标定。
本发明可以快速改变发射波长，经时序切换得到三种不同发射波长的激光脉冲，频率分别锁定在鉴频器同一吸收线的谷底和两侧斜边的中心部位。因发射波长改变迅速，波长的变换频率相对于大气气溶胶的变化，时间上相当于三个波长同时工作，一个波长用来测量灵敏度，另两个波长用来测量风速信息；相当于同时获得了同一探测区域的三个不同发射波长的回波经过鉴频器的强度变化信息。谷底波长的滤波信息可以反演出风速测量所需的灵敏度信息；两侧斜边的波长滤波信息包含了频率变化的信息。相对于利用单一测量波长的频移信息还提高了灵敏度。
本发明的优点是将灵敏度的测量与风场的测量相同步，从而实现了对风场的实时测量，测量结果更为精确，而且在吸收线的两个边缘测量也可以提高灵敏度；更为重要的是，本发明由于实现了实时测量而实现了真正意义的移动风场测量。
附图说明
图1是本发明采用光开关切换的方案的结构示意图。
图2是本发明采用声光移频器的方案的结构示意图。
图3是本发明注入脉冲激光器的三个种子光波长与鉴频器的碘分子1109吸收线的位置示意图。
其中，1.脉冲激光器，2.扩束镜，3.反射镜，4.望远镜，5.分束器，6.鉴频器，7.光电探测器a，8.光电探测器b，9.数据采集系统，10.计算机，11.种子激光器a，12.种子激光器b，13.种子激光器c，14.光开关切换，15.种子激光器，16.声光移频器，17.合束器，18.吸收线，19.三种注入光波长。
具体实施方式
如图1所示，本发明的采用光开关切换的方案，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器5的望远镜4，该分束器5将望远镜4收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a 7进入数据采集系统9，另一份经鉴频器6、光电探测器b 8进入数据采集系统9，以及与数据采集系统9相连的内含控制程序的计算机10，其特征在于所述的发射系统包括对种子激光器a 11、种子激光器b 12和种子激光器c 13进行选择、并将激光注入脉冲激光器1的光开关切换14，所述的脉冲激光器1经扩束镜2、反射镜3将激光向大气发射；所述的光开关切换14经由上述计算机10控制。
上述计算机10通过内含的控制程序在时序上变换注入脉冲激光器的种子光波长。
如图2所示，本发明的采用声光移频器的方案，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器5的望远镜4，该分束器5将望远镜4收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a 7进入数据采集系统9，另一份经鉴频器6、光电探测器b 8进入数据采集系统9，以及与数据采集系统9相连的内含控制程序的计算机10，其特征在于所述的发射系统包括改变种子激光器15出射光、并通过合束器17将该出射光注入脉冲激光器1的声光移频器16，所述的脉冲激光器1经扩束镜2、反射镜3将激光向大气发射；所述的声光移频器16经由上述计算机10控制。
上述计算机10通过内含的控制程序在时序上变换注入脉冲激光器的种子光波长。
上述的鉴频器6为基于分子或者原子吸收光谱的鉴频器，或基于光学标准具透过率谱线的鉴频器。如基于分子吸收光谱的鉴频器6是利用碘分子1109吸收线的波长范围在528.2nm～532.8nm内的鉴频器。
计算机10通过内含的控制程序控制光开关切换或声光移频器，在时序上变换注入脉冲激光器的种子光波长，所得到的三种注入光波长19如图3所示，分别在鉴频器的碘分子1109吸收线18的谷底和两侧斜边上。
上述脉冲激光器1可以采用已有脉冲激光器，如各种固体激光器、光纤激光器，单纵模稳频(波长为532.25nm)。例如，选用photonics公司的倍频Nd:YAG脉冲激光器，单脉冲能量600mJ，重复频率50KHz，采用种子注入技术。
上述望远镜4可采用反射式、折射式、折反式等通用望远镜，如美国Celestron公司生产的820mm卡塞格伦望远镜。扩束镜2可选用10倍扩束的即可。
上述分束器5可采用已有的光纤分束器，将接受光分为两束。
鉴频器6，可采用分子鉴频器或者原子鉴频器，如已有并成熟的碘分子滤波技术，采用通光口径大于光束的15cm长碘池。
上述光电探测器a7、和光电探测器b8，为同一型号种类的光电探测器件，可以选用高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)，如滨淞光子公司的光电倍增管Electron tubes 9893/350。
数据采集系统9，可选用德国Licel公司的TR16-160数据采集系统。
种子激光器a11、种子激光器b12、种子激光器c13和种子激光器15可以用已有的高性能单纵模激光器。如美国Photonics公司的DS10-532-SLM-01型激光器，工作波长1064ns，功率500mW。
光开关切换14可以使用成熟的通讯用光开关，如国内科毅光通信科技有限公司的M×N光开关型号。
声光移频器16可以使用美国Brimrose公司生产的IPF-400-200型号声光移频器，能够满足移频范围。
合束器17使用普通的合束器即可，将三路光合为一束。
测量时，本发明的种子激光器a11、种子激光器b12、种子激光器c13经过光开关切换14在时序上变换注入脉冲激光器1的种子光，或者种子激光器15经过声光移频器16在时序上进行频率搬移变换，经合束器17注入脉冲激光器1的种子光，变换脉冲激光器1的发射波长。脉冲激光器1发射的光束经过扩束镜2进行扩束，以压缩发散角，经过反射镜3发射到大气当中，被大气分子或者气溶胶散射。风的存在使大气分子和气溶胶整体宏观的运动，会使散射光的中心频率产生多普勒频移。回波信号经过望远镜4收集后，经过分束器5将光分成两份，一份进入参考通道，经光电探测器a7，数据采集系统9得到强度数据；另一份进入测量通道，经过鉴频器6进入光电探测器b8，数据采集系统9得到强度数据。数据处理计算机10存储数据采集系统9所得数据，并提供数据处理所需要的发射波长信息。发射波长为鉴频器吸收线18的谷底时，参考通道和测量通道的数据结合可以得到分子散射和气溶胶散射的强度，进而得出灵敏度；发射波长为鉴频器吸收线18的两侧斜边时，参考通道和测量通道的数据结合得出吸收后能量的变化，结合灵敏度得出风速，进而演算出风场。

Claims (4)

1.一种三波长实时定标激光雷达装置，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器(5)的望远镜(4)，该分束器(5)将望远镜(4)收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a(7)进入数据采集系统(9)，另一份经鉴频器(6)、光电探测器b(8)进入数据采集系统(9)，以及与数据采集系统(9)相连的内含控制程序的计算机(10)，其特征在于所述的发射系统包括对种子激光器a(11)、种子激光器b(12)和种子激光器c(13)进行选择、并将激光注入脉冲激光器(1)的光开关切换(14)，所述的脉冲激光器(1)经扩束镜(2)、反射镜(3)将激光向大气发射；所述的光开关切换(14)经由上述计算机(10)控制。
2.一种三波长实时定标激光雷达装置，包括向大气发射激光束的发射系统，配有分束器(5)的望远镜(4)，该分束器(5)将望远镜(4)收集的散射光分成两份，一份经光电探测器a(7)进入数据采集系统(9)，另一份经鉴频器(6)、光电探测器b(8)进入数据采集系统(9)，以及与数据采集系统(9)相连的内含控制程序的计算机(10)，其特征在于所述的发射系统包括改变种子激光器(15)出射光、并通过合束器(17)将该出射光注入脉冲激光器(1)的声光移频器(16)，所述的脉冲激光器(1)经扩束镜(2)、反射镜(3)将激光向大气发射；所述的声光移频器(16)经由上述计算机(10)控制。
3.如权利要求1或2所述的三波长实时定标激光雷达装置，其特征在于上述计算机(10)内的控制程序在时序上变换注入脉冲激光器(1)的种子光波长。
4.如权利要求1或2所述的三波长实时定标激光雷达装置，其特征在于上述的鉴频器(6)为基于分子或者原子吸收光谱的鉴频器，或基于光学标准具透过率谱线的鉴频器。
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