CN105445750A - 多普勒频移鉴频器 - Google Patents

Abstract

一种多普勒频移鉴频器，由光纤法兰、光纤耦合透镜、第一光学干涉平板、第二光学干涉平板、光学隔圈、柱透镜、环形隔圈、楔形隔圈、一端具有锥端的圆筒形固定结构和档圈构成，本发明形成的直线干涉条纹可以与现有的线阵探测器相匹配，可降低探测陈列的规模，提高探测信噪比，它在直接探测激光测风雷达中具有很好的应用前景。本发明鉴别器可测量固体目标和分子气溶胶等宏观和微观目标速度，具有检测方便和灵敏度高的特点。

Description

多普勒频移鉴频器

技术领域

本发明属于激光雷达测风，特别是一种多普勒频移鉴频器。

背景技术

光学鉴频器是多普勒频率测量的核心器件，它要求探测简单，灵敏度高。目前基于条纹探测的技术由于探测易于实现而广受关注。欧洲宇航中心发展了基于法布里-珀罗干涉仪的光学鉴频器用于风切变探测激光雷达，安装于A380用于安全保障。用法布里-珀罗干涉仪观测优点是可用非锁频光源，缺点是所成的条纹是圆形,占用像素面元大，图像信噪比低，降低了探测距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多普勒频移鉴频器，该多普勒频移鉴频器所形成的直线干涉条纹可以与现有的线阵探测器相匹配，可降低探测陈列的规模，提高探测信噪比，该鉴别器可测量固体目标和分子气溶胶等宏观和微观目标速度，具有检测方便和灵敏度高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种多普勒频移鉴频器，其特点在于包括光纤法兰、光纤耦合透镜、第一光学干涉平板、第二光学干涉平板、光学隔圈、柱透镜、环形隔圈、楔形隔圈、一端具有锥端的圆筒形固定结构和档圈，所述的光纤法兰通过螺丝固定在所述的圆筒形固定结构的锥端，所述的光纤耦合透镜固定于所述的圆筒形固定结构内靠近锥端的位置，使所述的光纤法兰位于所述的光纤耦合透镜的焦面上，所述的楔形隔圈的平端与所述的光纤耦合透镜贴合，所述的楔形隔圈的楔形端面与所述的第一光学干涉平板连接，第一光学干涉平板、光学隔圈和第二光学干涉平板依次通过光学胶合在一起并压入所述的筒形固定结构内，所述的环形隔圈的里侧压接第二光学干涉平板，外侧为柱面透镜，该柱面透镜的外侧通过所述的挡圈的外螺纹与所述的圆筒形固定结构的内螺纹而固定在所述的圆筒形固定结构内。

所述的第一光学干涉平板和第二光学干涉平板的面型优于λ/80632.8nm,粗糙度优于2nm，单块板厚度不小于15mm，内表面镀高反射膜，反射率65％±1％，外表面镀增透膜，反射率小于1％。

所述的光学隔圈的一端为平面，另一端面为楔形面，楔形角为1.7′±0.5′。

本发明的技术效果

本发明多普勒频移鉴频器所形成的直线干涉条纹，可以与现有的线阵探测器相匹配，可降低探测陈列的规模，提高探测信噪比；

本发明是应用于多普勒激光雷达作为核心的多普勒频率鉴别器，检测大气中分子和气溶胶回波或者检测运动靶标(飞机)等回波的多普勒频移，从而测量到多普勒速度。大气多普勒激光雷达能够应用其测量大气矢量风场，大气湍流；多普勒速度计可以用它测量硬靶目标的速度矢量。

本发明鉴别器可测量固体目标和分子气溶胶等宏观和微观目标速度，具有检测方便和灵敏度高的特点。

附图说明

图1是本发明多普勒频移鉴频器的剖面图。

图2是本发明鉴频器输出的条纹分布图。图中不同的频率成分呈现在不同的位置，多普勒频移会导致中心频率的变化，从而会导致条纹的移动。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明多普勒频移鉴频器的剖面图。由图可见，本发明多普勒频移鉴频器，包括光纤法兰1、光纤耦合透镜2、第一光学干涉平板3、第二光学干涉平板5、光学隔圈4、柱透镜6、环形隔圈7、楔形隔圈8、一端具有锥端的圆筒形固定结构9和档圈10，所述的光纤法兰1通过螺丝固定在所述的圆筒形固定结构9的锥端，所述的光纤耦合透镜2固定于所述的圆筒形固定结构9内靠近锥端的位置，使所述的光纤法兰1位于所述的光纤耦合透镜2的焦面上，所述的楔形隔圈8的平端与所述的光纤耦合透镜2贴合，所述的楔形隔圈8的楔形端面与所述的第一光学干涉平板3连接，第一光学干涉平板3、光学隔圈4和第二光学干涉平板5依次通过光学胶合在一起并压入所述的筒形固定结构9内，所述的环形隔圈7的里侧压接第二光学干涉平板5，外侧为柱面透镜6，该柱面透镜6的外侧通过所述的挡圈10的外螺纹与所述的圆筒形固定结构9的内螺纹而固定在所述的圆筒形固定结构9内。

第一光学干涉平板3和第二光学干涉平板5的面型优于λ/80632.8nm,粗糙度优于2nm，单块板厚度不小于15mm，内表面镀高反射膜，反射率65％±1％，外表面镀增透膜，反射率小于1％。

所述的光学隔圈4的一端为平面，另一端面为楔形面，楔形角为1.7′±0.5′。

本发明多普勒频移鉴频器使用前应进行的定标，方法是：将本发明多普勒频移鉴频器放入定标风洞中，风洞零风速时产生一组测量值作为基准值，定标零风速；然后启动风洞产生已知风速风向的定标风场，此时再次测量一组信号作为测量值，此时测量的多普勒速度利用已知速度进行标校，如此反复将测量范围的每一个风速值进行定标，这样就完成了定标。

工作中，首先将大气回波信号耦合进光纤，然后经过光纤耦合透镜2形成一准直光束。该准直光束经过第一光学干涉平板3、第二光学干涉平板5多次反射形成一列直线干涉条纹。该干涉条纹经过光学柱面透镜6改变其像的尺寸以匹配线阵探测器光敏面。使所述的柱面透镜6的焦距恰好使得光信号的焦面尺寸铺满探测器的光敏面。

这样线阵探测器会探测到明暗相间的干涉条纹。随着探测目标速度的改变，其回波光信号的频率也在改变，此时装置焦平面上呈现的干涉条纹分布会发生移动，根据干涉条纹移动的位置差可以算出光的频率改变量，从而达到鉴别多普勒频率，计算多普勒速度的目的。多普勒速度的计算方法如下：

首先本发明多普勒频移鉴频器的出射光学条纹分布为公式(1)

T_transmission＝(1-A-R)²×(1+∑R^Nexp(ikδ_N))²(1)

其中，A为光学损耗，R为鉴频器的反射率，k＝2π/λ为波数,δ_N为回波信号自身在本发明多普勒频移鉴频器焦平面上的坐标点(x，y)为位置处的光程差。而相位差如公式(2)所示。当相位差为2nπ时透过率最大，不同的相位差具有不同的条纹强度如图2所示。

$Phase\_dif(x,y)=\frac{2{\mathrm{\π\δ}}_N(x,y)}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

当没有多普勒频移时，条纹极大值位于(x,y)，此时Phase_dif＝Phase_dif₀，当有多普勒频移时，Phase_dif＝Phase_dif₁，此时相位差为公式(3)所示：

$\mathrm{\Δ}\left({\mathrm{Phase}}_{dif}\right)=Phase\_{\mathrm{dif}}_1-Phase\_{\mathrm{dif}}_0=\frac{\∂Phase\_dif}{\∂\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

Δλ为多普勒频移导致的波长变量：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\Δ}(Phase\_dif)}{{\mathrm{\λ\δ}}_N^{\′}(x,y)-{\mathrm{\δ}}_N(x,y)}{\mathrm{\λ}}^2---\left(4\right)$

多普勒速度的表达式：

$V_{Doppler}=\frac{C\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

因此，根据条纹的位置移动可以计算出多普勒速度。

本发明多普勒频移鉴频器可测量固体宏观目标，也可以用于分子气溶胶等微观目标的速度测量，具有检测方便和灵敏度高的特点。

Claims (3)

1.一种多普勒频移鉴频器，其特征在于包括光纤法兰(1)、光纤耦合透镜(2)、第一光学干涉平板(3)、第二光学干涉平板(5)、光学隔圈(4)、柱透镜(6)、环形隔圈(7)、楔形隔圈(8)、一端具有锥端的圆筒形固定结构(9)和档圈(10)，所述的光纤法兰(1)通过螺丝固定在所述的圆筒形固定结构(9)的锥端，所述的光纤耦合透镜(2)固定于所述的圆筒形固定结构(9)内靠近锥端的位置，使所述的光纤法兰(1)位于所述的光纤耦合透镜(2)的焦面上，所述的楔形隔圈(8)的平端与所述的光纤耦合透镜(2)贴合，所述的楔形隔圈(8)的楔形端面与所述的第一光学干涉平板(3)连接，第一光学干涉平板(3)、光学隔圈(4)和第二光学干涉平板(5)依次通过光学胶合在一起并压入所述的筒形固定结构(9)内，所述的环形隔圈(7)的里侧压接第二光学干涉平板(5)，外侧为柱面透镜(6)，该柱面透镜(6)的外侧通过所述的挡圈(10)的外螺纹与所述的圆筒形固定结构(9)的内螺纹而固定在所述的圆筒形固定结构(9)内。

2.根据权利要求1所述的多普勒频移鉴频器，其特征在于所述的第一光学干涉平板(3)和第二光学干涉平板(5)的面型优于λ/80632.8nm,粗糙度优于2nm，单块板厚度不小于15mm，内表面镀高反射膜，反射率65％±1％，外表面镀增透膜，反射率小于1％。

3.根据权利要求1所述的多普勒频移鉴频器，其特征在于所述的光学隔圈(4)的一端为平面，另一端面为楔形面，楔形角为1.7′±0.5′。