CN106932785B - 一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块。本发明采用快慢轴转换元件将S偏振态信号光转化为P偏振态信号光，只需单一P偏振态本振光便可实现与不同偏振态回波信号的拍频；使用保偏延时光纤，将不同偏振态的信号在时域上分开，从而实现使用一个光电探测器对不同偏振态回波信号的探测，相对于两个光电探测器分别探测不同偏振态混频信号，本发明减小了由于探测器响应不同导致的误差，精简了激光雷达的接收机系统。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。
背景技术
精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。
相干测风激光雷达基本结构如图1：连续波激光器产生中心频率为υ0的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υM的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υd，则回波信号中心频率为υ0+υM+υd，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υM+υd的IF电信号，再经数据采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。
偏振激光雷达通过测量不同线偏振态的回波信号，可以反演线性退偏振比。退偏比与大气气溶胶成分相关。在不规则颗粒物含量较少的干洁大气中，退偏比接近0，在含有较多盐粒结晶的海洋表面，其会显著上升，在空气严重污染和沙尘暴等情况下，其值为0.2-0.3，极端情况下可达0.4。因此通过测量退偏比，可以确定大气气溶胶种类和判断大气污染情况。
在直接探测测风激光雷达领域，自Scholand和Sassen在1971年发表了利用偏振激光雷达对云进行探测研究的文章之后，直接探测偏振激光雷达用于大气探测已经有40多年历史。近些年来，为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间分布和时间演变资料的需求，全球先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网(如EARLINET、AD-Net等)、全球大气气溶胶激光雷达观测网(GALION)和星载激光雷达(CALIPSO)。根据2008年世界气象组织(WMO)发布的GAW Report No.178文件中明确指出，Mie散射激光雷达，偏振激光雷达和多波长Raman激光雷达可以用于气溶胶种类的反演。其中，偏振Mie散射激光雷达已经有成熟商业化产品，如国际上的微脉冲激光雷达网
(MPLNET)、亚洲沙尘网(AD-Net)和星载激光雷达CALIOP，平流层气溶胶的测量目前也主要依靠Mie散射激光雷达。
在相干探测测风激光雷达领域，1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。但是，以上传统相干测风激光雷达都只能测量与本振光偏振态一致的单一偏振态回波信号，无法测量大气退偏振比，因此目前国际和国内还没有使用相干测风激光雷达测量大气退偏振比研究的报道。
本发明的发明人经过研究发现：传统相干测风激光雷达至少存在以下问题：
(1)在相干测风激光雷达系统中，相干拍频的必要条件之一为信号光和本振光处于同一偏振态，但由于气溶胶退偏振效应，回波信号不再是线偏振光，从而导致传统相干测风激光雷达的部分回波信号的偏振态与本振激光偏振态不同，所以造成回波信号的损失。
(2)因为退偏振比与气溶胶的情况有关，所以传统相干测风激光雷达信号无法反映出气溶胶情况。
发明内容
本发明的目的是提出一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。通过测量不同偏振态的信号，实现气溶胶退偏振比的测量，同时，能够根据不同偏振态的信号测量大气风速。另外，本发明基于时分复用技术，使用单个光电探测器实现不同偏振态信号的探测，结构简单，且避免了因探测器性能波动导致的系统误差，提高了相干测风激光雷达的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块；其中，
连续波激光器的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器用于将连续波激光器输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器的第二输出端输出；光纤分束器的第一输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与激光放大器的输入端连接，发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接；光纤分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
接收望远镜与偏振分束元件连接，偏振分束元件用于将所述接收望远镜接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件的第二输出端输出，偏振分束元件的第一输出端与快慢轴转换元件的输入端连接，所述快慢轴转换元件用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件的输出端与光电开关的第一输入端连接，偏振分束元件的第二输出端与保偏延时元件的第一端连接，保偏延时元件的第二端与光电开关的第二输入端连接；
所述光电开关的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与所述数据采集卡、数字信号处理模块依次连接。
所述连续波激光器为光纤激光器。
进一步地，所述光电探测器为平衡探测器。
进一步地，所述连续波激光器、光纤分束器、光调制器和发射望远镜之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、耦合器和光电探测器之间采用保偏光纤连接。
可选地，所述光调制器为声光调制器或电光调制器。
本发明还提供了一种基于上述时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法，包括：
连续波激光器输出激光至光纤分束器；
光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；
信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后由发射望远镜出射；
本振光输入耦合器；
接收望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号；
偏振分束元件将接收望远镜接收的回波信号分为S偏振光和P偏振光，P偏振光经保偏延时元件延时后输入光电开关，S偏振光经快慢轴转换元件转换为P偏振光后输入光电开关；
控制光电开关在同一发激光脉冲时间内，先允许经快慢轴转换元件转换后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测，经数据采集卡和数字信号处理模块处理后，再允许经保偏延时元件延时后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测；
数据采集卡将光电探测器输出的电信号转换为数字信号后输出至数字信号处理模块；
数字信号处理模块根据输入的信号测量回波信号的偏振态和风速。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、激光放大器、光调制器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块；其中，
连续波激光器的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器用于将连续波激光器输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器的第二输出端输出；光纤分束器的第一输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与激光放大器的输入端连接，发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接；光纤分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
接收望远镜与偏振分束元件连接，偏振分束元件用于将所述接收望远镜接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件的第二输出端输出，偏振分束元件的第一输出端与快慢轴转换元件的输入端连接，所述快慢轴转换元件用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件的输出端与保偏延时元件的第一端连接，保偏延时元件的第二端与光电开关的第一输入端连接，偏振分束元件的第二输出端与光电开关的第二输入端连接；
所述光电开关的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与所述数据采集卡、数字信号处理模块依次连接。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块；
连续波激光器的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器的第一输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与激光放大器的输入端连接，发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接；光纤分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
接收望远镜与偏振分束元件连接，偏振分束元件用于将所述接收望远镜接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件的第二输出端输出，偏振分束元件的第一输出端与快慢轴转换元件的输入端连接，所述快慢轴转换元件用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件的输出端与耦合器的第二输入端连接，偏振分束元件的第二输出端与保偏延时元件的第一端连接，保偏延时元件的第二端与耦合器的第三输入端连接；
耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与所述数据采集卡、数字信号处理模块依次连接。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、激光放大器、光调制器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块；
连续波激光器的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器的第一输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与激光放大器的输入端连接，发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接；光纤分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
接收望远镜与偏振分束元件连接，偏振分束元件用于将所述接收望远镜接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件的第二输出端输出，偏振分束元件的第一输出端与快慢轴转换元件的输入端连接，所述快慢轴转换元件用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件的输出端与保偏延时元件的第一端连接，保偏延时元件的第二端与耦合器的第二输入端连接，偏振分束元件的第二输出端与耦合器的第三输入端连接；
耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与所述数据采集卡、数字信号处理模块依次连接。实施本发明，具有如下有益效果：
(1)本发明采用偏振分束器将不同偏振态的回波信号分开，分别与本振光混频，实现回波信号偏振态的测量。
(2)本发明采用快慢轴转换元件将S偏振态信号光转化为P偏振态信号光，使光电开关的输出光信号均为P偏振态，只需单一P偏振态本振光便可实现与不同偏振态回波信号的拍频，有效降低了信号处理的复杂度，简化了激光雷达的结构。
(3)本发明采用偏振分束器、保偏延时光纤和光电开关实现探测信号的时分复用。偏振分束器将不同偏振态的回波信号光分为P偏振态和S偏振态。S偏振态光经快慢轴转换元件转为P偏振态后进入光电开关，P偏振态的光经保偏延时光纤之后，再进入光电开关；光电开关将P偏振态和S偏振态的光分时导通，与本振光混频后输入至光电探测器中。通过时分复用，将不同偏振态的信号在时域上分开。使用同一个光电探测器探测，实现了使用一个光电探测器对不同偏振态回波信号的探测，相对于两个光电探测器分别探测不同偏振态混频信号，本发明减小了由于探测器响应不同导致的误差，精简了激光雷达的接收机系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。
图1是根据现有技术的相干激光雷达的结构图；
图2是根据实施例1提供的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的结构图；
图3是根据实施例1提供的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的控制时序图；
图4是根据实施例2提供的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达结构图；
图5是根据实施例3提供的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达结构图；
图6是根据实施例4提供的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达结构图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。
实施例1：
图2是时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的结构图，图3是根据图2中时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的控制时序图，以下结合图2至图3对本发明实施例进行详细示例说明。
如图2所示，一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、发射望远镜5、接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、光电开关10、耦合器11、光电探测器12、数据采集卡13和数字信号处理模块14；其中，
连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接。在一个可选的实施例中，连续波激光器1为光纤激光器，连续激光器1输出的光信号为线偏振光。光纤激光器具体体积小、重量轻的优点。相应的，激光放大器4能够放大连续波激光器1输出的线偏振光。光纤分束器2用于将连续波激光器1输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器2的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器2的第二输出端输出。第一路光信号为信号光，第二路光信号为本振光。
光纤分束器2的第一输出端与光调制器3的输入端连接，光调制器3的输出端与激光放大器4的输入端连接，发射望远镜5的输入端与激光放大器4的输出端连接。光纤分束器2的第二输出端与耦合器11的第一输入端连接。
光调制器3可以是声光调制器，或者光调制器3可以是电光调制器，只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器，均适用于本发明。
接收望远镜6与偏振分束元件7连接。接收望远镜6被配置为能够接收到发射望远镜5输出光信号的的后向散射信号。
偏振分束元件7用于将所述接收望远镜6接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光与第二线偏振光具有不同的偏振态。第一线偏振光经偏振分束元件7的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件7的第二输出端输出，偏振分束元件7的第一输出端与快慢轴转换元件9的输入端连接，所述快慢轴转换元件9用于改变线偏振光的偏振态。
在一个可选的实施例中，所述第一线偏振光为S线偏振光，所述第二线偏振光为P线偏振光。S线偏振光也称为S偏振光、S偏振态光，P线偏振光也称为P偏振光、P偏振态光。
为了实现相干探测，第二线偏振光的偏振态与光纤分束器2的第二输出端输出光信号的偏振态相同。具体地，若连续激光器1输出P线偏振光，则光纤分束器2的第二输出端输出P线偏振光，偏振分束元件7分束后的第二线偏振光为P线偏振光，第一线偏振光为S线偏振光。快慢轴转换元件9将S线偏振光转换为P线偏振光。在一个可选的实施例中，快慢轴转换元件9为二分之一玻片。当然，快慢轴转换元件9还可以是其他形式，只要能实现将S线偏振光转换为P线偏振光的元件均适用于本发明。
作为可选的实施例，偏振分束元件7为光纤偏振分束器。
快慢轴转换元件9的输出端与光电开关10的第一输入端连接。
偏振分束元件7的第二输出端与保偏延时元件8的第一端连接，保偏延时元件8的第二端与光电开关10的第二输入端连接。
在一个可选的实施例中，保偏延时元件8为保偏延时光纤。所述保偏延时元件8用于对传播的光信号进行保偏延时。本申请中保偏延时元件8用于在将偏振分束元件7分束后的光信号之间产生延时，从而成功地将不同偏振态的信号在时域上分开。
需要说明的是，偏振分束元件7与快慢轴转换元件9在形式上可以集成为一体也可以分开为独立的两个元件。当偏振分束元件7与快慢轴转换元件9集成为一个组件时，该组件输出两路光信号，一路为第二线偏振光，即P线偏振光；另一路为经过转换后的第一线偏振光，转换为P线偏振光的S线偏振光。
所述光电开关10的输出端与耦合器11的第二输入端连接，耦合器11的输出端与光电探测器12连接，光电探测器12的输出端与所述数据采集卡13、数字信号处理模块14依次连接。
所述光电开关10用于触发选通或关闭输入的多个光信号，光电开关10对光信号的衰减小，能够有效地提高探测效率。
所述耦合器11用于融合第一输入端和第二输入端输入的光信号，使本振光与光电开关输入的光信号进行拍频。在一个可选的实施例中，所述耦合器11为光纤耦合器，将不同的光纤融合为一体，实现同时接收多个光纤输入信号。
在一个可选的实施例中，所述光电探测器12为平衡探测器。所述光电探测器12用于检测耦合器11输出的光信号。
数据采集卡13用于将光电探测器12输出的模拟信号转换为数字信号。数字信号处理模块14用于接收数据采集卡13输出的数字信号，并对获取的信号分析处理，计算得到大气风速和气溶胶的退偏比。
在一个可选的实施例中，所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4和发射望远镜5之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11和光电探测器12之间采用保偏光纤连接。保偏光纤能够保证传输的光信号偏振状态不发生变化，从而提高测量精度和准确度，提高探测效率。另外，除数字信号处理模块14外，本发明的各个元件之间均采用光纤连接，有效地减小了整个装置的体积、重量，同时，由于光纤轻柔、可弯折的特性，光纤连接有效地增加了装置的灵活性和便携性，降低装置的硬件装配要求。
下面结合图3对本发明的工作过程进行说明：
连续波激光器1发出线偏振激光，激光经光纤分束器2分为本振光和信号光。信号光经声光调制器3调制成脉冲光后，经激光放大器4进行能量放大，并输入发射望远镜5，发射至大气中。脉冲光的频率可以为80MHz。
本振光输入到耦合器11中。
出射激光经大气作用后，后向散射信号由接收望远镜6接收。由于大气的退偏振现象，回波信号不再是线偏振光，此时回波信号中存在P偏振态和S偏振态两种偏振光。两种偏振光在偏振分束元件7处分开，S偏振态光经快慢轴转换元件9转为P偏振态，接入光电开关10的第一输入端，P偏振态光进入保偏延时光纤8，经过延时之后接入光电开关10的第二输入端。
通过控制光电开关10，在同一发激光脉冲时间内，先允许S偏振态信号光与本振光混频，并进入光电探测器12进行探测，经数据采集卡13和数字信号处理模块14处理后，再允许P偏振态信号光与本振光混频，并进入光电探测器12进行探测，经数据采集卡13和数字信号处理模块14处理。实现单个光电探测器对不同偏振态回波信号的检测。
本发明还提供了一种基于上述时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法，包括：
连续波激光器输出激光至光纤分束器；
光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；
信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后由发射望远镜出射；
本振光输入耦合器；
接收望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号；
偏振分束元件将接收望远镜接收的回波信号分为S偏振光和P偏振光，P偏振光经保偏延时元件延时后输入光电开关，S偏振光经快慢轴转换元件转换为P偏振光后输入光电开关；
控制光电开关在同一发激光脉冲时间内，先允许经快慢轴转换元件转换后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测，经数据采集卡和数字信号处理模块处理后，再允许经保偏延时元件延时后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测；
数据采集卡将光电探测器输出的电信号转换为数字信号后输出至数字信号处理模块；
数字信号处理模块根据输入的信号测量回波信号的偏振态和风速。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用偏振分束器将不同偏振态的回波信号分开，分别与本振光混频，实现回波信号偏振态的测量。
(2)本发明采用快慢轴转换元件将S偏振态信号光转化为P偏振态信号光，使光电开关的输出光信号均为P偏振态，只需单一P偏振态本振光便可实现与不同偏振态回波信号的拍频，有效降低了信号处理的复杂度，简化了激光雷达的结构。
(3)本发明采用偏振分束器、保偏延时光纤和光电开关实现探测信号的时分复用。偏振分束器将不同偏振态的回波信号光分为P偏振态和S偏振态。S偏振态光经快慢轴转换元件转为P偏振态后进入光电开关，P偏振态的光经保偏延时光纤之后，再进入光电开关；光开关将P偏振态和S偏振态的光分时导通，与本振光混频后输入至光电探测器中。通过时分复用，将不同偏振态的信号在时域上分开。使用同一个光电探测器探测，实现了使用一个光电探测器对不同偏振态回波信号的探测，相对于两个光电探测器分别探测不同偏振态混频信号，本发明减小了由于探测器响应不同导致的误差，精简了激光雷达的接收机系统。
实施例2
如图4所示，本发明提供了另外一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。与实施例1的区别在于保偏延时元件8的位置不同。如图4所示，一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达包括：连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、发射望远镜5、接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、光电开关10、耦合器11、光电探测器12、数据采集卡13和数字信号处理模块14；其中，
连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2用于将连续波激光器1输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器2的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器2的第二输出端输出；光纤分束器2的第一输出端与光调制器3的输入端连接，光调制器3的输出端与激光放大器4的输入端连接，发射望远镜5的输入端与激光放大器4的输出端连接。光纤分束器2的第二输出端与耦合器11的第一输入端连接；
接收望远镜6与偏振分束元件7连接，偏振分束元件7用于将所述接收望远镜6接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件7的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件7的第二输出端输出，偏振分束元件7的第一输出端与快慢轴转换元件9的输入端连接，所述快慢轴转换元件9用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件9的输出端与保偏延时元件8的第一端连接，保偏延时元件8的第二端与光电开关10的第一输入端连接，偏振分束元件7的第二输出端与光电开关10的第二输入端连接；
所述光电开关10的输出端与耦合器11的第二输入端连接，耦合器11的输出端与光电探测器12连接，光电探测器12的输出端与所述数据采集卡13、数字信号处理模块14依次连接。
进一步地，所述光电探测器12为平衡探测器。
进一步地，所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3和发射望远镜5之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11和光电探测器12之间采用保偏光纤连接。
进一步地，光调制器3可以是声光调制器，或者光调制器3可以是电光调制器，只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器，均适用于本发明。
实施例3
如图5所示，本发明提供了另外一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、发射望远镜5、接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11、光电探测器12、数据采集卡13和数字信号处理模块14；
连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2的第一输出端与光调制器3的输入端连接，光调制器3的输出端与激光放大器4的输入端连接，发射望远镜5的输入端与激光放大器4的输出端连接；光纤分束器2的第二输出端与耦合器11的第一输入端连接；
接收望远镜6与偏振分束元件7连接，偏振分束元件7用于将所述接收望远镜6接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件7的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件7的第二输出端输出，偏振分束元件7的第一输出端与快慢轴转换元件9的输入端连接，所述快慢轴转换元件9用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件9的输出端与耦合器11的第二输入端连接，偏振分束元件7的第二输出端与保偏延时元件8的第一端连接，保偏延时元件8的第二端与耦合器11的第三输入端连接；
耦合器11的输出端与光电探测器12连接，光电探测器12的输出端与所述数据采集卡13、数字信号处理模块14依次连接。所述耦合器11用于融合第一输入端、第二输入端和第三输入端输入的光信号。
进一步地，所述光电探测器12为平衡探测器。
进一步地，所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3和发射望远镜5之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11和光电探测器12之间采用保偏光纤连接。
进一步地，光调制器3可以是声光调制器，或者光调制器3可以是电光调制器，只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器，均适用于本发明。
实施例4
如图6所示，本发明提供了另外一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、发射望远镜5、接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11、光电探测器12、数据采集卡13和数字信号处理模块14；
连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2的第一输出端与光调制器3的输入端连接，光调制器3的输出端与激光放大器4的输入端连接，发射望远镜5的输入端与激光放大器4的输出端连接；光纤分束器2的第二输出端与耦合器11的第一输入端连接；
接收望远镜6与偏振分束元件7连接，偏振分束元件7用于将所述接收望远镜6接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件7的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件7的第二输出端输出，偏振分束元件7的第一输出端与快慢轴转换元件9的输入端连接，所述快慢轴转换元件9用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件9的输出端与保偏延时元件8的第一端连接，保偏延时元件8的第二端与耦合器11的第二输入端连接，偏振分束元件7的第二输出端与耦合器11的第三输入端连接；
耦合器11的输出端与光电探测器12连接，光电探测器12的输出端与所述数据采集卡13、数字信号处理模块14依次连接。所述耦合器11用于融合第一输入端、第二输入端和第三输入端输入的光信号。
进一步地，所述光电探测器12为平衡探测器。
进一步地，所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3和发射望远镜5之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜6、偏振分束元件7、保偏延时元件8、快慢轴转换元件9、耦合器11和光电探测器12之间采用保偏光纤连接。
进一步地，光调制器3可以是声光调制器，或者光调制器3可以是电光调制器，只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器，均适用于本发明。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、光电开关(10)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；其中，
连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)用于将连续波激光器(1)输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器(2)的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器(2)的第二输出端输出；光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；
接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件(9)的输出端与光电开关(10)的第一输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与光电开关(10)的第二输入端连接；
所述光电开关(10)的输出端与耦合器(11)的第二输入端连接，耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，所述耦合器用于在同一发激光脉冲时间内的不同时域上将所述第二线偏振光、经过所述快慢轴转换元件转换的所述第一线偏振光分别与本振光混频，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。
2.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述连续波激光器(1)为光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述光电探测器(12)为平衡探测器。
4.根据权利要求1或2所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)和发射望远镜(5)之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、耦合器(11)和光电探测器(12)之间采用保偏光纤连接。
5.根据权利要求1或2所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，所述光调制器(3)为声光调制器或电光调制器。
6.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述第一线偏振光为S线偏振光，所述第二线偏振光为P线偏振光。
7.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、光电开关(10)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；其中，
连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)用于将连续波激光器(1)输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器(2)的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器(2)的第二输出端输出；光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；
接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件(9)的输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与光电开关(10)的第一输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与光电开关(10)的第二输入端连接；
所述光电开关(10)的输出端与耦合器(11)的第二输入端连接，耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，所述耦合器用于在同一发激光脉冲时间内的不同时域上将所述第二线偏振光、经过所述快慢轴转换元件转换的所述第一线偏振光分别与本振光混频，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。
8.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；
连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；
接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件(9)的输出端与耦合器(11)的第二输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与耦合器(11)的第三输入端连接；
耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，所述耦合器用于在同一发激光脉冲时间内的不同时域上将所述第二线偏振光、经过所述快慢轴转换元件转换的所述第一线偏振光分别与本振光混频，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。
9.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；
连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；
接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；
快慢轴转换元件(9)的输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与耦合器(11)的第二输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与耦合器(11)的第三输入端连接；
耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，所述耦合器用于在同一发激光脉冲时间内的不同时域上将所述第二线偏振光、经过所述快慢轴转换元件转换的所述第一线偏振光分别与本振光混频，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。
10.一种基于权利要求1-6中任意一项时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法，其特征在于，包括：
连续波激光器输出激光至光纤分束器；
光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；
信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后由发射望远镜出射；
本振光输入耦合器；
接收望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号；
偏振分束元件将接收望远镜接收的回波信号分为S偏振光和P偏振光，P偏振光经保偏延时元件延时后输入光电开关，S偏振光经快慢轴转换元件转换为P偏振光后输入光电开关；
控制光电开关在同一发激光脉冲时间内，先允许经快慢轴转换元件转换后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测，经数据采集卡和数字信号处理模块处理后，再允许经保偏延时元件延时后的P偏振光与本振光混频，并进入光电探测器进行探测；
数据采集卡将光电探测器输出的电信号转换为数字信号后输出至数字信号处理模块；
数字信号处理模块根据输入的信号测量回波信号的偏振态和风速。
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