CN105891844B - 双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统 - Google Patents

双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，旨在提供一种能保证脉冲光纤激光测风雷达最大探测距离，又能同时尽可能减小近距离探测盲区的处理系统。本发明通过下述技术方案予以实现：声光调制器通过并联信息处理模块接收中控计算机指令，向声光调制器发出调制信号，输出与调制信号参数对应的种子激光脉冲，光学天线发射接收双模激光脉冲及其回波信号注入光电探测器转换为光电信号，将光电信号传输至信息处理模块，将距离门频谱数据处理结果传入中控计算机完成双模式距离门频谱数据组合，交替输出两种参数模式的激光脉冲，对不同参数模式下激光回波信号进行处理，检测激光雷达最大探测距离和高重频短脉宽检测近距离探测盲区。

Description

双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统
技术领域
本发明属于信号控制与处理领域，更具体地说本发明特别涉及一种脉冲光纤激光测风雷达的激光输出参数控制与回波信号处理的系统。
背景技术
随着激光技术的发展，激光雷达探测不再局限于硬目标测距领域，已开始向气体浓度、云层厚度、溶胶浓度气等方向扩展，用激光的气溶胶粒子散射来测量大气要素的研究越来越多。脉冲光纤激光测风雷达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来进行大气风场的测量，其最大探测距离依赖于发射激光的能量，在发射激光峰值功率一定的情况下，激光能量与激光脉冲宽度密切相关，脉冲宽度越长，能量越大，雷达最大探测距离越远；脉冲宽度越短，能量越小，雷达最大探测距离越近。另一方面，雷达近距离盲区长度与激光脉冲宽度有关，较长的激光脉冲会引起雷达近距离探测盲区增大。为减小激光雷达探测盲区，可通过缩短激光脉冲宽度来实现；然而短脉宽激光能量较低，会引起激光雷达最大探测距离减小。所以，较远的探测距离和较小的近距离探测盲区二者在传统激光测风雷达中是不可兼得的。
脉冲光纤激光测风雷达以脉冲光纤激光器做发射源，当激光器平均功率、脉冲重复频率一定时，脉宽减小，激光峰值功率升高，脉冲光纤激光器将产生非线性效应(受激布里渊(SBS)效应)，使得激光输出脉冲波形畸变，引起激光雷达探测能力下降，同时SBS效应也会影响激光器使用寿命。为抑制非线性效应，在减小激光脉冲宽度的同时，需提高激光脉冲重复频率，以避免非线性效应的产生。因此，为保证激光雷达最大探测距离的同时尽可能减小近距离探测盲区，可采用低重频长脉宽、高重频短脉宽两种参数模式的激光脉冲相结合的方法进行处理。现有的脉冲光纤激光测风雷达为减小盲区，通常都采用短脉宽的发射激光脉冲工作，由于激光能量相对较低，因此最大探测距离通常较近；而采用长脉宽脉冲的激光测风雷达，其探测盲区都较大，无法进行近距离风场测量。综上所述，目前的脉冲光纤激光测风雷达并无兼顾远近风场探测距离的有效技术手段。
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，提供一种可控制激光测风雷达交替输出两种参数模式的激光，能保证脉冲光纤激光测风雷达最大探测距离，又能同时尽可能减小近距离探测盲区，并对两种参数模式下激光脉冲对应回波信号进行处理的系统。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，包括：激光测风雷达系统中，通过光纤8，采用按顺序串联的1光纤激光器、声光调制器2、脉冲光纤放大器3、光学天线4、光电探测器5和经射频线缆9串联的信息处理模块6和经总线10串联的中控计算机7，其特征在于：声光调制器2通过射频线缆9并联信息处理模块6，接收中控计算机7指令后，向声光调制器2发出调制信号，声光调制器2输出与调制信号参数对应的种子激光脉冲，种子激光脉冲再输入脉冲光纤放大器3进行功率放大输出，光学天线4发射接收双模激光脉冲及其回波信号通过光纤8耦合注入光电探测器5转换为光电信号，并通过射频线缆9将光电信号传输至信息处理模块6对光电信号进行A/D采集、距离门划分和距离门频谱处理，将距离门频谱数据处理结果传入中控计算机7完成双模式距离门频谱数据组合，控制激光测风雷达交替输出两种参数模式的激光脉冲，同时对不同参数模式下激光回波信号进行处理，利用低重频长脉宽检测激光雷达最大探测距离和高重频短脉宽检测近距离探测盲区。
本发明有以下有益效果：
本发明基于脉冲光纤激光测风雷达，利用低重频长脉宽保证激光雷达最大探测距离，利用高重频短脉宽减少近距离探测盲区，可控制激光测风雷达交替输出两种参数模式的激光脉冲，由光学天线进行发射接收，回波信号经光电探测器接收，再由信息处理模块对不同参数模式下激光回波信号进行处理，处理结果数据最后由中控计算机进行组合存储，从而完成一次完整的径向风探测。激光测风雷达采用本发明，可以突破较远作用距离和较小近距离盲区二者之间的相互制约，从而在减小近距离探测盲区的同时，保证了不损失最大探测距离，而无需额外对激光器进行更换或设计改进。
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做进一步说明，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是本发明双模激光脉冲发射控制与回波信号处理系统的原理框图。
图2是图1的控制处理流程图。
图3是图1的控制处理数据组合示意图。
图中：1光纤激光器，2声光调制器，3脉冲光纤放大器，4光学天线，5光电探测器，6信息处理模块，7中控计算机，8光纤，9射频线缆，10总线，61高重频模式，611发射高重频激光，612高重频回波接收与光电转换，613高重频信号采集与距离门划分，614高重频信号距离门频谱处理，62低重频模式，621发射低重频激光，622低重频回波接收与光电转换，623低重频信号采集与距离门划分，624低重频信号距离门频谱处理，71高重频信号频谱数据存储，72-低重频信号频谱数据存储，73-数据组合，11高重频模式探测盲区，12高重频模式距离门频谱数据，13低重频模式探测盲区，14低重频模式距离门频谱数据,15高重频模式保留距离门频谱数据，16组合完成后的探测盲区，17组合完成后的距离门频谱数据。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，一种双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，包括：激光测风雷达系统中，通过光纤8，采用按顺序串联的1光纤激光器、声光调制器2、脉冲光纤放大器3、光学天线4、光电探测器5和经射频线缆9串联的信息处理模块6和经总线10串联的中控计算机7。声光调制器2通过射频线缆9并联信息处理模块6，接收中控计算机7指令后，向声光调制器2发出调制信号，声光调制器2输出与调制信号参数对应的种子激光脉冲，种子激光脉冲再输入脉冲光纤放大器3进行功率放大输出，光学天线4发射接收双模激光脉冲及其回波信号通过光纤8耦合注入光电探测器5转换为光电信号，并通过射频线缆9将光电信号传输至信息处理模块6对光电信号进行A/D采集、距离门划分和距离门频谱处理，将距离门频谱数据处理结果传入中控计算机7完成双模式距离门频谱数据组合，控制激光测风雷达交替输出两种参数模式的激光脉冲，同时对不同参数模式下激光回波信号进行处理，利用低重频长脉宽检测激光雷达最大探测距离和高重频短脉宽检测近距离探测盲区。其中，脉冲光纤放大器3对接收到的种子激光脉冲进行功率放大，并通过光学天线4发射；光学天线4为收发合一共口径天线；声光调制器5接收信息处理模块6发出的调制信号，调制出与参数对应的种子激光脉冲，并将种子激光脉冲输入脉冲光纤放大器3。中控计算机7通过PC104+总线接口与信息处理模块6实现通信。信息处理模块6采用AD+FPGA+DSP硬件构架，由FPGA产生控制声光调制器的调制信号，产生的调制信号为高重频短脉宽、低重频长脉宽两种模式的调制信号。信息处理模块对两种参数模式下的激光回波信号进行数据处理，包括AD采集、距离门划分、距离门频谱处理，并将处理结果数据存入中控计算机完成数据组合。
当雷达开始工作时，中控计算机发出开始工作指令；信息处理模块接收到开始工作指令后，向声光调制器发出“高重频短脉宽”模式调制信号，声光调制器调制出高重频短脉宽种子激光脉冲，并输入至脉冲光纤放大器；脉冲光纤放大器对高重频短脉宽种子激光脉冲进行功率放大，并通过光学天线发射；发射激光脉冲的后向散射回波信号由光学天线接收并与本振光信号通过光纤耦合混频后注入光电探测器；光电探测器将激光回波信号转换为中频电信号，中频电信号再传输至信息处理模块；信息处理模块对中频电信号进行AD采集，并对采样点进行距离门划分、距离门频谱处理；信息处理模块将处理结果数据送入中控计算机完成数据组合；中控计算机向信息处理模块发送数据接收结束信号，信息处理模块接收到结束信号后，再向声光调制器发出“低重频长脉宽”模式调制信号，声光调制器调制出低重频长脉宽种子激光脉冲，输入脉冲光纤放大器；系统按上述步骤重复进行激光脉冲发射和回波接收处理，直至中控计算机再次向信息处理模块发送数据接收结束信号。此时，完成了一次径向风探测。系统重复进行以上双参数模式的激光脉冲发射和回波接收处理，对测量风场数据进行刷新。
本发明中约定激光高重频为＞10kHz,低重频为≤10kHz。
参阅图2。为实现脉冲光纤激光测风雷达的激光回波信号接收处理，可根据以下工作步骤逐一实现。图1中的脉冲光纤放大器工作于高重频模式61，经光学天线发射高重频激光611，光电探测器完成回波信号接收与光电转换612，对光电探测器转换后的中频电信号进行采集与距离门划分613，完成高重频信号频谱处理614，将得到的高重频距离门频谱数据71存储在中控计算机7。高重频模式完成后，脉冲光纤放大器切换至低重频模式62，经光学天线发射低重频激光621，光电探测器完成回波信号接收与光电转换622，对光电探测器转换后的中频电信号进行采集与距离门划分623，完成低重频信号频谱处理624，将得到的低重频距离门频谱数据72存储在中控计算机7。中控计算机7将高重频与低重频模式下的距离门频谱数据进行数据组合73以获得最终距离门频谱数据处理结果。
参阅图3。信息处理模块将高低重频距离门频谱数据存入中控计算机进行数据组合73。其过程如下：高重频模式探测盲区11，高重频模式距离门频谱数据12，探测距离起点为N1，探测距离终点为N2；低重频模式探测盲区13，低重频模式距离门频谱数据14，探测距离起点为N3，探测距离终点为N4。信息处理模块在高重频模式距离门频谱数据12中，找到与低重频模式距离门起点N3对应的距离门位置，记该位置为N5；将高重频模式距离门频谱数据N1至N5距离门的频谱数据15，插入低重频模式距离门频谱数据之前，最终获得组合后的距离门频谱数据17，同时组合后的距离门频谱数据探测盲区16即为高重频模式探测盲区13。

Claims (10)

1.一种双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，包括：激光测风雷达系统中，通过光纤（8），采用按顺序串联的光纤激光器（1）、声光调制器（2）、脉冲光纤放大器（3）、光学天线（4）、光电探测器（5）和经射频线缆（9）串联的信息处理模块（6）和经总线（10）串联的中控计算机（7），其特征在于：声光调制器（2）通过射频线缆（9）并联信息处理模块（6），接收中控计算机（7）指令后，向声光调制器（2）发出调制信号，声光调制器（2）输出与调制信号参数对应的种子激光脉冲，种子激光脉冲再输入脉冲光纤放大器（3）进行功率放大输出，光学天线（4）发射接收双模激光脉冲及其回波信号通过光纤（8）耦合注入光电探测器（5）转换为光电信号，并通过射频线缆（9）将光电信号传输至信息处理模块（6）对光电信号进行A/D采集、距离门划分和距离门频谱处理，将距离门频谱数据处理结果传入中控计算机（7）完成双模式距离门频谱数据组合，控制激光测风雷达交替输出两种参数模式的激光脉冲，同时对不同参数模式下激光回波信号进行处理，利用低重频长脉宽检测激光雷达最大探测距离和高重频短脉宽检测近距离探测盲区。
2.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：脉冲光纤放大器（3）对接收到的种子激光脉冲进行功率放大，并通过光学天线（4）发射；光学天线（4）为收发合一共口径天线。
3.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：声光调制器（2）接收信息处理模块（6）发出的调制信号，调制出与参数对应的种子激光脉冲，并将种子激光脉冲输入脉冲光纤放大器（3）。
4.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：中控计算机（7）通过PC104+总线接口与信息处理模块（6）实现通信。
5.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：信息处理模块（6）采用AD+FPGA+DSP硬件构架，由FPGA产生控制声光调制器的调制信号，产生的调制信号为高重频短脉宽、低重频长脉宽两种模式的调制信号。
6.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：信息处理模块对两种参数模式下的激光回波信号进行数据处理，包括AD采集、距离门划分、距离门频谱处理，并将处理结果数据存入中控计算机完成数据组合。
7.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：信息处理模块接收到开始工作指令后，向声光调制器发出“高重频短脉宽”模式调制信号，声光调制器调制出高重频短脉宽种子激光脉冲，并输入至脉冲光纤放大器；脉冲光纤放大器对高重频短脉宽种子激光脉冲进行功率放大，并通过光学天线发射；发射激光脉冲的后向散射回波信号由光学天线接收并与本振光信号通过光纤耦合混频后注入光电探测器；光电探测器将激光回波信号转换为中频电信号，中频电信号再传输至信息处理模块；信息处理模块对中频电信号进行AD采集，并对采样点进行距离门划分、距离门频谱处理；信息处理模块将处理结果数据送入中控计算机完成数据组合；中控计算机向信息处理模块发送数据接收结束信号，信息处理模块接收到结束信号后，再向声光调制器发出“低重频长脉宽”模式调制信号，声光调制器调制出低重频长脉宽种子激光脉冲，输入脉冲光纤放大器；按上述步骤重复进行激光脉冲发射和回波接收处理，直至中控计算机再次向信息处理模块发送数据接收结束信号，并重复进行以上双参数模式的激光脉冲发射和回波接收处理，对测量风场数据进行刷新。
8.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：脉冲光纤放大器工作于高重频模式，经光学天线发射高重频激光（611），光电探测器完成回波信号接收与光电转换，对光电探测器转换后的中频电信号进行采集与距离门划分，完成高重频信号频谱处理，将得到的高重频距离门频谱数据存储在中控计算机7。
9.如权利要求8所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：高重频模式完成后，脉冲光纤放大器切换至低重频模式，经光学天线发射低重频激光，光电探测器完成回波信号接收与光电转换对光电探测器转换后的中频电信号进行采集与距离门划分，完成低重频信号频谱处理，将得到的低重频距离门频谱数据存储在中控计算机（7）。
10.如权利要求1所述的双模激光脉冲发射控制及回波信号处理系统，其特征在于：信息处理模块在高重频模式距离门频谱数据中，找到与低重频模式距离门起点N3对应的距离门位置，记该位置为N5；将高重频模式距离门频谱数据N1至N5距离门的频谱数据，插入低重频模式距离门频谱数据之前，最终获得组合后的距离门频谱数据，同时组合后的距离门频谱数据探测盲区即为高重频模式探测盲区。
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