CN106019303A - 多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，在该系统中分束出极小部分激光，利用偏振同轴光路耦合到一个自建的可控大气环境中，探测此环境中的大气回波信号，利用多普勒测风激光雷达鉴频系统、数据采集系统反演出此状态下的测量值。与此同时，大部分激光发射到自然大气，利用回波信号反演出自然大气的径向风速，两者之差即是真实的径向风速。本发明自建的大气环境可控，偏振同轴光路消除了几何因子影响，具有实时校准功能，提高了多普勒测风激光雷达测量精度。

Description

多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统。

背景技术

大气风场是大气动力学、气候气象学研究的重要参数之一，高时空分辨的风场信息可用于改善大气运动模式，提高数值天气预报的准确性。大气边界层以下的风场信息还可服务于民航、风力发电、国防军事等领域，对流层延伸至平流层的风场信息可用于研究大气动力学特性，观测大气重力波的传输、破碎过程以及破碎之后对背景风场的影响。因此准确测量大气风场对科学和现实应用上具有重要的意义。

目前，多普勒测风激光雷达是探测大气高时空分辨风场信息的主流手段之一。多普勒测风激光雷达基本原理如图1所示。种子注入式Nd:YAG激光器1产生准单色脉冲激光，分出很少一部分光作为参考光信号，输入接收机系统4，形成鉴频器与出射激光的闭环控制，大部分出射光经扩束器2射向大气。卡塞格林式望远镜3接收大气后向散射信号由多模光纤输入接收机系统4。接收系统采用直接光学鉴频技术，将大气后向散射光的Doppler频移转变为光信号的强度变化，通过测量光强变化，探测Doppler频移信息。接收系统中的探测器信号由采集系统5完成，控制系统6实现整个系统的控制。

多数测风激光雷达受到测量环境、激光器件稳定性以及探测器组件飘移等因素的影响会造成系统测量误差，而且这个误差不是固定的因此在测量初始之前无法修正，必须在实时测量过程中加以修正。这种误差造成的测风激光雷达径向风速飘移，为水平风速反演带来误差。举例说明，雷达系统采用0°、90°、180°、270°四个方向连续测量获得的径向风速应相对称，即0°方向和180°方向风速基本呈对称分布。但是，在雷达系统外场试验时发现，某些时候四个方向的径向风速会产生整体漂移，形成对称性的错位，影响水平风速反演。造成这种现象的原因在于每个径向风速产生了直流偏差，且这些偏差不固定，随着每次径向测量发生变化，如图2(a)所示。

目前，国内外有几种解决这种径向偏差问题，但都存在一些问题：1)NASA测风激光雷达中分出一小部分出射激光将其耦合到光学望远镜中，再通过光纤耦合进行光学接收机进行系统零多普勒频率校准；这种方法只能采集到一个点的数据，信噪比低，且望远镜管壁的杂散射光会形成干扰。2)国内中国海洋大学测风激光雷达采用垂直方向的数据来进行系统零多普勒频率校准，但是事实研究发现，垂直方向的风速不是严格为零，一般会有上下对流风，如果遇到下沉急流风速更大。因此，这种方法修正系统零多普勒方法会带来新的误差。3)中国科学技术大学的瑞利测风激光雷达采用气球数据来修正，如图2所示，图2(a)和(b)是未进行修正的四个对称方向连续测量的径向风速以及合成后的水平风速，可以看出径向风速出现了对称性错位，导致合成后的水平风速严重偏离实际风速走向；图2(c)和(d)是探空气球数据修正后的径向风速和水平风速，可以看出在信噪比较强的地方出现了径向风速对称分布，雷达测量的水平风速与探空气球测量结果一致性良好。但是，气球数据与雷达数据不能够实时同步且放探空气球成本太高，用其进行系统的径向风速修正会有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，用于修正不可避免的系统误差，提高测风激光雷达测量精度，该系统稳定性及可控性好，且具有实时同步径向风速误差修正的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，包括：

激光器、第一光学分束片、第二光学分束片、第一反射镜、偏振分束立方体、1/4波片、第一光学扩束系统、可控大气环境、第二反射镜、第二光学扩束系统、望远镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤合束器、第三光纤耦合器、光学鉴频系统、光电探测采集系统以及激光雷达控制系统；其中：

激光雷达控制系统控制激光器出射激光，激光器的出射激光经过第一分束片分束为反射光与透射光，其中的反射光由第三光纤耦合器进入光学鉴频系统；其中的透射光经过第二分束片分束为反射光与透射光，所述第二分束片分束后的透射光由第二反射镜经过第二扩束器射向大气，所述第二分束片分束后的反射光为线偏振激光，由第一反射镜入射到偏振分束器立方体，分成反射的p光和透射的s光，透射的s光垂直于入射方向，经 过1/4波片变成圆偏振光，进入第一光学扩束系统射向自建的可控大气环境，其回波信号通过第一光学扩束系统经过1/4波片之后变成平行于传播方向的p光，由偏振分束立方体5反射进入第二光纤耦合器，再由光纤合束器，入射到激光雷达鉴频系统，并经由光电探测采集系统采集后反演出自建的可控大气环境中的风速V₀；所述第一分束片与第二分束片分束后的透射光的比例远大于反射光的比例；

大气中的回波信号由望远镜接收，经由第一光纤耦合器通过光纤合束器入射到激光雷达鉴频系统；经由光电探测采集系统采集后反演出此刻的大气径向风速V_R，并根据自建的可控大气环境中的风速V₀对大气径向风速V_R进行校准。

进一步的，所述可控大气环境为预设长度的密闭管道，密闭管道的入口处设有可变风速发生器，管道内还设有进气阀、出气阀、温度传感器与风速计。

进一步的，所述温度传感器的精度为0.01度，风速计的精度为0.1m/s。

进一步的，所述第一光学扩束系统与密闭管道的入口连接，且连接处密封。

进一步的，所述第一分束片与第二分束片的中心波长为355nm，分束比例为2:98。

进一步的，所述偏振分束立方体的中心波长为355nm，消光比为1000:1。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，多普勒测风激光雷达系统在进行大气风场测量时，首先分出一小部分激光作为参考光，用于光学鉴频器(基于Fabry-Perot标准具测风激光雷达系统)的激光相对频率锁定。透过的大部分光束再分出一小部分进入自己构建的零风速大气模拟环境，此环境中的回波信号耦合进光纤合束器中进入测风激光雷达鉴频系统，通过反演得到零风速环境下的风速测量值V₀，即系统的本底误差。余下的大部分激光(大于99％)经过光学扩束系统射向大气，大气激光回波信号由光学望远镜接收，由光纤耦合进接收机，进行风速反演，获得径向风速V_R，V_R-V₀即为真实的径向风速。此发明最关键部分包括一个自建的可控大气环境，可以实现每一个径向同步实时的激光雷达系统本底误差修正，提高了多普勒测风激光雷达的精度。自行构造的可控大气环境可以实现多个不同大气状态下的风速修正，利用风速计或者流量计配合温度传感器可以实现瑞利多普勒测风激光雷达与其他测风设备的同步对比观测，以验证激光雷达系统的准确性。此外，本发明所搭建的系统可以反复利用，对于不同的激光雷达系统均可使用本发明多提供的装置，进行系统误差修正以及多普勒测风激光雷达系统准确性测试。本发明自建了一个可控的大气环境，克服了以往径向风速修正方法受到垂直大气环境、接收望远镜光污染等因素的约束，具有可控、可重复性及创新性等特点。还可以通 过控制装置内的大气气溶胶和大气分子之间的比例，实现不同高度(高度不同气溶胶含量不同)大气风场的对比测试。

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多普勒测风激光雷达示意图；

图2为本发明背景技术提供多普勒测风激光雷达对称四个方向径向风速及水平风速；

图3为本发明实施例提供的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的多普勒测风激光雷达几何因子示意图；

图5为本发明实施例提供的多普勒测风激光雷达径向风速实时校准工作时序。

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。

图3为本发明实施例提供的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统的示意图。如图3所示，其主要包括：

激光器1、第一光学分束片2、第二光学分束片3、第一反射镜4、偏振分束立方体5、1/4波片6、第一光学扩束系统7、可控大气环境8、第二反射镜14、第二光学扩束系统15、望远镜16、第一光纤耦合器17、第二光纤耦合器18、光纤合束器19、第三光纤耦合器20、光学鉴频系统21、光电探测采集系统22以及激光雷达控制系统23；其中：

激光雷达控制系统23控制激光器1出射激光，激光器1的出射激光经过第一分束片2分束为反射光与透射光，其中的反射光由第三光纤耦合器20进入光学鉴频系统21；其中的透射光经过第二分束片3分束为反射光与透射光，所述第二分束片3分束后的透射光由第 二反射镜14经过第二扩束器15射向大气24，所述第二分束片3分束后的反射光为线偏振激光，由第一反射镜4入射到偏振分束器立方体5，分成反射的p光和透射的s光，透射的s光垂直于入射方向，经过1/4波片6变成圆偏振光，进入第一光学扩束系统7射向自建的可控大气环境8，其回波信号通过第一光学扩束系统7经过1/4波片6之后变成平行于传播方向的p光，由偏振分束立方体5反射进入第二光纤耦合器18，再由光纤合束器19，入射到激光雷达鉴频系统21，并经由光电探测采集系统22采集后反演出自建的可控大气环境中的风速V₀；所述第一分束片2与第二分束片3分束后的透射光的比例远大于反射光的比例；

大气24中的回波信号由望远镜16接收，经由第一光纤耦合器17通过光纤合束器19入射到激光雷达鉴频系统21；经由光电探测采集系统22采集后反演出此刻的大气径向风速V_R，并根据自建的可控大气环境中的风速V₀对大气径向风速V_R进行校准。

上述系统中，所有的控制、采集、探测由光电探测采集系统22、激光雷达控制系统23完成。

本发明实施例中，所述可控大气环境8为预设长度(例如，40米)的密闭管道，密闭管道的入口处设有可变风速发生器9，管道内还设有进气阀10、出气阀11、温度传感器12与风速计13。

本发明实施例中，所述温度传感器12的精度为0.01度，风速计13的精度为0.1m/s。

本发明实施例中，所述第一光学扩束系统7与密闭管道的入口连接，且连接处密封。

本发明实施例中，所述第一分束片2与第二分束片3的中心波长为355nm，分束比例为2:98。

本发明实施例中，所述偏振分束立方体5的中心波长为355nm，消光比为1000:1。

该系统的校准过程和雷达实际工作过程在一个径向同时完成的主要依据是多普勒测风激光雷达受几何因子影响导致近场无大气回波信号，如图4为本发明实施例提供的多普勒测风激光雷达几何因子示意图，根据瑞利多普勒测风激光雷达设计参数可得3.1km以内无大气回波信号。因此，可用近场间隙时间采集自建大气环境管道中的信号反演出零风速状态下系统所测量的数值V₀。

本发明实施例提供的多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统最小距离分辨率为7.5m，40m管道(可控大气环境8)能够接收5个bin信号，采集系统前5个Bin的信号来自自建的可控大气环境8的信号。3.1km之后采集的信号为自然大气回波信号，经过鉴频系统反演出径向风速值V_R，V_R-V₀即为真实的径向风速。径向风速校准过程和多普勒测风 激光雷达系统的工作过程之间关系如图5所示，其包括，光子采集卡采集到信号1、光子采集卡门控触发2、光子探测器工作门控触发3、大气后向散射信号4、激光脉冲5、来自激光器TTL触发信号6。

本发明实施例的方案与现有技术对比，优点在于：

(1)本发明克服了气球校准的劣势，在径向风速测量时可消除系统径向风速偏差，具有实时性。利用可控的自建大气环境来进行径向风速校准，克服了利用垂直方向风速校准雷达径向风速过程中大气微扰动的影响。5个bin的校准信号相对于NASA一个bin的信号而言增强了信噪比，提高了校准精度

(2)40米管道中是密闭的准大气分子可控环境，管道侧壁安装风速发生器及风速计，可进不同风速的测风雷达系统校准。

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 (6)

1.一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，包括：

激光器、第一光学分束片、第二光学分束片、第一反射镜、偏振分束立方体、1/4波片、第一光学扩束系统、可控大气环境、第二反射镜、第二光学扩束系统、望远镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤合束器、第三光纤耦合器、光学鉴频系统、光电探测采集系统以及激光雷达控制系统；其中：

激光雷达控制系统控制激光器出射激光，激光器的出射激光经过第一分束片分束为反射光与透射光，其中的反射光由第三光纤耦合器进入光学鉴频系统；其中的透射光经过第二分束片分束为反射光与透射光，所述第二分束片分束后的透射光由第二反射镜经过第二扩束器射向大气，所述第二分束片分束后的反射光为线偏振激光，由第一反射镜入射到偏振分束器立方体，分成反射的p光和透射的s光，透射的s光垂直于入射方向，经过1/4波片变成圆偏振光，进入第一光学扩束系统射向自建的可控大气环境，其回波信号通过第一光学扩束系统经过1/4波片之后变成平行于传播方向的p光，由偏振分束立方体5反射进入第二光纤耦合器，再由光纤合束器，入射到激光雷达鉴频系统，并经由光电探测采集系统采集后反演出自建的可控大气环境中的风速V₀；所述第一分束片与第二分束片分束后的透射光的比例远大于反射光的比例；

大气中的回波信号由望远镜接收，经由第一光纤耦合器通过光纤合束器入射到激光雷达鉴频系统；经由光电探测采集系统采集后反演出此刻的大气径向风速V_R，并根据自建的可控大气环境中的风速V₀对大气径向风速V_R进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，所述可控大气环境为预设长度的密闭管道，密闭管道的入口处设有可变风速发生器，管道内还设有进气阀、出气阀、温度传感器与风速计。

3.根据权利要求2所述的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，所述温度传感器的精度为0.01度，风速计的精度为0.1m/s。

4.根据权利要求2所述的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，所述第一光学扩束系统与密闭管道的入口连接，且连接处密封。

5.根据权利要求1所述的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，所述第一分束片与第二分束片的中心波长为355nm，分束比例为2:98。

6.根据权利要求1所述的一种多普勒测风激光雷达径向风速实时校准系统，其特征在于，所述偏振分束立方体的中心波长为355nm，消光比为1000:1。