CN105785395B - 一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，包括多波长激光光源模块、雷达收发光学天线模块、信号接收处理模块；所述多波长激光光源模块包括输出线偏振连续激光的窄线宽种子光源，与窄线宽种子光源的输出端连接的并加载调制信号和偏置电压的电光波导相位调制器，与电光波导相位调制器的输出端连接的光纤分束器，与光纤分束器的一个输出端连接并且加载脉冲斩波信号的声光调制器。本发明实现一种提高发射激光功率，增加回波信噪比的多波长合成的相干激光测风雷达，可适用于气象监测、航空安全预警、风能资源评估等应用领域。
Description
技术领域
本发明属于气象雷达探测技术领域，具体的说，是涉及一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达。
背景技术
大气风场是大气中水分、气溶胶等物质循环的主要动力，在天气预报、地球环境及动力气象学等研究中都有非常重要的研究价值。激光测风雷达与传统测风仪器相比在时空分辨率、测速精度方面都更具优势，能够快速获取高精度风场数据。激光测风雷达目前已经成为测量风场的重要手段。
激光测风雷达按测量方法主要分为两类，分别为：非相干多普勒激光测风雷达和相干多普勒激光测风雷达。其中相干多普勒激光测风雷达在早期主要使用10.6μm波长CO2激光器作为激光源，例如1980年美国航空航天局（NASA）研制的用于测量晴空湍流的脉冲激光多普勒测风雷达。上世纪80年代开始，由于小型可调谐固体激光器的迅速发展，美国相干技术公司先后研发了基于固体激光器的1.06μm相干激光测风雷达和基于Tm，Ho：YAG激光器的2.1μm相干激光测风雷达，分别用于测量大气风场和探测风切变。2002年美国洛克希德-马丁公司发布了商用相干激光测风雷达系统—WindTracer。随着掺铒光纤放大器及光纤技术的发展，工作于1.55μm的全光纤脉冲相干激光测风雷达受到学者的重视。在2002年，英国QinetiQ公司报导了基于光纤技术的1.54μm脉冲相干激光测风雷达。英国SgurrEnergy公司推出的Galion系列相干激光测风雷达最大探测距离为4km。法国Leosphere公司于2006年12月发布了用于气象研究的WINDCUBE系列产品，其代表产品有WINDE IRIS，WINDCUBE7/8/10，WINDCUBE V2，WINDCUBE100S/200S/400S等，最大探测距离10km。2011年，美国FiberTek公司的Akbulut等人报道了探测飞机尾流的相干激光测风雷达。日本三菱电机有限公司从2004年开始研发全光纤脉冲相干激光雷达的商用样机，2005年研制出商用化的LR-05FC系列产品。国内在2014年上光所报导了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干激光测风雷达。2014年，中国海洋大学报导了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm全光纤相干激光测风雷达。2011至2014年，西南技术物理研究所报道了在连续波、脉冲体制及机载激光多普勒测风雷达方面的研究进展。
在上述的相干激光测风雷达中，都采用单波长的窄线宽激光器作为发射光源，利用光外差法检测气溶胶激光多普勒频移反演大气风场。由于非线性效应的影响，单波长的窄线宽激光器输出功率受限，因而限制了雷达的最远测量距离。
发明内容
为了克服以上问题，本发明的目的在于提供一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，解决了现有单波长的窄线宽激光器输出功率受限，因而限制了雷达的最远测量距离的问题，本发明提高发射激光功率，增加雷达测量距离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，包括多波长激光光源模块、雷达收发光学天线模块、信号接收处理模块；所述多波长激光光源模块包括输出线偏振连续激光的窄线宽种子光源，输入端与窄线宽种子光源的输出端连接的并加载调制信号和偏置电压的电光波导相位调制器，输入端与电光波导相位调制器的输出端连接的光纤分束器，与光纤分束器的一个输出端连接并且加载脉冲斩波信号的声光调制器；所述雷达收发光学天线模块与声光调制器的输出端连接，信号接收处理模块与雷达收发光学天线模块和光纤分束器的另一个输出端连接。
多波长激光光源的原理是：单频激光经由光波导相位调制器调制后产生了包含多个有效频率成分的多单频激光，各有效频率成分之间的频率间隔为正弦调制信号频率的整数倍。通过调节施加在电光波导相位调制器的偏置电压，能够实现其它边带被抑，而光载波、±1阶边带共存，且三个波长光功率基本一致的情形。在这种情形下，单频激光经电光波导相位调制器后被调制为三波长的单频激光。三波长的单频激光分出小功率的雷达本振光后送入到声光调制器调制为脉冲激光输出，同时进行移频。
作为优选，所述窄线宽种子光源输出1.5μm波长的线偏振连续激光，该窄线宽种子光源由单频窄线宽半导体激光器，或DBR/DFB光纤激光器，或固体激光器带尾纤输出。
进一步地，所述正弦调制信号和脉冲斩波信号均由射频信号源输出，正弦调制信号通过电光调制器驱动器加载到电光波导相位调制器，脉冲斩波信号通过声光调制器驱动器加载到声光调制器。
更进一步地，声光调制器的输出端通过光纤放大器与雷达收发光学天线模块连接。脉冲激光经光纤放大器放大后通过雷达收发光学天线发射。所述光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器的一种，或两者组合构成的多级光纤放大器。
具体地，所述雷达收发光学天线模块包括输入端与光纤放大器的输出端连接的光学环形器，与光学环形器连接的光学收发扫描天线。
具体地，所述信号接收处理模块包括一端与光纤分束器的另一个输出端连接、另一端与光学环形器连接的光纤合束器，输入端与光纤合束器的输出端连接的平衡光电探测器，输入端与平衡光电探测器的输出端连接的信号采集处理模块，输入端与信号采集处理模块的输出端连接的嵌入式计算机。被大气气溶胶后向散射携带风场信息的光回波被雷达收发光学天线接收，回波信号与雷达本振光合束产生的外差拍频信号由平衡光电探测器探测，信号经采集和处理后送入嵌入式计算机进行风场反演，得到风场的风向和风速分布。
再进一步地，所述正弦调制信号频率大于1.5倍平衡光电探测器的探测带宽。三波长激光之间的互相相干信号不会被平衡光电探测器响应。
本发明的有益效果为：
（1）本发明具有窄线宽的特点。在窄线宽种子光源激光腔外实现波长调制，在波长调制过程中保留种子源的窄线宽特性。
（2）本发明具有雷达发射激光峰值功率高的特点。采用相位调制法通过电光波导相位调制器给激光引入外加相位调制，将一部分能量分布到激光的边频上，从而降低了光功率谱的能量密度，以此实现对光纤放大器中受激布里渊散射效应的抑制，在光载波、±1阶边带波长光功率基本一致的条件下，光纤放大器可以将输出功率提高两倍。
（3）本发明具有信号信噪比高的特点。光纤放大器输出的功率提高，雷达发射更高峰值功率的激光，在同等条件下回波信号更强，拍频信号信噪比更高，容易识别和提取。
（4）本发明具有光学元器件带尾纤输出，激光器结构全光纤化和光学收发天线全光纤化的特点。
（5）本发明输出激光具有人眼安全的特点。
（6）本发明具有输出线偏振激光的特点。
附图说明
图1为本发明的系统构造原理图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-窄线宽种子光源，2-电光波导相位调制器，3-光纤分束器，4-声光调制器，5-光纤放大器，6-光学环形器，7-光学收发扫描天线，8-光纤合束器，9-平衡光电探测器，10-信号采集处理模块，11-嵌入式计算机，12-电光调制器驱动器，13-声光调制器驱动器，14-射频信号源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，包括窄线宽种子光源1、电光波导相位调制器2、光纤分束器3、声光调制器4、光纤放大器5、光学环形器6、光学收发扫描天线7、光纤合束器8、平衡光电探测器9、信号采集处理模块10、嵌入式计算机11、电光调制器驱动器12、声光调制器驱动器13、射频信号源14；其中，窄线宽种子光源1的输出端与电光波导相位调制器2的输入端连接，射频信号源14的正弦调制信号输出端口与电光调制器驱动器12的输入端连接，电光调制器驱动器12的输出端与电光波导相位调制器2的输入端连接，电光波导相位调制器2的输出端与光纤分束器3相连，光纤合束器8的输入端与光纤分束器3的一个输出端连接，声光调制器4的输入端与光纤分束器3的另一个输出端连接，射频信号源14的脉冲斩波信号输出端口与声光调制器驱动器13连接，声光调制器驱动器13与声光调制器4的输入端连接，声光调制器4的输出端连接光纤放大器5的输入端，光纤放大器5的输出端连接光学环形器6的输入端，光学环形器6连接光学收发扫描天线7；光纤合束器8的输入端与光学环形器6连接，光纤合束器8的输出端连接平衡光电探测器9的输入端，平衡光电探测器9的输出端连接信号采集处理模块10的输入端，信号采集处理模块10的输出端连接嵌入式计算机11。
本发明的工作原理如下：
射频信号源14产生频率大于1.5倍平衡光电探测器9探测带宽的正弦调制信号送入到电光调制器驱动器12，电光调制器驱动器12将正弦调制信号和偏置电压加载到电光波导相位调制器2，窄线宽种子光源1输出1.5微米波长线偏振连续激光送入到电光波导相位调制器2，线偏振连续激光则在电光波导相位调制器2中发生相位调制，产生光载波、±1阶边带共存并送入到光纤分束器3，且三个波长光功率基本一致的输出。光纤分束器3一端输出部分调制后的激光作为雷达本振光并送入到光纤合束器8，另一端输出调制后的激光送入到声光调制器4。射频信号源14产生脉冲斩波信号送入到声光调制器驱动器13，调制器驱动器13将脉冲斩波信号加载到声光调制器4，连续激光被斩波为脉冲激光输出，然后经光纤放大器5放大后脉冲激光进入光学环形器6，然后通过光学收发扫描天线7发射到大气中。
被大气气溶胶后向散射携带风场信息的光回波被光学收发扫描天线7接收，经光学环形器6到达光纤合束器8，在这里与光纤分束器3输出的雷达本振光相遇产生外差拍频光信号，光纤合束器8输出的外差拍频光信号被平衡光电探测器9探测，平衡光电探测器9将探测到外差拍频信号送入信号采集处理模块10中，信号采集处理模块10计算出径向风速。光学收发扫描天线7向不同方位扫描后，信号采集处理模块10将计算出的不同方位、不同高度的径向风速数据送入嵌入式计算机11，嵌入式计算机11根据扫描方位，通过风场反演算法计算出探测区域不同高度的水平风速、风向及垂直风速。
以上技术方案可以实现一种提高发射激光功率，增加回波信噪比的多波长合成的相干激光测风雷达，可适用于气象监测、航空安全预警、风能资源评估等应用领域。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，包括多波长激光光源模块、雷达收发光学天线模块、信号接收处理模块；所述多波长激光光源模块包括输出线偏振连续激光的窄线宽种子光源（1），输入端与窄线宽种子光源（1）的输出端连接的并加载调制信号和偏置电压的电光波导相位调制器（2），输入端与电光波导相位调制器（2）的输出端连接的光纤分束器（3），与光纤分束器（3）的一个输出端连接并且加载脉冲斩波信号的声光调制器（4）；所述雷达收发光学天线模块与声光调制器（4）的输出端连接，信号接收处理模块与雷达收发光学天线模块和光纤分束器（3）的另一个输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述窄线宽种子光源（1）输出1.5μm波长的线偏振连续激光，该窄线宽种子光源由单频窄线宽半导体激光器，或DBR/DFB光纤激光器，或固体激光器产生。
3.根据权利要求1所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述调制信号为正弦调制信号，所述正弦调制信号和脉冲斩波信号均由射频信号源（14）输出，正弦调制信号通过电光调制器驱动器（12）加载到电光波导相位调制器（2），脉冲斩波信号通过声光调制器驱动器（13）加载到声光调制器（4）。
4.根据权利要求3所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述声光调制器（4）的输出端通过光纤放大器（5）与雷达收发光学天线模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述光纤放大器（5）为单模光纤放大器、双包层光纤放大器的一种，或两者组合构成的多级光纤放大器。
6.根据权利要求5所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述雷达收发光学天线模块包括输入端与光纤放大器（5）的输出端连接的光学环形器（6），与光学环形器（6）连接的光学收发扫描天线（7）。
7.根据权利要求6所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述信号接收处理模块包括一端与光纤分束器（3）的另一个输出端连接、另一端与光学环形器（6）连接的光纤合束器（8），输入端与光纤合束器（8）的输出端连接的平衡光电探测器（9），输入端与平衡光电探测器（9）的输出端连接的信号采集处理模块（10），输入端与信号采集处理模块（10）的输出端连接的嵌入式计算机（11）。
8.根据权利要求7所述的一种多波长光束合成的相干多普勒激光测风雷达，其特征在于，所述正弦调制信号频率大于1.5倍平衡光电探测器（9）的探测带宽。
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