CN103823221A - 脉冲激光相干测风雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种脉冲激光相干测风雷达，旨在提供一种测量精度高、结构简单、安装调试方便的脉冲激光相干测风雷达。本发明通过下述技术方案予以实现：光纤脉冲激光发射系统作为产生两束激光的发射源，其中一束用于风场探测的高重频脉冲序列激光，经过光学环行器直接耦合进入光学收发扫描系统向目标空域准直发射，光学环形器利用偏振分束特性将发射光与空中气溶胶散射回波光进行隔离分束，选择空中气溶胶散射回波进入光纤合束器，将光纤脉冲激光发射系统产生的另一束激光作为本振光与回波光混频输入平衡放大光电探测器对混频信号进行光学放大，通过信号采集处理器采集处理，计算出当前激光发射指向上各距离门的径向风速，传送至雷达操作显示界面。

Description

脉冲激光相干测风雷达
技术领域
本发明涉及一种应用于测量中远程大气风场的风速风向的脉冲激光相干测风雷达。更具体地说本发明涉及一种利用激光多普勒效应和相干探测原理，采用全光纤连接传输，收发天线合一的一体化、模块化的中远程测风激光雷达。
背景技术
现有技术中用于测量大气风场风速风向的雷达系统，是利用大气中随风漂移的微小颗粒对激光散射回波的多普勒频移效应来测量大气风场的。一般也采用具有无需直接接触、测量精度高、作用距离远等特点的相干探测方式。比如美国专利号US20070171396A1公开的名称为“激光雷达装置和方法”的专利，就是这样的雷达系统。它是由两台激光器作为发射源，一台作为主振激光，一台作为本振激光。主振激光经过变焦系统后聚焦在大气空域中，大气中随风漂移的微小颗粒对激光散射回波中包含了多普勒频移信号，回波信号与本振激光进行混频后由探测器接收，再经过信号处理器对信号进行分析处理，从而得到聚焦点处的径向风速信息。经过对同一风层的圆锥扫描和对不同风层的扫描最终得到探测空域的整体风场信息。该专利采用两台分离的激光器作为发射源，对两者的频率稳定性和偏振性都有较高的要求。其光路采用传统的多镜片空间传输结构，光路调节困难，各光学镜片需用对激光器偏振方向一致的元件，加工困难大，制造成本高，费用昂贵的缺陷。另外，它在远距离探测时，由于回波信号较弱，其采用直接将光信号转化为电信号再进行处理的方法，会造成信号信噪比较低，容易导致信号误判或丢失，而影响测量精度。
发明内容
本发明是对现有技术的进一步改进和发展，其目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种测量精度高、结构简单、安装调试方便、体积小巧的脉冲激光相干测风雷达。
为了达到上述目的，本发明提供的一种脉冲激光相干测风雷达，包括光纤脉冲激光发射系统14、光学收发扫描系统15、光学环行器5、光纤合束器8、平衡光电探测器9和信号采集处理器10，其特征在于，作为发射源的光纤脉冲激光发射系统14产生两束激光，一束为用于相干探测本振光的功率较小连续激光，另一束用于风场探测的高重频脉冲序列激光，两束激光经过光学环行器5直接耦合进入光学收发扫描系统15向目标空域16准直发射，光学环形器5利用偏振分束特性将发射光与空中气溶胶散射回波光进行隔离分束，选择空中气溶胶散射回波进入光纤合束器8，将光纤脉冲激光发射系统产生的其中一束激光作为本振光与回波光混频输入平衡放大光电探测器9对混频信号进行光学放大，并转换为中频电信号，经信号采集处理器10采集处理，计算出当前激光发射指向上各距离门的径向风速，并将每一个风场测量周期对应检测出的多普勒频率值数据传送至雷达操作显示界面11。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明利用大气中随风漂移的微小颗粒对激光后向散射回波的多普勒频移效应来测量大气风场。光纤脉冲激光发射系统14通过光学收发扫描系统15向目标空域16准直发射，回波信号与本振光进行混频，混频信号聚焦在光电探测器9上，对输出的中频信号进行处理后，检测出对应的多普勒频率值，计算得出目标空域16的径向风速大小，只用一套线宽极窄的、确定偏振方向的脉冲激光发射系统14作为发射源，利用光学环形器5的偏振分束特性将发射光与回波光进行隔离分束而实现收发光学天线共孔径，省去了双光学天线系统带来的一系列问题，简化了系统的结构，使系统更加可靠稳定。采用平衡放大光电探测器对混频信号进行光学放大，提高雷达系统的信躁比，大大增加了系统的测量精度。
本发明采用全光纤光路结构，通过光学收发扫描系统15进行风场扫描，雷达系统对各扫描方向的数据进行计算和处理，得到各扫描方向上不同距离门的水平和垂直风速，以上数据进行反演后可得到测量空域的风场分布，解决了现有技术光路调节困难，制造成本高，容易导致信号误判或丢失影响测量精度的问题。
附图说明
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。
图1是本发明脉冲激光相干测风雷达原理框图。
图2是本发明脉冲激光相干测风雷达的大气后向散射原理图。
图3是本发明脉冲激光相干测风雷达的风场扫描示意图。
图4是本发明脉冲激光相干测风雷达的距离门划分示意图。
图中：1窄线宽种子激光器，2光纤预放大器，3声光调制器，4脉冲光纤放大器，5光学环行器，6光学收发天线，7光学扫描棱镜，8光纤合束器，9平衡放大光电探测器，10信号采集处理器，11雷达操作显示界面，12光纤，13风场扫描驱动器，14光纤脉冲激光发射系统，15光学收发扫描系统，16测量空域，20脉冲激光相干测风雷达，21大气气溶胶，22激光束发射方向，23气溶胶后向散射方向，30脉冲激光相干测风雷达，31距离门，32距离门边界，40扫描波束，41风场反演坐标系，42风场矢量分量。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，脉冲激光相干测风雷达主要包括光纤脉冲激光发射系统14、光学环行器5、光学收发扫描系统15、光纤合束器8、平衡光电探测器9、信号采集处理器10、雷达操作显示界面11。其中光纤脉冲激光发射系统14由按顺次串联的窄线宽种子激光器1、光纤预放大器2、声光调制器3和脉冲光纤放大器4组成。光学环行器5由偏振分束棱镜和四分之一波片组成。光学收发扫描系统15由相连风场扫描驱动器13的光学扫描棱镜7和光学收发天线6组成。光学扫描棱镜7的转动运动状态受控于风场扫描驱动器13，风场扫描驱动器13驱动光学扫描棱镜7产生偏转，控制光学收发天线6收发光轴的指向。光学收发天线是收发合一共孔径光学天线。光学收发天线6与光学扫描棱镜7按照发射光通过的顺序共光轴衔接安装在一起组成光学收发扫描系统15。
雷达系统中的光纤脉冲激光发射系统14产生两束激光，一束为用于风场探测的高重频脉冲激光序列，另一束为用于相干探测本振光的功率较小连续激光。其中高重频脉冲激光序列经过光学环行器5直接耦合进入光学收发扫描系统15而向空中发射，同时空中气溶胶散射回波又经光学环行器5选择而进入光纤合束器8。光纤合束器8将本振光与回波光混频后输入平衡放大光电探测器9并转换成中频电信号，信号采集处理器10对探测器输出的电信号进行采集处理，计算出当前激光发射指向上各距离门的径向风速，并将数据传送至雷达操作显示界面11。当一个径向风速计算完毕后，光学收发扫描系统调整发射光束到下一个预定指向，重复以上径向风速测量过程，四次扫描为一个风场测量周期。当一个风场测量周期结束后，雷达操作显示界面11综合四个波束的径向风速数据，进行风场反演，计算出测量空域的风廓线数据并加以显示。
所述的光纤脉冲激光发射系统14是全光纤结构的轻小型激光器系统，其中窄线宽种子激光器1与光纤预放大器2，光纤预放大器2与声光调制器3，声光调制器3与脉冲光纤放大器4，脉冲光纤放大器4与光学环行器5之间均采用柔性材质的光纤12连接。
参阅图2。脉冲激光沿激光束发射方向22从脉冲激光相干测风雷达中向空中发射。光脉冲受到大气气溶胶21后向散射作用和多普勒频移效应，携带有风速多普勒频移信息的回波光沿气溶胶后向散射方向23回到脉冲激光相干测风雷达20。该回波光经图1中的光学收发扫描系统15、光学环行器5传输后，与本振光在光纤合束器8中混频，并进入平衡放大光电探测器9进行光电转换。转换后的电信号经信号采集处理器10处理分析得出风速信息，送入雷达操作显示界面11。
参阅图3。为了对单个波束方向上不同距离的风场信息分量进行区分，需要对回波信号进行距离门划分，分析每个距离门31内回波信号的风速多普勒频率，从而得到不同距离上的风速分量信息。具体实施时，将距离门边界换算成时间边界并投影到采集到的回波信号上，将时间门边界之间的信号片段逐个进行频谱分析，得到该段信号的风场分量对应的风速多普勒频率。
参阅图4。进行完一次波束发射和回波采集处理后，只能得到该波束方向上的风场分量信息。为了能够反演出测量空域三维风场信息，还需要对测量空域进行波束扫描。本发明采用四波束扫描方式，扫描波束40分为N,E,S,W四束，分别对应了风场反演坐标系41中的北，东，南，西四个方向。当四个波束依次扫描完毕后，所得四个波束方向上的风场分量作为风场反演处理的输入参数。反演将针对四个波束中相同高度的距离门进行，直至处理完所有距离门。相同高度距离门的四段信号，处理输出的结果可表示为三个正交的风场矢量分量42，能够表示一个特定距离上的三维风场。所有距离门的三维风场处理完后，一并送入雷达操作显示界面11进行测量空域的三维风场分布显示。

Claims (10)

1.一种脉冲激光相干测风雷达，包括光纤脉冲激光发射系统（14）、光学收发扫描系统（15）、光学环行器（5）、光纤合束器（8）、平衡光电探测器（9）和信号采集处理器（10），其特征在于，作为发射源的光纤脉冲激光发射系统（14）产生两束激光，一束为用于相干探测本振光的功率较小连续激光，另一束用于风场探测的高重频脉冲序列激光，两束激光经过光学环行器（5）直接耦合进入光学收发扫描系统（15）向目标空域（16）准直发射，光学环形器（5）利用偏振分束特性将发射光与空中气溶胶散射回波光进行隔离分束，选择空中气溶胶散射回波进入光纤合束器（8），将光纤脉冲激光发射系统产生的其中一束激光作为本振光与回波光混频输入平衡放大光电探测器（9）对混频信号进行光学放大，并转换为中频电信号，经信号采集处理器（10）采集处理，计算出当前激光发射指向上各距离门的径向风速，并将每一个风场测量周期对应检测出的多普勒频率值数据传送至雷达操作显示界面（11）。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光纤脉冲激光发射系统（14）由按顺次串联的窄线宽种子激光器（1）、光纤预放大器（2）、声光调制器（3）和脉冲光纤放大器（4）组成。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光学环行器（5）由偏振分束棱镜和四分之一波片组成。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光学收发扫描系统（15）由相连风场扫描驱动器（13）的光学扫描棱镜（7）和光学收发天线（6）组成。
5.根据权利要求4所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光学收发天线（6）与光学扫描棱镜（7）按照发射光通过的顺序共光轴衔接安装在一起。
6.根据权利要求5所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光学扫描棱镜（7）的转动运动状态受控于风场扫描驱动器（13），风场扫描驱动器（13）驱动光学扫描棱镜（7）产生偏转，控制光学收发天线（6）收发光轴的指向。
7.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：光学收发天线是收发合一共孔径光学天线。
8.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：当一个径向风速计算完毕后，光学收发扫描系统调整发射光束到下一个预定指向，重复以上径向风速测量过程，四次扫描为一个风场测量周期。
9.根据权利要求1所述的脉冲激光相干测风雷达，其特征在于：当一个风场测量周期结束后，雷达操作显示界面（11）综合四个波束的径向风速数据，进行风场反演，计算出测量空域的风廓线数据并加以显示。
10.所述的光纤脉冲激光发射系统（14）是全光纤结构的轻小型激光器系统，其中窄线宽种子激光器（1）与光纤预放大器（2），光纤预放大器（2）与声光调制器（3），声光调制器（3）与脉冲光纤放大器（4），脉冲光纤放大器（4）与光学环行器（5）之间均采用柔性材质的光纤（12）连接。
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