CN103162847B - 一种双边缘测风激光雷达鉴频系统及鉴频方法 - Google Patents

Abstract

一种双边缘测风激光雷达鉴频系统及鉴频方法，本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及激光雷达的鉴频技术。本发明所述鉴频系统及鉴频方法为用一个偏振分光棱镜将一束光分成两束，两个光电倍增管分别对两束光进行检测，扩束镜对其中一束光进行扩束，再用偏振分光棱镜将两束光合束，经单厚度空气隙法柏干涉仪后，用两个全反射镜对两束入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束角度进行调节，构造双边缘结构，用偏振分光棱镜对经干涉仪后的光束进行分光，再用两个光电倍增管对光束进行检测，通过光电倍增管检测光束的信号值获得法柏干涉仪的透过率，根据透过率变化获得频移量，实现鉴频。本发明适用于激光鉴频领域。

Description

一种双边缘测风激光雷达鉴频系统及鉴频方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及激光雷达的鉴频技术。

背景技术

直接探测多普勒激光雷达是一种可以对全球大气风场进行探测的系统。其工作方式主要包括基于菲索干涉仪的条纹成像技术和基于法柏干涉仪的双边缘技术等。其中双边缘技术由于相对成本低精度高等特点受到很多的关注。但是通常的双边缘系统是把同一个空气隙法柏干涉仪分成两个不同区域，并利用镀膜技术使这两个区域拥有几十纳米量级的厚度差，这样就构造了两个信号通道从而构造双边缘结构。但此种方法就需要整倍增大F-P干涉仪的面积以及精确的在纳米量级控制两个通道的厚度差，从而增加了FP干涉仪的加工难度和成本。于是有人提出利用单厚度固体法柏干涉仪，通过改变光束的入射方向来构造双边缘系统。这样就解决高成本和加工难度的问题。此种方法利用整体改变两束光的入射角度来进行工作点的锁定，但整个鉴频曲线F-P透过率曲线的形状会随入射角度而变化，所以很难得到应用，而且此种方的两个通道的峰值透过率严重不对称，也会使它的测量精度会低于空气隙双厚度隙法柏干涉仪的测量精度。

现有利用单厚度固体法柏干涉仪的测风激光雷达鉴频系统及其实现方法存在的问题是，在对激光频率进行锁定时鉴频曲线形状会发生变化，很难将此种方法在实际中进行应用，且两个通道的光束透过率不对称造成测量精度低。

发明内容

本发明为了解决现有的单厚度固体法柏干涉仪的测风激光雷达鉴频系统，由于两个通道的光束透过率不对称造成测量精度低的问题，提出了一种双边缘测风激光雷达鉴频系统及鉴频方法。

一种双边缘测风激光雷达鉴频系统，该系统包括多模光纤、一号扩束镜、一号偏振分棱镜、一号全反射镜、一号分束镜、一号聚焦透镜、一号光电倍增管、二号分束镜、二号聚焦透镜、二号光电倍增管、二号扩束镜、二号全反射镜、二号偏振分光棱镜、单厚度空气隙法柏干涉仪、三号偏振分光棱镜、三号聚焦透镜、三号光电倍增管、四号聚焦透镜和四号光电倍增管；

所述多模光纤导入的激光束入射到一号扩束镜，经扩束后的激光束经一号偏振分光棱镜分为P光束和S光束，P光束经一号全反射镜反射至一号分束镜，经一号分束镜反射的P光束经一号聚焦透镜汇聚并入射到一号光电倍增管的光接收端，经一号分束镜透射的P光束入射至二号偏振分光棱镜；

经一号偏振分光棱镜分出的S光束经二号分束镜反射的S光束经二号聚焦透镜汇聚并入射到二号光电倍增管的光接收端，经二号分束镜透射的S光束经二号扩束镜扩束后入射至二号全反射镜，经二号全反射镜反射的S光束入射至二号偏振分光棱镜；

经二号偏振分光棱镜透射的P光束与反射的S光束合束后经单厚度空气隙法柏干涉仪干涉后的光束入射到三号偏振分光棱镜，经三号偏振分光棱镜分出的P光束经三号聚焦透镜汇聚并入射至三号光电倍增管的光接收端，经三号偏振分光棱镜分出的S光经三号聚焦透镜汇聚并入射至四号光电倍增管的光接收端；

经二号偏振分光棱镜后的P光束与S光束一起经单厚度空气隙法柏干涉仪14干涉后的光束入射到三号偏振分光棱镜，经三号偏振分光棱镜分出的P光束经三号聚焦透镜汇聚并入射至三号光电倍增管的光接收端，经三号偏振分光棱镜分出的S光经三号聚焦透镜汇聚并入射至四号光电倍增管的光接收端；

采用上述一种双边缘测风激光雷达鉴频系统实现鉴频的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用多模光纤将大气回波光束或雷达射出的激光束导入基于单厚度空气隙法柏干涉仪的双边缘测风激光雷达的鉴频系统；

步骤二、一号光电倍增管对经一号偏振分光棱镜获得的P光束进行能量检测，获得此时P光信号的信号值S1，

同时二号光电倍增管对经一号偏振分光棱镜获得的S光束进行能量检测，获得此时S光信号的信号值S2；

步骤三、调节一号全反射镜使入射一号全反射镜的P光束经一号分束镜和二号偏振分光棱镜垂直入射至单厚度空气隙法柏干涉仪；

调节二号全反射镜使入射二号全反射镜的S光束经二号偏振分光棱镜以1.31mrad入射至单厚度空气隙法柏干涉仪；

步骤四、三号光电倍增管对经三号偏振分光棱镜后的P光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪干涉后的P光信号的信号值S3；

同时四号光电倍增管对经三号偏振分光棱镜后的S光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪干涉后的S光信号的信号值S4；

步骤五、利用步骤四获得的P光束的信号值S3与步骤二获得P光束的信号值S1，通过公式：

$T_1=\frac{a_1{S}_3}{(1-a_1)S_1}---\left(1\right)$

获得垂直入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束的透过率T₁，式中，a₁为一号分束镜的反射率；

同时，利用步骤四获得的S光束的信号值S4与步骤二获得S光束的信号值S2，通过公式：

$T_1=\frac{a_2{S}_4}{(1-a_2)S_2}---\left(2\right)$

获得斜射入单厚度空气隙法柏干涉仪14的光束的透过率T₂，式中，a₂为二号分束镜的反射率；

步骤六、绘制入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光和S光的透过率与频移性能曲线，利用压电陶瓷调节单厚度空气隙法柏干涉仪的厚度进而整体移动入射单厚度空气隙法柏干涉仪的峰值透过率的位置，令入射系统的激光的频率与入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光和S光的透过率与频移性能曲线的交点频率相等，实现测风激光雷达的鉴频系统的工作点的锁定；

步骤七、通过步骤五检测获得的S光束透过率T₁和P光束透过率T₂，以步骤六锁定的工作点为参照点，检测入射系统的的激光束的频率移动量，实现对大气回波光束或雷达射出的激光束的鉴频。

本发明使两束光以小角度和垂直入射同一单厚度空气隙法柏干涉仪构造双边缘鉴频结构，对斜入射光束进一步扩束提高了系统透过率曲线的对称性达到提高探测精度的目的，与现有的单厚度固体隙法柏干涉仪的测风激光雷达鉴频系统的测量精度相比提高了150％。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的双边缘测风激光雷达鉴频系统的结构示意图；

图2是具体实施方式三步骤六所述的入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光和S光的透过率-频移性能曲线，图中，

曲线a为P光束以0.5mrad视场角，垂直入射单厚度空气隙法柏干涉仪后的透过率-频率移动曲线，

曲线b为S光束以0.15mrad视场角,1.31mrad入射角入射单厚度空气隙法柏干涉仪后的透过率-频率移动曲线，

曲线c为S光束以0.3mrad视场角,1.31mrad入射角入射单厚度空气隙法柏干涉仪后的透过率-频率移动曲线，

曲线d为S光束以0.5mrad视场角,1.31mrad入射角入射单厚度空气隙法柏干涉仪后的透过率-频率移动曲线。

图3是具体实施方式四所述的入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束的透过率-频移性能曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种双边缘测风激光雷达鉴频系统，该系统包括多模光纤1、一号扩束镜2、一号偏振分棱镜3、一号全反射镜4、一号分束镜5、一号聚焦透镜6、一号光电倍增管7、二号分束镜8、二号聚焦透镜9、二号光电倍增管10、二号扩束镜11、二号全反射镜12、二号偏振分光棱镜13、单厚度空气隙法柏干涉仪14、三号偏振分光棱镜15、三号聚焦透镜16、三号光电倍增管17、四号聚焦透镜18和四号光电倍增管19；

所述多模光纤1导入的激光束入射到一号扩束镜2，经扩束后的激光束经一号偏振分光棱镜3分为P光束和S光束，P光束经一号全反射镜4反射至一号分束镜5，经一号分束镜5反射的P光束经一号聚焦透镜6汇聚并入射到一号光电倍增管7的光接收端，经一号分束镜5透射的P光束入射至二号偏振分光棱镜13；

经一号偏振分光棱镜3分出的S光束经二号分束镜8反射的S光束经二号聚焦透镜9汇聚并入射到二号光电倍增管10的光接收端，经二号分束镜8透射的S光束经二号扩束镜11扩束后入射至二号全反射镜12，经二号全反射镜12反射的S光束入射至二号偏振分光棱镜13；

经二号偏振分光棱镜13透射的P光束与反射的S光束合束后经单厚度空气隙法柏干涉仪14干涉后的光束入射到三号偏振分光棱镜15，经三号偏振分光棱镜15分出的P光束经三号聚焦透镜16汇聚并入射至三号光电倍增管17的光接收端，经三号偏振分光棱镜15分出的S光经三号聚焦透镜18汇聚并入射至四号光电倍增管19的光接收端。

本实施方式是对原有单厚度固体法柏干涉仪直接探测多普勒测风激光雷达鉴频系统的一种改进，采用两束不同偏振不同孔径的光束以垂直和小角度斜入射同一单厚度空气隙法柏干涉仪的方式构造双边缘鉴频结构。解决了传统双厚度法柏干涉仪双边缘系统成本高和加工难度大的难题。并且克服了普通单厚度固体法柏干涉仪双边缘结构，峰值透过率不对称以及工作点难以锁定的难题。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种双边缘测风激光雷达鉴频系统作进一步说明，所述一号分束镜5和二号分束镜8的反射率均为20％。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式是具体实施方式一所述一种双边缘测风激光雷达鉴频系统实现鉴频的方法的说明，该方法的具体步骤为：

步骤一、利用多模光纤1将大气回波光束或雷达射出的激光束导入基于单厚度空气隙法柏干涉仪14的双边缘测风激光雷达的鉴频系统；

步骤二、一号光电倍增管7对经一号偏振分光棱镜3获得的P光束进行能量检测，获得此时P光信号的信号值S1，

同时二号光电倍增管10对经一号偏振分光棱镜3获得的S光束进行能量检测，获得此时S光信号的信号值S2；

步骤三、调节一号全反射镜4使入射一号全反射镜4的P光束经一号分束镜5和二号偏振分光棱镜13垂直入射至单厚度空气隙法柏干涉仪14；

调节二号全反射镜12使入射二号全反射镜12的S光束经二号偏振分光棱镜13以1.31mrad入射至单厚度空气隙法柏干涉仪14；

步骤四、三号光电倍增管17对经三号偏振分光棱镜15后的P光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪14干涉后的P光信号的信号值S3；

同时四号光电倍增管19对经三号偏振分光棱镜15后的S光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪14干涉后的S光信号的信号值S4；

步骤五、利用步骤四获得的P光束的信号值S3与步骤二获得P光束的信号值S1，通过公式：

$T_1=\frac{a_1{S}_3}{(1-a_1)S_1}---\left(1\right)$

获得垂直入射单厚度空气隙法柏干涉仪14的光束的透过率T₁，式中，a₁为一号分束镜的反射率；

同时，利用步骤四获得的S光束的信号值S4与步骤二获得S光束的信号值S2，通过公式：

$T_1=\frac{a_2{S}_4}{(1-a_2)S_2}---\left(2\right)$

获得斜射入单厚度空气隙法柏干涉仪14的光束的透过率T₂，式中，a₂为二号分束镜的反射率；

步骤六、绘制入射法柏干涉仪的P光和S光的透过率与频移性能曲线，利用压电陶瓷调节单厚度空气隙法柏干涉仪的厚度进而整体移动入射法柏干涉仪的峰值透过率的位置，令入射系统的激光的频率与入射法柏干涉仪的P光和S光的透过率与频移性能曲线的交点频率相等，实现测风激光雷达的鉴频系统的工作点的锁定；

步骤七、通过步骤五检测获得的S光束透过率T₁和P光束透过率T₂，以步骤六锁定的工作点为参照点，检测入射系统的的激光束的频率移动量，实现对大气回波光束或雷达射出的激光束的鉴频。

由于单厚度空气隙法柏干涉仪透过滤峰值频率位置随厚度，角度的改变而发生变化，所以两束不同偏振的光以不同的角度入射他们的透过率峰值位置彼此会分开从而可以构造双边缘系统。但是透过率峰值的大小会随入射角度的增加而明显降低，所以这两束光的入射角度要求尽量小以达到高峰值透过率的要求，以提高多普勒频移测量精度，即一束垂直入射另一束小角度斜入射。但是这样也会存在问题就是斜入射光束的峰值透过率低于垂直光束的透过率，使双边缘结构不对称从而影响测量精度。由于单厚度空气隙法柏干涉仪的峰值透过率会随入射光束发散角，频率线宽以及干涉仪的表面缺陷的降低而升高。所以在其他条件不变的情况下可以很方便地通过对斜入射光束扩束压缩其发散角来提高其峰值透过率使此种双边缘结构的两个透过率峰值大小变的接近对称。另外利用压电陶瓷可以很容易的改变单厚度空气隙法柏干涉仪的厚度，从而整体移动两束光的峰值透过率位置，但不会明显改变峰值曲线的形状，把出射激光的频率锁定在两个边缘的交点上。

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式是具体实施方式三所述的一种双边缘测风激光雷达鉴频系统实现鉴频的方法的说明，步骤七所述的通过步骤五检测获得的S光束透过率T₁和P光束透过率T₂，以步骤六锁定的工作点为参照点，检测入射系统的大气回波光束或雷达射出的激光束的频率移动量，实现对大气回波光束或雷达射出的激光束的鉴频通过公式：

$\mathrm{\Δv}=\frac{T(v+\mathrm{\Δv})-T\left(v\right)}{2\mathrm{\β}\left(v\right)}---\left(3\right)$

获得，其入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束的透过率-频移性能曲线，如图3所示，其中，T(v)＝T₁(v)+T₂(v)，T(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束与S光束的在工作点频率v时对应光束的透过率，T₁(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束在工作点频率v时对应光束的透过率,T₂(v)为为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的S光束在工作点频率v时对应光束的透过率，

其中，T(v+△v)＝T₁(v+△v)+T₂(v+△v)，T(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束与S光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，T₁(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，T₂(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的S光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，β(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束的透过率与频移性能曲线边缘的斜率，△v为光束的频移量。

Claims (4)

1.一种双边缘测风激光雷达鉴频系统，其特征在于，该系统包括多模光纤(1)、一号扩束镜(2)、一号偏振分棱镜(3)、一号全反射镜(4)、一号分束镜(5)、一号聚焦透镜(6)、一号光电倍增管(7)、二号分束镜(8)、二号聚焦透镜(9)、二号光电倍增管(10)、二号扩束镜(11)、二号全反射镜(12)、二号偏振分光棱镜(13)、单厚度空气隙法柏干涉仪(14)、三号偏振分光棱镜(15)、三号聚焦透镜(16)、三号光电倍增管(17)、四号聚焦透镜(18)和四号光电倍增管(19)；

所述多模光纤(1)导入的激光束入射到一号扩束镜(2)，经扩束后的激光束经一号偏振分光棱镜(3)分为P光束和S光束，P光束经一号全反射镜(4)反射至一号分束镜(5)，经一号分束镜(5)反射的P光束经一号聚焦透镜(6)汇聚并入射到一号光电倍增管(7)的光接收端，经一号分束镜(5)透射的P光束入射至二号偏振分光棱镜(13)；

经一号偏振分光棱镜(3)分出的S光束经二号分束镜(8)反射的S光束经二号聚焦透镜(9)汇聚并入射到二号光电倍增管(10)的光接收端，经二号分束镜(8)透射的S光束经二号扩束镜(11)扩束后入射至二号全反射镜(12)，经二号全反射镜(12)反射的S光束入射至二号偏振分光棱镜(13)；

经二号偏振分光棱镜(13)透射的P光束与反射的S光束合束后经单厚度空气隙法柏干涉仪(14)干涉后的光束入射到三号偏振分光棱镜(15)，经三号偏振分光棱镜(15)分出的P光束经三号聚焦透镜(16)汇聚并入射至三号光电倍增管(17)的光接收端，经三号偏振分光棱镜(15)分出的S光经三号聚焦透镜(18)汇聚并入射至四号光电倍增管(19)的光接收端。

2.根据权利要求1所述的一种双边缘测风激光雷达鉴频系统，其特征在于，所述一号分束镜(5)和二号分束镜(8)的反射率均为20％。

3.权利要求1所述的一种双边缘测风激光雷达鉴频系统实现鉴频的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用多模光纤(1)将大气回波光束或雷达射出的激光束导入基于单厚度法柏干涉仪的双边缘测风激光雷达的鉴频系统；

步骤二、一号光电倍增管(7)对经一号偏振分光棱镜(3)获得的P光束进行能量检测，获得此时P光信号的信号值S1，

同时二号光电倍增管(10)对经一号偏振分光棱镜(3)获得的S光束进行能量检测，获得此时S光信号的信号值S2；

步骤三、调节一号全反射镜(4)使入射一号全反射镜(4)的P光束经一号分束镜(5)和二号偏振分光棱镜(13)垂直入射至单厚度空气隙法柏干涉仪(14)；

调节二号全反射镜(12)使入射二号全反射镜(12)的S光束经二号偏振分光棱镜(13)以1.31mrad入射至单厚度空气隙法柏干涉仪(14)；

步骤四、三号光电倍增管(17)对经三号偏振分光棱镜(15)后的P光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪(14)干涉后的P光信号的信号值S3；

同时四号光电倍增管(19)对经三号偏振分光棱镜(15)后的S光束进行能量检测，获得经单厚度空气隙法柏干涉仪(14)干涉后的S光信号的信号值S4；

步骤五、利用步骤四获得的P光束的信号值S3与步骤二获得P光束的信号值S1，通过公式：

$T_1\text{=}\frac{a_1{S}_3}{(1-a_1)S_1}---\left(1\right)$

获得垂直入射单厚度空气隙法柏干涉仪(14)的光束的透过率T₁，式中，a₁为一号分束镜的反射率；

同时，利用步骤四获得的S光束的信号值S4与步骤二获得S光束的信号值S2，通过公式：

$T_2=\frac{a_2{S}_4}{(1-a_2)S_2}---\left(2\right)$

获得斜射入单厚度空气隙法柏干涉仪(14)的光束的透过率T₂，式中，a₂为二号分束镜的反射率；

步骤六、绘制入射法柏干涉仪的P光和S光的透过率与频移性能曲线，利用压电陶瓷调节单厚度空气隙法柏干涉仪(14)的厚度进而整体移动入射单厚度空气隙法柏干涉仪(14)的峰值透过率的位置，令入射系统的激光的频率与入射单厚度空气隙法柏干涉仪(14)的P光和S光的透过率与频移性能曲线的交点频率相等，实现测风激光雷达的鉴频系统的工作点的锁定；

步骤七、通过步骤五检测获得的S光束透过率T₁和P光束透过率T₂，以步骤六锁定的工作点为参照点，检测入射系统的的激光束的频率移动量，实现对大气回波光束或雷达射出的激光束的鉴频。

4.根据利要求3所述的一种双边缘测风激光雷达鉴频系统实现鉴频的方法，其特征在于，步骤七所述的通过步骤五检测获得的S光束透过率T₁和P光束透过率T₂，以步骤六锁定的工作点为参照点，检测入射系统的大气回波光束或雷达射出的激光束的频率移动量，实现对大气回波光束或雷达射出的激光束的鉴频通过公式：

$\mathrm{\Δv}=\frac{T(v+\mathrm{\Δv})-T\left(v\right)}{2\mathrm{\β}\left(v\right)}---\left(3\right)$

获得，其中，T(v)＝T₁(v)+T₂(v)，T(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束与S光束的在工作点频率v时对应光束的透过率，T₁(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束在工作点频率v时对应光束的透过率,T₂(v)为为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的S光束在工作点频率v时对应光束的透过率，

其中，T(v+△v)＝T₁(v+△v)+T₂(v+△v)，T(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束与S光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，T₁(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的P光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，T₂(v+△v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的S光束的频率移量为△ν时对应光束的的透过率值，β(v)为入射单厚度空气隙法柏干涉仪的光束的透过率与频移性能曲线边缘的斜率，△v为光束的频移量。