CN102707292A

CN102707292A - 2μm车载相干激光测风雷达系统

Info

Publication number: CN102707292A
Application number: CN2012102316599A
Authority: CN
Inventors: 李彦超; 王春晖
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2012-10-03

Abstract

2μm车载相干激光测风雷达系统，涉及一种2μm相干激光测风雷达系统，它是为了适应2μm车载相干测风激光雷达系统的需求。系统输入的本振光束经一号分光镜分成一号光束和二号光束，一号光束经会聚透镜、声光移频器输入至脉冲激光放大器，脉冲激光放大器发出脉冲激光并经二号分光镜分成三号光束和四号光束；二号光束经二号1/2波片、二号耦合器后经分束器分为五号光束和六号光束；三号光束经二号1/2波片、一号耦合器后与五号光束合为一束并传输至探测器；四号光束经预扩束镜、偏振分光棱镜、1/4波片、次镜、主镜后入射至探测目标并返回，并与六号光束合成一束并传输至平衡式探测器的两个光敏面上。本发明适用于相干激光测风雷达的车载应用。

Description

2μm车载相干激光测风雷达系统

技术领域

本发明涉及一种2μm相干激光测风雷达系统。

背景技术

从国外激光测风雷达发展趋势可以看出，其所使用的激光光源经历了从气体到固体激光器的发展历程，即工作波长从最开始的10.6μm发展到后来的1.06μm、1.55μm和2μm。2μm固体激光器增益介质通常为掺铥和掺钬晶体，这个波段的激光对于人眼的伤害阈值较其它波段的激光要高，并且2μm波段二极管泵浦固体激光器为目前公认的相干激光雷达最佳匹配波长。而2μm波段对人眼安全、是很好的大气窗口，并且具有很强的保密性，因此2μm相干激光测风雷达成为目前国际上研究的热点课题之一。

而对于2μm车载相干测风激光雷达系统，由于其车身内部空间有限，因此需要合理利用车身内部的有限空间。所以在实验方案建立过程中，主要考虑各部分子系统在不影响自身性能的情况下要尽量的小型化和轻量化，以满足2μm车载相干测风激光雷达系统的需要。目前，车载相干测风激光雷达系统的光路调节难度较大，而且难以克服光在自由空间传输造成的退偏现象。

发明内容

本发明是为了适应2μm车载相干测风激光雷达系统的需求，从而提供一种2μm车载相干激光测风雷达系统。

2μm车载相干激光测风雷达系统，它包括一号分光镜、会聚透镜、声光移频器、脉冲激光放大器、二号分光镜、一号1/2波片、一号耦合器、一号合束器、探测器、二号1/2波片、二号耦合器、分束器、预扩束镜、偏振分光棱镜、1/4波片、次镜、主镜、三号耦合器、二号合束器、平衡式探测器、中频放大器、A/D转换器和FPGA；

系统输入的本振光束光经一号分光镜分成一号光束和二号光束，所述一号光束经会聚透镜聚焦至声光移频器中的2μm声光调制器晶体中心，并产生布拉格衍射光束，并输入至脉冲激光放大器的光输入端，脉冲激光放大器发出脉冲激光，所述脉冲激光入射至二号分光镜，经二号分光镜分成三号光束和四号光束；

二号光束经二号1/2波片透射后入射至二号耦合器的光输入端；经二号耦合器耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至分束器的光输入端，并经分束器分为五号光束和六号光束；六号光束通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器的光输入端；五号光束通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器的光输入端；

三号光束经二号1/2波片透射后入射至一号耦合器的光输入端；经一号耦合器耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器的光输入端；五号光束与三号光束经一号合束器合为一束光，该束光通过2μm单模保偏光纤传输至探测器的光输入端；

四号光束经预扩束镜扩束后入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射后入射至1/4波片，经1/4波片透射后入射至次镜，经次镜反射至主镜，经主镜反射后入射至由X方向扫描镜和Y方向扫描镜组成的二维扫描器，并产生二维扫描光束，所述二维扫描光束入射至探测目标后，后向散射产生信号光，所述信号光沿与二维扫描光束相反的光路返回，并入射至主镜，经主镜反射至次镜，经次镜反射至1/4波片，经1/4波片透射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分成透射的七号光束和反射的八号光束；所述透射的七号光束沿与四号光束相反的光路返回至脉冲激光放大器；

反射的八号光束经三号耦合器耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器的光输入端；所述六号光束和八号光束经二号合束器合成一束光束，所述二号合束器将该束光束通过2μm单模保偏光纤传输至平衡式探测器的两个光敏面上；

所述平衡式探测器的频率信号输出端与中频放大器的频率放大信号输入端连接；所述中频放大器的频率信号输出端与A/D转换器的模拟量输入端连接；所述A/D转换器的数字量输出端与FPGA的数字量输入端连接。

本发明不仅可以满足系统小型化和轻量化的要求，而且系统中采用柔性光纤连接内部光路，不仅使光路调节变得容易，而且可以克服光在自由空间传输造成的退偏现象。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是16m距离处回波产生的拍频信号的波形示意图；图3是96m处回波产生的拍频信号的波形示意图。

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，2μm车载相干激光测风雷达系统，它包括一号分光镜2、会聚透镜3、声光移频器4、脉冲激光放大器5、二号分光镜6、一号1/2波片7、一号耦合器8、一号合束器9、探测器10、二号1/2波片11、二号耦合器12、分束器13、预扩束镜14、偏振分光棱镜15、1/4波片16、次镜17、主镜18、三号耦合器19、二号合束器20、平衡式探测器21、中频放大器22、A/D转换器23和FPGA24；

系统输入的本振光束光经一号分光镜2分成一号光束和二号光束，所述一号光束经会聚透镜3聚焦至声光移频器4中的2μm声光调制器晶体中心，并产生布拉格衍射光束，并输入至脉冲激光放大器5的光输入端，脉冲激光放大器5发出脉冲激光，所述脉冲激光入射至二号分光镜6，经二号分光镜6分成三号光束和四号光束；

二号光束经二号1/2波片12透射后入射至二号耦合器13的光输入端；经二号耦合器13耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至分束器13的光输入端，并经分束器13分为五号光束和六号光束；六号光束通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器20的光输入端；五号光束通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器9的光输入端；

三号光束经二号1/2波片7透射后入射至一号耦合器8的光输入端；经一号耦合器8耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器9的光输入端；五号光束与三号光束经一号合束器9合为一束光，该束光通过2μm单模保偏光纤传输至探测器10的光输入端；

四号光束经预扩束镜14扩束后入射至偏振分光棱镜15，经偏振分光棱镜15透射后入射至1/4波片16，经1/4波片16透射后入射至次镜17，经次镜17反射至主镜18，经主镜19反射后入射至由X方向扫描镜26和Y方向扫描镜27组成的二维扫描器，并产生二维扫描光束，所述二维扫描光束入射至探测目标后，后向散射产生信号光，所述信号光沿与二维扫描光束相反的光路返回，并入射至主镜18，经主镜18反射至次镜17，经次镜17反射至1/4波片16，经1/4波片16透射至偏振分光棱镜15，经偏振分光棱镜15分成透射的七号光束和反射的八号光束；所述透射的七号光束沿与四号光束相反的光路返回至脉冲激光放大器5；

反射的八号光束经三号耦合器19耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器20的光输入端；所述六号光束和八号光束经二号合束器20合成一束光束，所述二号合束器20将该束光束通过2μm单模保偏光纤传输至平衡式探测器21的两个光敏面上；

所述平衡式探测器21的频率信号输出端与中频放大器22的频率放大信号输入端连接；所述中频放大器22的频率信号输出端与A/D转换器23的模拟量输入端连接；所述A/D转换器23的数字量输出端与FPGA24的数字量输入端连接。

FPGA24的对数据处理的过程：经过A/D采用后的数字信号，送到FPGA进行数字化处理即利用FPGA实现数字域的奇偶抽取多相滤波，得到正交I、Q两路信号，对两路正交信号进行处理可以得到幅度和多普勒频率信息，根据频率和风速的数学关系，最终可以得到待测区域的风速和风向。

具体实施方式二、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，它还包括显示器25，所述显示器25的显示信号输入端与FPGA24的显示信号输出端连接。

具体实施方式三、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，系统输入的本振光束的功率为0.40mW。

具体实施方式四、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，系统输入的本振光束采用本振激光器1发出。

具体实施方式五、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，系统输入的本振光束采用型号为MXL-III-532的绿光固体激光器发出。

具体实施方式六、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，绿光固体激光器的输出功率为30mW，波长为532nm，光斑直径为2mm。

具体实施方式七、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，本振激光器1的工作波长为2μm；工作介质为Ho:YAG；本振光功率为5mW；激光单脉冲能量为2mJ；脉宽为300ns；重频为100Hz；短期频率稳定性为10^-8。

具体实施方式八、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，平衡式探测器21采用2μm InGaAs平衡式光电探测器。

具体实施方式九、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，平衡式探测器21的带宽是150MHz；增益为20dB；灵敏度为1A/W。

具体实施方式十、本具体方式与具体实施方式一所述的2μm车载相干激光测风雷达系统的区别在于，于X方向扫描镜26和Y方向扫描镜27上都镀有反射率为99%的高反膜。

工作原理：1)信号光路。连续(CW)本振激光器发射一束频率为f_LO水平(或垂直)线偏振激光，经分光镜BS1后按照事先设计好的分光比分成两束，大部分光能透过会聚透镜聚焦到2μm声光调制器晶体中心，经布拉格衍射后的1级光注入到脉冲激光放大级中，此时激光频率为f₀＝f_LO+f_AOM，脉冲激光放大级发射一定重复频率的脉冲激光。发射的脉冲光经过分光镜BS2后又分为两束，一小部分能量被反射经过1/2波片后被2μm单模保偏光纤耦合器1耦合进2μm单模保偏光纤中，透射的大部分能量进入预扩束镜BCT(由L₁和L₂组成)，经扩束准直的脉冲光完全透过偏振分光棱镜PBS和1/4波片QWP后原来的水平(或垂直)线偏振光变为圆偏振光，并通过光学天线次镜和主镜，经光学天线扩束后的脉冲光入射到X/Y扫描器中(图中未画出)，其产生的二维扫描光束发射到探测目标区域。探测目标后向散射产生的信号光按原光路返回，再一次透过1/4波片后使圆偏振光变为近似垂直(或水平)的线偏振光经分光棱镜PBS使信号光的偏振态被校正成垂直(或水平)线偏振光后反射到2μm单模保偏光纤耦合器2上，这部分信号光被耦合进2μm单模保偏光纤中作为待测信号光。

2)本振光路。被分光镜BS1反射的那部分光透过1/2波片HWP后，原来的水平(或垂直)线偏振光旋转90°，变成垂直(或水平)线偏振光，并经过2μm单模保偏光纤耦合器3耦合进2μm单模保偏光纤中，其光纤输出端与分束器输入端相连，经分束器将本振光分为两部分，其中一部分本振光和待测信号光与2×2的2μm单模保偏光纤合束器输入端相连，经合束器合束后按照一定比例分配给2μm平衡式光电探测器的两个入射端口，两束光在平衡式光电探测器的两个光敏面上发生混频并且都产生频率为f_IF2＝f₀+f_d-f_LO＝f_d+f_AOM的差频信号(f_d为多普勒频移)，此2μm平衡式光电探测器作为信号检测用；另一部分本振光和2μm单模保偏光纤耦合器1耦合到光纤中的脉冲光与2×1的2μm单模保偏光纤合束器输入端口相连，经合束器后两束光汇合后2μm光电探测器光敏面上混频，产生频率为f_IF1＝f₀-f_LO＝f_AOM差频信号，此2μm光电探测器的作用是监测脉冲激光器的频率稳定性。2μm相干激光测风雷达实验装置的主要技术指标如表1所示。

与国内外类似的激光雷达系统光路相比，本发明在光路调节过程中，利用与本振光偏振方向成45°的1/2波片来改变本振光的偏振方向从而使本振光与信号光之间形成良好的偏振匹配。同时，由于光纤器件的应用，不仅使系统小型化，而且本振光和信号光同在一根单模保偏光纤中传输，而单模光纤只有一个模式，所以在单模光纤中，光是沿着轴向传播的，这使得外差探测系统容易满足相位匹配的条件。而2μm声光移频器一级光的输出使探测光场附加了105MHz的频率，这不仅可以克服1/f噪声对外差探测信噪比的影响，而且可使探测的风速带宽的中心频率从0Hz平移到105MHz，有利于风向的判断。

同时，在实际光学设计中，分光镜BS1和BS2均为高透镜，二者的表面和反射面都镀增透膜；偏振分光棱镜PBS的端面镀增透膜，而反射面镀偏振膜起到偏振隔离的作用，且BS1、BS2和PBS的输入和输出端面之间人为地设置一个夹角，很好地避免了因本振光在镜片端面上的多次反射带来的噪声干扰。

外差信号的采集与分析：为了验证外差探测系统方案的可行性，根据实验方案搭建本论文所需的外差探测系统的光路。由于2μm激光器的波长处于近红外波段，因此对于人眼是不可见的，为了更好地使雷达发射机和接收机中光学元件共轴，利用长春新产业光电技术有限公司生产的绿光固体激光器，其型号为MXL-III-532，输出功率为30mW，波长为532nm处于可见光波段，其颜色为绿色，光斑直径为2mm，用这台激光器作为光路共轴调节的指示光。在光路调试过程中，首先需将指示光与2μm红外激光共轴合束，这样只要指示光的位置确定，则2μm红外激光的位置便随之确定了。

在指示光与2μm红外激光精确合束的基础上，便可以利用指示光对激光雷达光学天线系统和接收机中的光学元件进行共轴调节，而对2μm相干激光测风雷达系统中光学天线系统装调的关键是将其与发射激光光束进行共轴调节即可。同理，预扩束系统也是如此，利用指示光源将其光轴与发射激光光束的光轴调节重合即可。

2μm单模保偏光纤耦合器的装调也是整个系统调节的一个难点，耦合器的耦合效率对自聚焦透镜和单模光纤之间的轴间间距x₀和自聚焦透镜轴线和单模光纤轴线之间的夹角θ非常敏感，这就间接说明在耦合器的调试过程中要特别注意耦合器俯仰、横向和纵向的调节，这样便可以使光束高效率的耦合进2μm单模保偏光纤中。在实际装调过程中，先调节合作目标使其与发射机发射的探测光束光轴垂直，这样便可以保证探测光束能够按照原光路返回。在此基础上就可以进行耦合器的装调了，细心调节直到耦合效率达到设计要求为止，然后对调整机构点胶固定。

2μm相干激光测风系统中的其它光学元件可以很容易地通过指示光进行共轴调节，这里不做过多的介绍。

根据如图1所设计的实验方案对2μm相干激光测风雷达各光学子系统进行光路联调，在各子系统自身调节满足设计要求的基础上，通过联调使各光学子系统满足共轴要求。联调完毕之后，分别在距离雷达系统16m和96m处放置孔径为Φ200mm的平面反射镜作为合作目标。调节雷达的探测光束使其照射到合作目标上，精确调节合作目标使反射光沿原光路返回，将返回的光作为信号光，为了防止2μm平衡式光电探测器出现饱和现象，在信号光路中放置衰减片对信号光功率进行衰减，并将衰减后的信号光耦合进2μm单模保偏光纤中，此时信号光与本振光合束后在探测器光敏面上产生拍频信号。

实验过程中，将本振光功率的大小设置为0.40mW，其实验测得的16m和96m工作距离处外差信号波形分别如图2和图3所示。从图2中可以看出，当探测目标处于近距离16m处时，在示波器所观察到的中频外差信号幅度比较强，且调制信号比较明显，即调制深度比较大，能够明显地观察到105MHz的包络调制信号。对这个包络进行FFT解调便可以得到中频外差信号的频率。同时，通过上位机对采集到的外差信号所对应的.dat数据进行处理，最终得到外差信号的信噪比为45.16dB。

而从图3中可以看出，由于探测目标的距离增加到96m，外差信号的幅度减小。图5中的第一个包络是激光器出光的触发信号，第二个是信号光与本振光拍频后产生的时域中频外差信号，相对于触发信号有一个延时，其延时时间便是探测光束往返的时间τ＝2R/c(R为探测目标的距离，c为真空中的光速)，并且中频外差信号的包络中也存在105MHz的调制信号，此信号经过快速傅里叶变换后便得到中频外差信号的频谱，即得到中频外差信号的频率。但是与图2相比，其调制深度变小，这与外差探测理论是相符的。

与此同时，通过图2和图3相比较可以看到，图2中观察不到触发信号，原因在于2μm相干激光测风雷达存在探测盲区，在16m的探测距离范围内无法区分两个信号，即两个信号发生重叠。同样，通过上位机对采集到的.dat数据进行处理，最终得到外差信号的信噪比为43.91dB，与16m处的合作目标产生的外差信号相比信噪比降低了1.25dB，说明随着探测距离的增加，外差信号的信噪比降低了，即探测器收集到探测目标的后向散射信号减小了，这与相干激光雷达探测的距离方程理论相符。

需要说明的是，由于国内从事2μm脉冲激光器研究工作起步比较晚，目前只有本论文所采用的自研的2μm脉冲激光器能量可以达到2mJ左右，但是受到频率稳定性的制约，其相干长度非常低在100m左右，所以本论文最远只探测到了96处合作目标的外差信号。

通过上面对不同距离处合作目标外差信号的探测和信噪比的对比分析可以看出，本发明所建立的实验方案是可行的，能够满足2μm相干激光测风雷达系统的要求，也为进一步外场实验奠定了坚实的基础。

Claims

1.2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征是：它包括一号分光镜（2）、会聚透镜（3）、声光移频器（4）、脉冲激光放大器（5）、二号分光镜（6）、一号1/2波片（7）、一号耦合器（8）、一号合束器（9）、探测器（10）、二号1/2波片（11）、二号耦合器（12）、分束器（13）、预扩束镜（14）、偏振分光棱镜（15）、1/4波片（16）、次镜（17）、主镜（18）、三号耦合器（19）、二号合束器（20）、平衡式探测器（21）、中频放大器（22）、A/D转换器（23）和FPGA（24）；

系统输入的本振光束经一号分光镜（2）分成一号光束和二号光束，所述一号光束经会聚透镜（3）聚焦至声光移频器（4）中的2μm声光调制器晶体中心，并产生布拉格衍射光束，并输入至脉冲激光放大器（5）的光输入端，脉冲激光放大器（5）发出脉冲激光，所述脉冲激光入射至二号分光镜（6），经二号分光镜（6）分成三号光束和四号光束；

二号光束经二号1/2波片（11）透射后入射至二号耦合器（12）的光输入端；经二号耦合器（12）耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至分束器（13）的光输入端，并经分束器（13）分为五号光束和六号光束；六号光束通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器（20）的光输入端；五号光束通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器（9）的光输入端；

三号光束经二号1/2波片（7）透射后入射至一号耦合器（8）的光输入端；经一号耦合器（8）耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至一号合束器（9）的光输入端；五号光束与三号光束经一号合束器（9）合为一束光，该束光通过2μm单模保偏光纤传输至探测器（10）的光输入端；

四号光束经预扩束镜（14）扩束后入射至偏振分光棱镜（15），经偏振分光棱镜（15）透射后入射至1/4波片（16），经1/4波片（16）透射后入射至次镜（17），经次镜（17）反射至主镜（18），经主镜（19）反射后入射至由X方向扫描镜（26）和Y方向扫描镜（27）组成的二维扫描器，并产生二维扫描光束，所述二维扫描光束入射至探测目标后，后向散射产生信号光，所述信号光沿与二维扫描光束相反的光路返回，并入射至主镜（18），经主镜（18）反射至次镜（17），经次镜（17）反射至1/4波片（16），经1/4波片（16）透射至偏振分光棱镜（15），经偏振分光棱镜（15）分成透射的七号光束和反射的八号光束；所述透射的七号光束沿与四号光束相反的光路返回至脉冲激光放大器（5）；

反射的八号光束经三号耦合器（19）耦合后通过2μm单模保偏光纤传输至二号合束器（20）的光输入端；所述六号光束和八号光束经二号合束器（20）合成一束光束，所述二号合束器（20）将该束光束通过2μm单模保偏光纤传输至平衡式探测器（21）的两个光敏面上；

所述平衡式探测器（21）的频率信号输出端与中频放大器（22）的频率放大信号输入端连接；所述中频放大器（22）的频率信号输出端与A/D转换器（23）的模拟量输入端连接；所述A/D转换器（23）的数字量输出端与FPGA（24）的数字量输入端连接。

2.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于它还包括显示器（25），所述显示器（25）的显示信号输入端与FPGA（24）的显示信号输出端连接。

3.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于系统输入的本振光束的功率为0.40mW。

4.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于系统输入的本振光束采用本振激光器（1）发出。

5.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于系统输入的本振光束采用型号为MXL-III-532的绿光固体激光器发出。

6.根据权利要求5所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于绿光固体激光器的输出功率为30mW，波长为532nm，光斑直径为2mm。

7.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于本振激光器（1）的工作波长为2μm；工作介质为Ho:YAG；本振光功率为5mW；激光单脉冲能量为2mJ；脉宽为300ns；重频为100Hz；短期频率稳定性为10-8。

8.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于平衡式探测器（21）采用2μm InGaAs平衡式光电探测器。

9.根据权利要求6所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于平衡式探测器（21）的带宽是150MHz；增益为20dB；灵敏度为1A/W。

10.根据权利要求1所述的2μm车载相干激光测风雷达系统，其特征在于X方向扫描镜（26）和Y方向扫描镜（27）上都镀有反射率为99％的高反膜。