CN103605124A - 一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统和方法，系统工作波长在1.5微米光通信波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件；在校准过程中，激光每经过环路一次后出射的激光频率相对于上一次从环路出射的激光频率产生固定的频率移动，从而使得入射到光纤Fabry-Perot干涉仪的激光脉冲频率以固定步长进行扫描，每一个不同频率的脉冲入射到干涉仪中得到对应的透过率，从而得到透过率曲线，完成激光雷达系统的校准。本发明在扫描频率的过程中，由于AOM调制频率的精确度可达一赫兹量级，所以扫描频率的步长可由两个声光调制器AOM2和AOM3精确控制，因此频率扫描精度很高；一次完整的扫描所需时间在微秒量级，所以校准速度非常快，可在雷达测风过程中实时进行校准。

Description

一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统和方法

技术领域

本发明属于直接探测测风激光雷达技术领域，具体涉及一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统和方法。

背景技术

现有的直接探测测风激光雷达系统的校准方法主要有以下几种：

中国科学技术大学的直接探测多普勒激光雷达在校准过程中采用改变标准具腔长的方式来扫描透过率曲线，从而达到校准目的。由

（式中δ为光程差，n为折射率，l为标准具腔长，θ＝0°是入射光与标准具反射表面法线的夹角，λ是入射光波长，ν是入射光频率，c是光速，m是条纹级数）知，如果ν变小的同时l变大，可以保持第m级条纹不变，所以通过改变腔长l，保持入射光频率ν不变，透过率会随l的变化而变化；通过对上式求微分，保持m不变，所以右端为零，可以得到：

最终可得

所以扫描标准具腔长时，腔长改变与透过率曲线频率移动的关系为 $\mathrm{\Δv}=-\frac{v}{l}\·\mathrm{\Δl}.$

Haute Provence天文台（法国）的Rayleigh-Mie多普勒雷达通过改变标准具腔体内的压强进而改变腔内折射率的方式来扫描透过率。由

知，在l不变的情况下，如果ν变小的同时n变大，可以保持第m级条纹不变，所以通过改变腔内折射率n，保持入射光频率ν不变，透过率会随折射率的变化而变化；通过对上式求微分，保持m不变，所以右端为零，可以得到：

最终可得

所以扫描腔内折射率n时，折射率改变与频率移动的关系为

作为由欧洲宇航局（ESA）发起的星载多普勒激光雷达项目的一部分，德国宇航局研制的A2D机载激光雷达通过改变激光器出射激光的频率来扫描透过率。但扫描激光器出射频率时，激光频率不够稳定，会引起校准和测风误差。该系统为了解决此问题，采用了QBUT（Q-switch build-up time）最小化方法来稳定激光频率，并增加一个激光器作为频率参考，通过相干拍频技术来测量频率移动的精确性。

现有的三种校准方法有以下缺点：扫描标准具腔长和扫描折射率的方法，在扫描过程中，由于标准具腔长或者折射率的改变会引起透过率半高宽FWHM的微小变化，所以会带来校准误差；扫描折射率的方法，由于扫描过程中需要对标准具腔内加压或者减压，这是一个缓慢的过程，所以扫描速度很慢；扫描激光器出射激光频率的方法，由于还要另加一个激光器作为参考光与出射激光进行拍频进而检测和稳定激光频率，所以需要复杂的光路结构、光学器件和稳频方法来稳定激光频率，才能将入射到标准具内的激光频率的抖动带来的校准误差控制在可接受的范围内。

发明内容

现有的直接探测多普勒激光雷达的校准方法中，扫描标准具腔长或者折射率的方法，在扫描过程中，标准具腔长或者折射率的改变会引起透过率半高宽FWHM的微小变化；扫描折射率的方法由于需要通过改变腔内气压来实现，所以扫描速度很慢；扫描激光器出射激光频率的方法，由于利用了两个激光器的出射光进行拍频进而检测和稳定激光频率，所以实现起来比较复杂和高成本。本发明采用的扫描入射到标准具内的激光频率的方法，主要需要解决的技术问题是：现有的扫描激光频率方法需要较为复杂和高成本的稳频技术；扫描腔长或折射率的方法会导致半高宽FWHM的变化；扫描腔长或折射率的速度很慢。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统。校准系统工作波长在1.5微米光通讯波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件。系统包括连续激光器，声光调制器AOM1，隔离器，偏振控制器PC，偏振分束器PBS，可调光延时器，声光调制器AOM2，可调光延时器，声光调制器AOM3，掺饵光纤放大器EDFA，环行器，光纤Bragg光栅FBG，延时光纤，隔离器，偏振控制器PC，分束器，光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI，第一单光子计数器SPCM，第二单光子计数器SPCM和示波器。连续激光器发射的连续光经过声光调制器AOM1后被调制为脉冲光，脉冲时间间隔为直接探测多普勒激光雷达中扫描鉴频器件的完整透过率曲线所需的时间，经过隔离器后，进入偏振控制器PC，将脉冲光调制为具有所需偏振特性的偏振光，偏振光由a端口进入偏振分束器PBS，分束器根据偏振光的偏振方向，将激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口出射，进入可调光延时器，通过调整声光调制器AOM1和声光调制器AOM2之间的光程，使得激光在AOM1和AOM2之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合。声光调制器AOM2将激光频率调制到-80MHz的位置，可调光延时器让激光在AOM2和AOM3之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合。声光调制器AOM3将激光频率调制到+(80MHz+Δν)的位置。因此，激光经过声光调制器AOM2和AOM3后，频率增加了Δν。发生Δν频移的激光经过掺饵光纤放大器EDFA进行一级放大后，由e端口进入环行器后由f端口出射进入光纤Bragg光栅FBG滤除EDFA自发辐射ASE背景噪声，滤除背景后的激光由f端口进入环行器，由g端口出射后经过延时光纤、隔离器，偏振控制器PC将激光调制为设定的偏振方向，偏振光由d端口进入偏振分束器PBS，分束器根据偏振控制器PC出射的偏振光的偏振方向，将发生Δν频移的激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口入射，进入相同环路，再次发生Δν的频率移动，以此类推，激光每在环路绕一圈后从b端口出射的激光频率都相对于上一圈出射的激光频率发生Δν的频率移动，且从b端口出射的相邻脉冲的时间间隔为激光绕环路一周所需时间。从b端口出射的脉冲序列依次入射到分束器，分束器将激光等比例分为两路，一路进入光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI后进入第一单光子计数器检测强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器检测入射到接收部分的激光强度。第一单光子计数器和第二单光子计数器获得的数据传输到示波器中，示波器根据所获得数据得到每一个频率的脉冲对应的透过率，进而得到FFPI的透过率曲线。

其中，由声光调制器AOM1调制的入射到a端口的脉冲，相邻的脉冲时间间隔为扫描一次鉴频器件的完整透过率曲线所需时间T₀。声光调制器AOM2和声光调制器AOM3所调制的脉冲的相邻脉冲时间间隔为激光每绕环路一周所需时间T₁。声光调制器AOM2和声光调制器AOM3的脉冲触发延时为Δt，需要将可调光延时器的延时调整到Δt，以保证两个声光调制器的触发前沿与入射的激光脉冲前沿对齐。b端口从出射第一个激光脉冲开始，每隔时间T₁，就出射一个激光脉冲，而且每次出射的激光频率都要比上一个脉冲的频率增加Δν。进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，一共扫描N步，共有N个频率以步长Δν递增的激光脉冲入射到接受部分，那么频率扫描范围为N·Δν，第N个从b端口输出的脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν，ν₁为从声光调制器AOM1出射的脉冲的频率。进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描需要扫描N步，总共所需时间为N·T₁，因此由声光调制器AOM1调制的入射到a端口的脉冲时间间隔T₀至少为N·T₁。

本发明另外提出一种快速系统校准方法，在校准过程中，对入射到光纤Fabry-Perot干涉仪的激光脉冲频率进行扫描，扫描频率的步长为Δν，扫描步数为N，第N个脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν。每一个不同频率的脉冲入射到干涉仪中得到对应的透过率，所以通过进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，可以得到N个等频率间隔的透过率值。进行一次完整的透过率曲线扫描的时间T₀的大小至少为N·T₁，经过多次重复的时长为T₀的完整的扫描，将每个频率对应的透过率的多次测量值求平均，再由求过平均的N个透过率值拟合出干涉仪的透过率曲线。

本发明的优点和积极效果为：

本发明公开一种工作波长在1.5微米光通讯波长的直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统和方法。由于在1.5微米光通信波长器件的技术和工艺成熟，所以在1.5微米实现测风激光雷达是未来发展的一个方向。该校准系统采用全光纤结构，体积小，重量轻，造价低。由于其高度集成的全光纤链路结构没有任何空间光学器件，所以适合机载和舰载等强振动、大温差的恶劣环境。

本发明在扫描频率的过程中，由于AOM调制频率的精确度可达1HZ量级，所以频率的步长Δν可由两个声光调制器AOM2和AOM3精确控制，因此频率扫描精度很高；一次完整的扫描所需时间T₀在微秒量级，所以校准速度非常快，可在雷达测风过程中实时进行校准。

附图说明

图1为校准系统原理图；

图2为系统的工作时序图；

图3为扫描透过率的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1显示了本发明的一个实施例的系统原理图。校准系统工作波长在1.5微米光通讯波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件。系统包括连续激光器11，声光调制器AOM112，隔离器13，偏振控制器PC14，偏振分束器PBS21，可调光延时器22，声光调制器AOM223，可调光延时器24，声光调制器AOM325，掺饵光纤放大器EDFA26，环行器27，光纤Bragg光栅FBG28，延时光纤29，隔离器210，偏振控制器PC211，分束器31，光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI32，第一单光子计数器SPCM33，第二单光子计数器SPCM34，示波器35。连续激光器11发射的连续光经过声光调制器AOM112后被调制为脉冲光，脉冲时间间隔为直接探测多普勒激光雷达中扫描鉴频器件的完整透过率曲线所需的时间，经过隔离器13后，进入偏振控制器PC14，将脉冲光调制为具有所需偏振特性的偏振光，偏振光由a端口进入偏振分束器PBS21，分束器根据偏振光的偏振方向，将激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口出射，进入可调光延时器22，通过调整声光调制器AOM112和声光调制器AOM223之间的光程，使得激光在AOM1和AOM2之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合。声光调制器AOM223将激光频率调制到-80MHz的位置，可调光延时器24让激光在AOM2和AOM3之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合。声光调制器AOM325将激光频率调制到+(80MHz+Δν)的位置。因此，激光经过声光调制器AOM223和AOM325后，频率增加了Δν。发生Δν频移的激光经过掺饵光纤放大器EDFA26进行一级放大后，由e端口进入环行器后由f端口出射进入光纤Bragg光栅FBG28滤除EDFA自发辐射ASE背景噪声，滤除背景后的激光由f端口进入环行器，由g端口出射后经过延时光纤29、隔离器210，偏振控制器PC211将激光调制为设定的偏振方向，偏振光由d端口进入偏振分束器PBS21，分束器根据偏振控制器PC211出射的偏振光的偏振方向，将发生Δν频移的激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口入射，进入相同环路，再次发生Δν的频率移动，以此类推，激光每在环路绕一圈后从b端口出射的激光频率都相对于上一圈出射的激光频率发生Δν的频率移动，且从b端口出射的相邻脉冲的时间间隔为激光绕环路一周所需时间。从b端口出射的脉冲序列依次入射到分束器31，分束器31将激光等比例分为两路，一路进入光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI32后进入第一单光子计数器33检测强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器34检测入射到接收部分的激光强度。第一单光子计数器33和第二单光子计数器34获得的数据传输到示波器35中，示波器35根据所获得数据得到每一个频率的脉冲对应的透过率，进而得到FFPI的透过率曲线。

如图2，为系统的工作时序图，由声光调制器AOM112调制的入射到a端口的脉冲，相邻的脉冲时间间隔为扫描一次鉴频器件的完整透过率曲线所需时间T₀。声光调制器AOM223和声光调制器AOM325所调制的脉冲的相邻脉冲时间间隔为激光每绕环路一周所需时间T₁。声光调制器AOM223和声光调制器AOM325的脉冲触发延时为Δt，需要将可调光延时器24的延时调整到Δt，以保证两个声光调制器的触发前沿与入射的激光脉冲前沿对齐。b端口从出射第一个激光脉冲开始，每隔时间T₁，就出射一个激光脉冲，而且每次出射的激光频率都要比上一个脉冲的频率增加Δν。进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，一共扫描N步，共有N个频率以步长Δν递增的激光脉冲入射到接受部分，那么频率扫描范围为N·Δν，第N个从b端口输出的脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν，ν₁为从声光调制器AOM112出射的脉冲的频率。进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描需要扫描N步，总共所需时间为N·T₁，因此由声光调制器AOM112调制的入射到a端口的脉冲时间间隔T₀至少为N·T₁。

在本发明的该实施例中，Δν设定为1MHz，扫描步数N设定为1000，所以扫描的频率范围为1GHz；可根据不同的鉴频器和不同的校准需要，调整扫描步数N、初始频率ν₁和频率步长Δν。激光每绕环路一周所需时间T₁由环形光路的总光程来决定，总光程可以通过延时光纤29的长度来调整。由于三个声光调制器AOM1、AOM2和AOM3所调制的脉冲前沿不能精确同步，所以需要通过调整可调光延时器22的延时，来让AOM1和AOM2之间的光程与两者的脉冲前沿延时精确吻合，同理，通过调整可调光延时器24，让AOM2和AOM3之间的光程与两者的脉冲前沿延时Δt（如图2）精确吻合。

在本发明的该实施例中，为了将扫描过程中输出的每个脉冲的能量控制在同一大小，需要在调试光路过程中，对两个偏振控制器PC14和PC211的偏振方向进行调整，进而改变偏振分束器PBS21分别对从a端口入射的激光和从d端口入射的激光的分束比。激光经过环路一周后，强度会被放大，放大倍数为k，那么PBS对a端口和d端口的分束比均为k/1（b端口为k，c端口为1）时，能够保证N个脉冲的强度都稳定在同一个值。

本发明提出一种快速系统校准方法，如图3，在校准过程中，对入射到光纤Fabry-Perot干涉仪的激光脉冲频率进行扫描，扫描频率的步长为Δν，扫描步数为N，第N个脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν。每一个不同频率的脉冲入射到干涉仪中得到对应的透过率，所以通过进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，可以得到N个等频率间隔的透过率值。进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描所需时间T₀的大小至少为N·T₁，经过多次重复的时长为T₀的完整的扫描，将每个频率对应的透过率的多次测量值求平均，再由求过平均的N个透过率值拟合出干涉仪的透过率曲线。

Claims (3)

1.一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统，其特征在于，校准系统工作波长在1.5微米光通讯波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件，系统包括连续激光器（11），声光调制器AOM1（12），隔离器（13），偏振控制器PC（14），偏振分束器PBS（21），可调光延时器（22），声光调制器AOM2（23），可调光延时器（24），声光调制器AOM3（25），掺饵光纤放大器EDFA（26），环行器（27），光纤Bragg光栅FBG（28），延时光纤（29），隔离器（210），偏振控制器PC（211），分束器（31），光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI（32）,第一单光子计数器SPCM（33），第二单光子计数器SPCM（34）和示波器（35），连续激光器（11）发射的连续光经过声光调制器AOM1（12）后被调制为脉冲光，脉冲时间间隔为直接探测多普勒激光雷达中扫描鉴频器件的完整透过率曲线所需的时间，经过隔离器（13）后，进入偏振控制器PC（14），将脉冲光调制为具有所需偏振特性的偏振光，偏振光由a端口进入偏振分束器PBS（21），分束器根据偏振光的偏振方向，将激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口出射，进入可调光延时器（22），通过调整声光调制器AOM1（12）和声光调制器AOM2（23）之间的光程，使得激光在AOM1和AOM2之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合；声光调制器AOM2（23）将激光频率调制到-80MHz的位置，可调光延时器（24）让激光在AOM2和AOM3之间传输所需时间与这两个AOM的脉冲前沿时间差精确吻合。声光调制器AOM3（25）将激光频率调制到+(80MHz+Δν)的位置；因此，激光经过声光调制器AOM2（23）和AOM3（25）后，频率增加了Δν；发生Δν频移的激光经过掺饵光纤放大器EDFA（26）进行一级放大后，由e端口进入环行器后由f端口出射进入光纤Bragg光栅FBG（28）滤除EDFA自发辐射ASE背景噪声，滤除背景后的激光由f端口进入环行器，由g端口出射后经过延时光纤（29）、隔离器（210），偏振控制器PC（211）将激光调制为设定的偏振方向，偏振光由d端口进入偏振分束器PBS（21），分束器根据偏振控制器PC（211）出射的偏振光的偏振方向，将发生Δν频移的激光按一定比例分为两路，一路从b端口入射到接收部分，另一路从c端口入射，进入相同环路，再次发生Δν的频率移动，以此类推，激光每在环路绕一圈后从b端口出射的激光频率都相对于上一圈出射的激光频率发生Δν的频率移动，且从b端口出射的相邻脉冲的时间间隔为激光绕环路一周所需时间；从b端口出射的脉冲序列依次入射到分束器（31），分束器（31）将激光等比例分为两路，一路进入光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI（32）后进入第一单光子计数器（33）检测强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器（34）检测入射到接收部分的激光强度；第一单光子计数器（33）和第二单光子计数器（34）获得的数据传输到示波器（35）中，示波器（35）根据所获得数据得到每一个频率的脉冲对应的透过率，进而得到FFPI的透过率曲线。

2.根据权利要求1所述的一种直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统，其特征在于，由声光调制器AOM1（12）调制的入射到a端口的脉冲，相邻的脉冲时间间隔为扫描一次鉴频器件的完整透过率曲线所需时间T₀；声光调制器AOM2（23）和声光调制器AOM3（25）所调制的脉冲的相邻脉冲时间间隔为激光每绕环路一周所需时间T₁；声光调制器AOM2（23）和声光调制器AOM3（25）的脉冲触发延时为Δt，需要将可调光延时器（24）的延时调整到Δt，以保证两个声光调制器的触发前沿与入射的激光脉冲前沿对齐；b端口从出射第一个激光脉冲开始，每隔时间T₁，就出射一个激光脉冲，而且每次出射的激光频率都要比上一个脉冲的频率增加Δν；进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，一共扫描N步，共有N个频率以步长Δν递增的激光脉冲入射到接受部分，那么频率扫描范围为N·Δν，第N个从b端口输出的脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν，ν₁为从声光调制器AOM1（12）出射的脉冲的频率；进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描需要扫描N步，总共所需时间为N·T₁，因此由声光调制器AOM1（12）调制的入射到a端口的脉冲时间间隔T₀至少为N·T₁。

3.一种利用权利要求1或2所述的直接探测多普勒激光雷达的快速校准系统的校准方法，在校准过程中，对入射到光纤Fabry-Perot干涉仪的激光脉冲频率进行扫描，扫描频率的步长为Δν，扫描步数为N，第N个脉冲的频率为ν_N＝ν₁+(N-1)Δν；每一个不同频率的脉冲入射到干涉仪中得到对应的透过率，所以通过进行一次对鉴频器件的完整透过率曲线的扫描，可以得到N个等频率间隔的透过率值；进行一次完整的透过率曲线扫描的时间T₀的大小至少为N·T₁，经过多次重复的时长为T₀的完整的扫描，将每个频率对应的透过率的多次测量值求平均，再由求过平均的N个透过率值拟合出干涉仪的透过率曲线。

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