CN106019313A - 基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其利用偏振复用技术将F‑P干涉仪的反射信号的偏振态调制为与反射信号的偏振态正交；当反射信号再经过F‑P干涉仪时，由于F‑P干涉仪的偏振特性，反射信号的透过率曲线与透射信号的透过率曲线存在频移差，从而形成双边缘。将激光频率锁定在这两个透过率曲线的交叉点处，当大气回波信号发生多普勒频移时，将引起其中一个信号的能量增强，而另外一个信号能量的减弱，通过这两个能量的相对变化提取大气风速信息。该方案能够充分利用能量资源，同时，具有抑制太阳背景噪声、结构紧凑和造价低的优点。

Description

基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达。

背景技术

大气探测激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触探测等优点，已应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、气溶胶光学特性探测等领域。其中，多普勒测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型和提高军事环境预报具有重大意义。多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光拍频的方式探测风速。直接探测利用鉴频器将多普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。直接探测可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采用F-P干涉仪(Fabry–Perot Interferometer)或菲佐干涉仪(Fizeau Interferometer)产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气后向散射信号的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer)、光栅、棱镜、马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)等高分辨鉴频率器。

采用边缘技术的测风激光雷达中，F-P干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度，针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛的鉴频器。国外开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的研究单位主要有法国的OHP观测站、美国NASA、欧空局(European Space Agency，ESA)、德国、英国、挪威、联合建设的北极激光雷达观测站(ALOMAR，Arctic Lidar Observatory of MiddleAtmosphere Research)，同时，丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展基于直接探测测风激光雷达的研究单位主要有中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学。

目前，基于光纤F-P干涉仪的1.5μm双边缘探测测风激光雷达主要有如下三种实现方案：

1)基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，该设备利用光纤F-P干涉仪中光纤的偏振模色散，通过调节入射到F-P干涉仪的激光偏振态，使F-P干涉仪的透过率曲线形成双峰结构，再通过偏振分束器将不同偏振态的激光分离开来，从而形成双边缘，利用该双边缘进行频移的探测。

2)基于偏振复用的直接探测测风激光雷达。该方案通过偏振调制使参考光和信号光的偏振态正交，这两偏振态的激光经F-P干涉仪后的透过率曲线相互错开，通过偏振分离完成对参考光和信号光的同时探测。

3)单腔F-P干涉仪单探测器实现透反式双边缘的测风激光雷达。该方案采用F-P干涉仪的透射谱和反射谱形成双边缘，利用时分复用技术使透射信号和反射信号在时域上分开，从而实现单个探测器完成透射信号和反射信号的探测。

第一种方案和第二种方案的缺点在于，未利用F-P干涉仪的反射信号，造成了能量的浪费；同时，需采用多个探测器，难以避免各探测器相互之间不稳定引入的系统误差。第三种方案的缺点在于，由于采用F-P干涉仪的反射谱，从而降低了F-P干涉仪对太阳背景噪声的抑制，减低了信噪比，减小了探测距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，能够充分利用大气回波信号，同时，具有抑制太阳背景噪声、结构紧凑和造价低的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、光学滤波单元300、光学鉴频单元400、探测器单元500、数据采集单元600；其中：

激光脉冲产生单元100出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元200，经收发望远镜单元200扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元200接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元300滤除背景噪声，再经光学鉴频单元400根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元500进行探测，探测到的电信号通过数据采集单元600进行采集和记录，并进行风速的反演计算。

所述激光脉冲产生单元100包括：激光种子光源101、脉冲调制器102、脉冲光经光纤分束器103、掺铒光纤放大器104与衰减器105；其中：

激光种子光源101出射的激光信号由脉冲调制器102制成脉冲光，再经脉冲光经光纤分束器103分成两路；

其中一路经衰减器105衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400，其用于激光频率的标定；

另外一路经掺铒光纤放大器104放大后入射到收发望远镜单元200，用于大气风场的探测。

所述收发望远镜单元200采用双轴系统。

所述光学鉴频单元400包括：光纤耦合器401、光开关402、光纤环形器403、光纤F-P干涉仪404、光纤F-P干涉仪的控制器405、延时光纤406、偏振控制器407和光纤F-P干涉仪的温控装置408；其中：

滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号经光纤耦合器401分时进入光学鉴频单元400，每一种光信号均经光纤耦合器401后进入光开关402的a端口，再经过光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其中的光纤F-P干涉仪404中的透射信号由探测单元500探测，而光纤F-P干涉仪404中的反射信号经光纤环形器403的2端口和3端口后，经过延时光纤406延时，使其与反射信号在时域上分开，经延时的信号通过偏振控制器407调节至其偏振态与透射信号的偏振态垂直，然后进入光开关的b端口，再经光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其透射信号由探测单元500探测；所述的光纤F-P干涉仪404放置在所述光纤F-P干涉仪的温控装置408中，所述的光纤F-P干涉仪的控制器405与光纤F-P干涉仪404相连，用于控制光纤F-P干涉仪404的工作过程。

所述探测器单元500包括：上转换单光子探测器、超导单光子探测器或者铟镓砷雪崩光电二极管。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用偏振复用技术将F-P干涉仪的反射信号的偏振态调制为与反射信号的偏振态正交；当反射信号再经过F-P干涉仪时，由于F-P干涉仪的偏振特性，反射信号的透过率曲线与透射信号的透过率曲线存在频移差，从而形成双边缘。将激光频率锁定在这两个透过率曲线的交叉点处，当大气回波信号发生多普勒频移时，将引起其中一个信号的能量增强，而另外一个信号能量的减弱，通过这两个能量的相对变化提取大气风速信息；其主要具有如下优点：1)采用时分复用技术使F-P干涉仪的透射信号和反射信号在时域上分开探测，从而保证了双边缘测风激光雷达的单像素探测器实现；单像素探测消除了激光器功率抖动和探测器不稳定引入的系统误差。2)利用光纤F-P干涉仪的偏振特性，即由于光纤的偏振模色散，当偏振态正交的两束激光入射到F-P干涉仪时光程不同，从而导致透过率曲线存在频率差。本发明利用这两个透过率曲线形成的双边缘进行风速探测器。本发明将F-P干涉仪的反射信号的偏振态调节至与透射信号的偏振态正交后，再检测反射信号经过F-P干涉仪的透过信号；相比于背景技术记载的第三种现有技术，本发明检测F-P干涉仪的透射信号，从而有效抑制了F-P干涉仪反射通道引入的太阳背景噪声。3)收发望远镜单元采用双轴系统，消除了同轴系统中出射光源的ASE(Amplified Spontaneous Emission)引入的噪声。

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为本发明实施例提供的基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达的工作时序图；

图3为本发明实施例提供的基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达的原理图。

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。

本发明实施例提供一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，如图1所示，其主要包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、光学滤波单元300、光学鉴频单元400、探测器单元500、数据采集单元600；其中：

激光脉冲产生单元100出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元200，经收发望远镜单元200扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元200接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元300滤除背景噪声，再经光学鉴频单元400根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元500进行探测，探测到的电信号通过数据采集单元600进行采集和记录，并进行风速的反演计算。

本发明实施例中，所述激光脉冲产生单元100包括：激光种子光源101、脉冲调制器102、脉冲光经光纤分束器103、掺铒光纤放大器104与衰减器105；其中：激光种子光源101出射的激光信号由脉冲调制器102制成脉冲光(其工作波长优选为1.5μm)，再经脉冲光经光纤分束器103分成两路；其中一路经衰减器105衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400，其用于激光频率的标定；另外一路经掺铒光纤放大器104放大后入射到收发望远镜单元200，用于大气风场的探测。

本发明实施例中，所述的脉冲调制器102包括强度调制器和声光调制器。

此外，所述的激光脉冲产生单元100也可以为满足大气探测要求的其他类型脉冲激光器。

本发明实施例中，所述收发望远镜单元200采用双轴系统。

本发明实施例中，所述光学滤波单元300包括：相互连接的光纤环形器301与反射式光纤布拉格光栅302。

本发明实施例中，所述光学鉴频单元400包括：光纤耦合器401、光开关402、光纤环形器403、光纤F-P干涉仪404、光纤F-P干涉仪的控制器405、延时光纤406、偏振控制器407和光纤F-P干涉仪的温控装置408；其中：

滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号经光纤耦合器401分时进入光学鉴频单元400，每一种光信号均经光学耦合器401出射后进入光开关402的a端口，再经过光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其中的光纤F-P干涉仪404中的透射信号由探测单元500探测，而光纤F-P干涉仪404中的反射信号经光纤环形器403的2端口和3端口后，经过延时光纤406延时，使其与反射信号在时域上分开，经延时的信号通过偏振控制器407调节至其偏振态与透射信号的偏振态垂直，然后进入光开关的b端口，再经光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其透射信号由探测单元500探测。

本发明实施例中，所述的光纤F-P干涉仪404放置在所述光纤F-P干涉仪的温控装置408中，所述的光纤F-P干涉仪的控制器405与光纤F-P干涉仪404相连，用于控制光纤F-P干涉仪404的工作过程。

本发明实施例中，所述探测器单元500包括但不限于：上转换单光子探测器、超导单光子探测器或者铟镓砷雪崩光电二极管。

本发明提出的测风激光雷达的时序如图2所示。激光脉冲产生单元100输出两路信号，一路作为参考激光，另外一路出射到大气中。参考激光需衰减到单光子水平，避免损伤探测器；信号光需要经掺铒光纤放大器放大，以提供足够的能量进行风速探测。参考光在时域上先进入光学鉴频单元300，而距离分辨的大气回波信号随后进入，如图2所示。本发明采用时分复用技术，当大气回波信号到达F-P干涉仪时，F-P干涉仪的透射信号进入探测，如图2(2)的P偏振信号所示；反射信号经延时和偏振态调节后再进F-P干涉仪，这时的透射信号如图2(3)中的S偏振信号所示。

大气气溶胶回波信号经F-P干涉仪后的谱线是激光谱和F-P干涉仪的透过率曲线的卷积

T(υ,Δυ_M)＝h(υ)*I(υ,Δυ_M), (1)

式中，υ为光频，Δυ_M为气溶胶谱的1/e强度处的宽度。

理想的F-P干涉仪透过率函数为

$h\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{T_0{(1-R_e)}^2}{1+R_e^2-2R_{e}cos(2\mathrm{\π}\mathrm{\μ}\mathrm{\υ}cos\mathrm{\θ}/{\mathrm{\Δ\υ}}_{FSR})},---\left(2\right)$

式中，R_e为有效反射率，υ为光频，θ为入射光与标准具反射表面法线的夹角，μ为有效折射率指数，Δυ_FSR为自由光谱间距，T₀为峰值透过率。T₀可表示为

T₀＝[1-A/(1-R_e)]², (3)

式中，A为F-P干涉仪平板的吸收损耗。对于空气间隙的F-P干涉仪，μ≈1。

由于气溶胶粒子的布朗运动不会引起谱线明显展宽，因此可用出射激光谱I_L(υ,Δυ_M)近似气溶胶散射谱I(υ,Δυ_M)，

$I(\mathrm{\υ},{\mathrm{\Δ\υ}}_M)\≈I_L(\mathrm{\υ},{\mathrm{\Δ\υ}}_M)={\left(\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ\υ}}_M\right)}^{-1}\exp (-{\mathrm{\υ}}^2/{\mathrm{\Δ\υ}}_M^2),---\left(4\right)$

类似的，大气气溶胶经F-P干涉仪反射后的谱线可表示为

R(υ,υ_c,Δυ_M)＝r(υ)*I(υ,υ_c,Δυ_M), (5)

式中，r(υ)为F-P干涉仪的反射曲线，可表示为r(υ)＝1-h(υ)。

在光纤F-P干涉仪中，由于两个反射端面之间插入光纤的偏振模色散，导致了偏振态正交的激光经过F-P干涉仪时光程不同。假定插入光纤的偏振色散为τ_p，光纤长度为l，则两个偏振态正交的激光经F-P干涉仪时，光程差Δl可表示为

Δl＝τ_p·c·l (6)

式中c为光速。Δl对应的频率差Δυ_p可表示为

Δυ_p＝-υ₀·Δl/d (7)

式中υ₀为激光入射频率；d为光纤F-P干涉仪两反射端面的间距，即腔长。因此，当偏振态正交的激光入射到F-P干涉仪时，其透过率曲线可表示为

h_p(υ,Δυ_p)＝h(υ-Δυ_p), (8)

本发明通过偏振复用技术，将F-P干涉仪的反射光的偏振态调节至与透射光的偏振态垂直，并将其再次通过F-P干涉仪进行鉴频，反射信号再次经过F-P干涉仪时的透过谱线可表示为

R_p(υ,υ_c,Δυ_M)＝r(υ)*I(υ,υ_c,Δυ_M)×h_p(υ,Δυ_p), (9)

本发明提出的风激光雷达的原理参见图3，窄线宽激光入射到F-P干涉仪时，通过扫描F-P干涉仪的腔长，可获得F-P干涉仪的透射谱和反射谱，其中透射谱T(υ,Δυ_M)如图3中的P偏振光透过率曲线所示。当S偏振态的激光经过F-P干涉仪时，其透射谱的中心与P偏振透射谱的中心相差Δυ_p。本专利提出将F-P干涉仪的反射信号的偏振态调制成与透射信号的偏振态正交，再将其再次通过F-P干涉仪进行鉴频，其形成的透过率曲线R_p(υ,υ_c,Δυ_M)如图3中的透过率曲线所示。通过将激光频率锁定在这两个透过率曲线的交叉点处，当大气回波信号发生多普勒频移时，将引起信号能量在其中一个透过率曲线上增强，而在另外一个透过率曲线上减低，通过能量的变化进而提取大气的多普勒频移信息。

本发明上述实施例主要具有如下优点：

1)采用时分复用技术使F-P干涉仪的透射信号和反射信号在时域上分开探测，从而保证了双边缘测风激光雷达的单像素探测器实现；单像素探测消除了激光器功率抖动和探测器不稳定引入的系统误差。

2)利用光纤F-P干涉仪的偏振特性，即由于光纤的偏振模色散，当偏振态正交的两束激光入射到F-P干涉仪时光程不同，从而导致透过率曲线存在频率差。本发明利用这两个透过率曲线形成的双边缘进行风速探测器。本发明将F-P干涉仪的反射信号的偏振态调节至与透射信号的偏振态正交后，再检测反射信号经过F-P干涉仪的透过信号；相比于背景技术记载的第三种现有技术，本发明检测F-P干涉仪的透射信号，从而有效抑制了F-P干涉仪反射通道引入的太阳背景噪声。

3)收发望远镜单元采用双轴系统，消除了同轴系统中出射光源的ASE(AmplifiedSpontaneous Emission)引入的噪声。

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 (5)

1.一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(100)、收发望远镜单元(200)、光学滤波单元(300)、光学鉴频单元(400)、探测器单元(500)、数据采集单元(600)；其中：

激光脉冲产生单元(100)出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元(400)；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元(200)，经收发望远镜单元(200)扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元(200)接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元(300)滤除背景噪声，再经光学鉴频单元(400)根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元(500)进行探测，探测到的电信号通过数据采集单元(600)进行采集和记录，并进行风速的反演计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述激光脉冲产生单元(100)包括：激光种子光源(101)、脉冲调制器(102)、脉冲光经光纤分束器(103)、掺铒光纤放大器(104)与衰减器(105)；其中：

激光种子光源(101)出射的激光信号由脉冲调制器(102)制成脉冲光，再经脉冲光经光纤分束器(103)分成两路；

其中一路经衰减器(105)衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元(400)，其用于激光频率的标定；

另外一路经掺铒光纤放大器(104)放大后入射到收发望远镜单元(200)，用于大气风场的探测。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述收发望远镜单元(200)采用双轴系统。

4.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述光学鉴频单元(400)包括：光纤耦合器(401)、光开关(402)、光纤环形器(403)、光纤F-P干涉仪(404)、光纤F-P干涉仪的控制器(405)、延时光纤(406)、偏振控制器(407)和光纤F-P干涉仪的温控装置(408)；其中：

滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号经光纤耦合器(401)分时进入光学鉴频单元(400)，每一种光信号均经光纤耦合器(401)后进入光开关(402)的a端口，再经过光纤环形器(403)的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪(404)的入射端，其中的光纤F-P干涉仪(404)中的透射信号由探测单元(500)探测，而光纤F-P干涉仪(404)中的反射信号经光纤环形器(403)的2端口和3端口后，经过延时光纤(406)延时，使其与反射信号在时域上分开，经延时的信号通过偏振控制器(407)调节至其偏振态与透射信号的偏振态垂直，然后进入光开关的b端口，再经光纤环形器(403)的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪(404)的入射端，其透射信号由探测单元(500)探测；所述的光纤F-P干涉仪(404)放置在所述光纤F-P干涉仪的温控装置(408)中，所述的光纤F-P干涉仪的控制器(405)与光纤F-P干涉仪(404)相连，用于控制光纤F-P干涉仪(404)的工作过程。

5.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述探测器单元(500)包括：上转换单光子探测器、超导单光子探测器或者铟镓砷雪崩光电二极管。