CN105158770A - 一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，一方面，采用偏振环形分束器3，将垂直方向的偏振光锁定在环形器中，通过多次通过AOM，使出射激光产生nυ_M的频移，实现了激光频移量可调；另一方面，采用EOM？5搭配偏振环形分束器3，将环形器中达到预定偏移量的激光偏振态由垂直方向偏振转化为平行方向偏振，并且将连续波激光转化为脉冲宽度可调的脉冲光，从而实现了相干测风激光雷达的距离分辨率可调。基于上述方案，不仅提高了相干测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，还提高了相干测风激光雷达测量数据的可靠性。

Description

一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统。

背景技术

精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是目前风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达是将发射激光的回波信号频率的变化转化为能量的相对变化实现对大气风场多普勒频移的测量，相干探测测风激光雷达是通过发射激光的大气回波信号与本振激光的相干拍频实现对大气风场多普勒频移的测量。

在相干测风激光雷达领域，1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。

在以上相干测风激光雷达系统中，均采用AOM对脉冲光中心频率进行固定频率的频移，且脉冲光的半高全宽固定不变，其基本原理都如下：连续波激光器产生中心频率为υ₀的信号光和本振光，信号光经声光调制器AOM调制产生υ_M的频移，成为脉冲宽度为ΔT，中心频率为υ₀+υ_M的脉冲光，设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ_d，则后向散射信号中心频率为υ₀+υ_M+υ_d。此时本振光与信号光频率差Δυ＝υ_M+υ_d，两者的拍频信号经光电探测器转换为电信号，再经高速采集卡采样，经傅里叶变换得到后向散射信号的频谱并从中分析得到风场信息。

如图1所示为激光脉冲宽度ΔT＝400ns,υ_M＝80MHz信号光光谱未湮没在本振光光谱情况下的时域图与频域图，其中拍频信号的时域图如图1(I)所示，频域图如图1(II)所示，图1中点线u_LO为本振光光谱，实线u_sd为信号光光谱；A为本振光光谱峰值位置，B为信号光光谱峰值位置，C为本振光位于υ_M时的强度，υ_M已知，测量A与B处的频率之差Δυ，就可得到υ_d的值以反演风速信息。

相干测风激光雷达中，为了测量视向风速的方向，需要使用AOM对出射激光进行υ_M的频移，当风速的方向与激光雷达望远镜的视向方向相同时，风速产生的多普勒频移υ_d为负，反之为正，因此需要有：

υ_M+υ_d＞0(1)

若风速测量范围要求为v_r＝±30m/s，在1550nm波长时，根据多普勒频移公式可得：

${\mathrm{\υ}}_d=\frac{2v_r}{\mathrm{\λ}}=\±38.7MHz---\left(2\right)$

则υ_M＞38.7MHz即可满足区分风向正负的要求，但是为了减少激光器的相对强度噪声和1/f噪声对混频信号的影响，目前的相干测风激光雷达中最常用υ_M＝80MHz。

固定的υ_M和ΔT导致以上相干测风激光雷达系统存在以下问题：

1.上述测风激光雷达中，激光脉冲的半高全宽ΔT固定不变，根据相干测风激光雷达距离分辨率ΔR和发射激光脉冲半高全宽ΔT的关系：

$\mathrm{\Δ}R=c\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}T}{2}}---\left(3\right)$

其中c为光在真空中的速度，这就导致距离分辨率不可调，降低了相干测风激光雷达在不同距离分辨率要求场合下的应用。

2.使用高斯函数来描述激光脉冲波形，其表达式为：

$P\left(t\right)=\frac{2\sqrt{ln2}}{\sqrt{\mathrm{\π}}\·\mathrm{\Δ}T}\exp (-4ln2\frac{t^2}{{\mathrm{\ΔT}}^2})---\left(4\right)$

拍频信号经傅里叶变换之后，得到：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{\sqrt{ln2}}{\sqrt{2}\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}T}---\left(5\right)$

其中Δf为脉冲光光谱的半高全宽。因此，根据公式(3)和公式(5)可以看出，提高相干测风激光雷达的距离分辨率需要减小脉冲的半高全宽，从而导致光谱信号的半高全宽增大。从图2所示为激光脉冲宽度ΔT＝40ns,υ_M＝80MHz，信号光光谱湮没在本振光光谱情况下的时域图与频域图，图中光谱曲线的含义及标记A、B、C的含义与前述图1类似；可以看出，当ΔT从400ns缩小10倍至40ns时，本振光和信号光的光谱宽度也展宽10倍，若仍然取υ_M＝80MHz，则会导致信号光光谱湮没在本振光光谱中，如图2(II)所示，无法准确测量Δυ。因此仅靠减小激光脉冲半高全宽ΔT，而不对υ_M进行优化，无法有效提高相干测风激光雷达的距离分辨率。

3.根据采样定理，不失真的从原始数据中提取风场信息，需要使用不低于原始数据最高频率2倍的采样率进行采样，在实际工程应用中，为保证信号的可靠性，采样率一般取信号最高频率的3到5倍。当υ_M＝80MHz，最低需要使用240MS/s的采集卡。这对数据采集和实时处理提出了要求。

在不同天气情况下，大气的后向散射系数不同，相同能量的激光脉冲产生的后向散射信号强度不同，为了达到探测要求的信噪比，需要根据不同天气情况选择不同脉冲累积时间，因此相干测风激光雷达的距离分辨率也应相应改变。

发明内容

本发明的目的是提供一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，提高了相干测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，提高了相干测风激光雷达测量数据的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，包括：连续波激光器1，1分2光纤分束器2，偏振环形分束器3，声光调制器AOM4，电光调制器EOM5，放大器6，三口环形器7，发射和接收望远镜8，λ/2波片9，光纤耦合器10，平衡探测器11，采集卡12，计算机13；其中：

连续波激光器1分别与计算机13与1分2光纤分束器2相连；

1分2光纤分束器2的一端与偏振环形分束器3相连，偏振环形分束器3的一端与AOM4相连，AOM4与EOM5相连，EOM5与偏振环形分束器3相连，从而构成环路；偏振环形分束器3的另一端与放大器6相连，放大器6与三口环形器7的a口相接，三口环形器7的b口与收发望远镜8相连，三口环形器7的c口与光纤耦合器10的一个入口相连；

1分2光纤分束器2的另一端与λ/2波片9相连，λ/2波片9与光纤耦合器10的另一个入口相连，光纤耦合器10出口与平衡探测器11相连，探测器电信号与采集卡12相连，采集卡与计算机13相连。

进一步的，所述偏振环形分束器3将垂直方向的偏振光锁定在其环形器内，使垂直方向的偏振光反复n次通过AOM4产生nυ_M的移频，从而实现本振光中心频率与出射光中心频率的频率差可调；

其中，υ_M为AOM4单次产生的频移。

进一步的，所述EOM5将垂直方向的连续偏振光转化为水平方向的脉冲光，通过控制EOM5的时序，实现水平方向的脉冲光的脉冲半高全宽可调，并使固定频移量的出射光通过偏振环形分束器3，实现相干测风激光雷达的距离分辨率可调。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，一方面，采用偏振环形分束器3，将垂直方向的偏振光锁定在环形器中，通过多次通过AOM4，使出射激光产生nυ_M的频移，实现了激光频移量可调；另一方面，采用EOM5搭配偏振环形分束器3，将环形器中达到预定偏移量的激光偏振态由垂直方向偏振转化为平行方向偏振，并且将连续波激光转化为脉冲宽度可调的脉冲光，从而实现了相干测风激光雷达的距离分辨率可调。基于上述方案，不仅提高了相干测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，还提高了相干测风激光雷达测量数据的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的激光脉冲宽度ΔT＝400ns,υ_M＝80MHz信号光光谱未湮没在本振光光谱情况下的时域图与频域图；

图2为本发明背景技术提供的激光脉冲宽度ΔT＝40ns,υ_M＝80MHz，信号光光谱湮没在本振光光谱情况下的时域图与频域图；

图3为本发明实施例提供的一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的激光脉冲宽度ΔT＝40ns,υ_M＝800MHz，信号光光谱不再湮没在本振光光谱情况下的时域图与频域图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图3为本发明实施例提供的一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统的示意图。如图3所示，其主要包括：连续波激光器1，1分2光纤分束器2，偏振环形分束器3，声光调制器(AOM)4，电光调制器(EOM)5，放大器6，三口环形器7，发射和接收望远镜8，λ/2波片9，光纤耦合器10，平衡探测器11，采集卡12，计算机13；其中：

连续波激光器1分别与计算机13与1分2光纤分束器2相连；

1分2光纤分束器2的一端与偏振环形分束器3相连，偏振环形分束器3的一端与AOM4相连，AOM4与EOM5相连，EOM5与偏振环形分束器3相连，从而构成环路；偏振环形分束器3的另一端与放大器6相连，放大器6与三口环形器7的a口相接，三口环形器7的b口与收发望远镜8相连，三口环形器7的c口与光纤耦合器10的一个入口相连；

1分2光纤分束器2的另一端与λ/2波片9相连，λ/2波片9与光纤耦合器10的另一个入口相连，光纤耦合器10出口与平衡探测器11相连，探测器电信号与采集卡12相连，采集卡与计算机13相连。

进一步的，所述偏振环形分束器3将垂直方向的偏振光锁定在其环形器内，使垂直方向的偏振光反复n次通过AOM4产生nυ_M的移频，从而实现本振光中心频率与出射光中心频率的频率差可调；其中，υ_M为AOM4单次产生的频移。

进一步的，所述偏振环形分束器3将垂直方向的连续偏振光转化为水平方向的脉冲光；通过控制EOM5的时序，实现水平方向的脉冲光的脉冲半高全宽可调，并使固定频移量的出射光通过偏振环形分束器3，实现相干测风激光雷达的距离分辨率可调。

为了便于理解，下面针对上述系统的工作过程做详细说明。

计算机13控制连续波激光器1射出连续波激光(信号光)，出射的垂直方向偏振的连续波激光经1分2光纤分束器2的一端进入偏振环形分束器3，偏振环形分束器3将垂直方向的连续波激光反射进入AOM4，每次产生υ_M的频移，垂直方向的连续波激光在偏振环形分束器内进行n次循环，产生nυ_M的频移，当达到所需频移量后，EOM5将垂直方向的连续波激光转换为脉冲半高全宽可调的平行方向的脉冲激光，频移之后的平行方向脉冲激光经环形分束器3出射，进入放大器6进行功率放大，经三口环形器7的a口入射，经b口出射进入收发望远镜8，经收发望远镜出射进入大气。

激光经大气作用后产生的后向散射信号经收发望远镜8接收，从三口环形器7的b口入射，经c口出射，进入光纤耦合器10。同时，经1分2光纤分束器2另一出口的垂直方向的连续波激光(本振光)进入λ/2波片9，变为平行偏振方向，接入光纤耦合器10，混频之后的光信号照射在平衡探测器11的感光面上，产生的电信号经采集卡12采集，传入计算机13中进行风速反演。

本发明的原理如下：根据背景技术所述，相干测风激光雷达需要精确测量拍频信号频谱中波峰A与波峰B的频率差Δυ。首先应当精确区分开本振光光谱和信号光光谱，避免较弱的回波信号谱湮没在本振信号谱中。在本发明实施例中，设拍频信号经FFT变换之后的信噪比公式为：

$SNR=10log\frac{A}{C}$

其中，A为本振光光谱的峰值强度，C为本振光位于υ_M时的强度。考虑激光器的RIN噪声和speckle噪声，当SNR＞80dB时，判定该处信号光光谱不会湮没在本振光光谱中。如图4所示，ΔT＝40ns，Δυ_M扩大10倍至800MHz，此时信号光光谱不再湮没在本振光光谱中，图中光谱曲线的含义及标记A、B、C的含义与前述图1类似；。因此根据不同距离分辨率的需求，可以改变激光脉冲半高全宽ΔT，并选取不同的υ_M，实现相干测风激光雷达的空间分辨率可调，使采集卡的采集频率和数据处理负担都得到优化。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，一方面，采用偏振环形分束器3，将垂直方向的偏振光锁定在环形器中，通过多次通过AOM4，使出射激光产生nυ_M的频移，实现了激光频移量可调；另一方面，采用EOM5搭配偏振环形分束器3，将环形器中达到预定偏移量的激光偏振态由垂直方向偏振转化为平行方向偏振，并且将连续波激光转化为脉冲宽度可调的脉冲光，从而实现了相干测风激光雷达的距离分辨率可调。基于上述方案，不仅提高了相干测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，还提高了相干测风激光雷达测量数据的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，其特征在于，包括：连续波激光器(1)，1分2光纤分束器(2)，偏振环形分束器(3)，声光调制器AOM(4)，电光调制器EOM(5)，放大器(6)，三口环形器(7)，发射和接收望远镜(8)，λ/2波片(9)，光纤耦合器(10)，平衡探测器(11)，采集卡(12)，计算机(13)；其中：

连续波激光器(1)分别与计算机(13)与1分2光纤分束器(2)相连；

1分2光纤分束器(2)的一端与偏振环形分束器(3)相连，偏振环形分束器(3)的一端与AOM(4)相连，AOM(4)与EOM(5)相连，EOM(5)与偏振环形分束器(3)相连，从而构成环路；偏振环形分束器(3)的另一端与放大器(6)相连，放大器(6)与三口环形器(7)的a口相接，三口环形器(7)的b口与收发望远镜(8)相连，三口环形器(7)的c口与光纤耦合器(10)的一个入口相连；

1分2光纤分束器(2)的另一端与λ/2波片(9)相连，λ/2波片(9)与光纤耦合器(10)的另一个入口相连，光纤耦合器(10)出口与平衡探测器(11)相连，探测器电信号与采集卡(12)相连，采集卡与计算机(13)相连。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏振环形分束器(3)将垂直方向的偏振光锁定在其环形器内，使垂直方向的偏振光反复n次通过AOM(4)产生nυ_M的移频，从而实现本振光中心频率与出射光中心频率的频率差可调；

其中，υ_M为AOM(4)单次产生的频移。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述EOM(5)将垂直方向的连续偏振光转化为水平方向的脉冲光，通过控制EOM(5)的时序，实现水平方向的脉冲光的脉冲半高全宽可调，并使固定频移量的出射光通过偏振环形分束器(3)，实现相干测风激光雷达的距离分辨率可调。