CN107390201B - 测风激光雷达硬靶标校系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测风激光雷达硬靶标校系统，该系统包括光源装置、光信号收发装置、光电信号处理装置、空心光纤以及转盘；其中，光源装置用于产生激光；光信号收发装置用于接收光源装置产生的激光，并将激光发送到空心光纤，激光通过空心光纤后射向转盘，经过转盘的后向散射回波光信号经过空心光纤传回并由光信号收发装置接收，光电信号处理装置用于将光信号收发装置接收到的光信号转换为电信号，并进行数据处理及分析。该系统对空间条件要求低，在室内很小的空间即可进行测试，不受天气等环境因素制约，简便易行；通过改变光纤长度，即可实现激光雷达系统不同距离硬靶标校测试。

Description

测风激光雷达硬靶标校系统
技术领域
本发明涉及激光测风设备的技术领域，具体是涉及一种测风激光雷达硬靶标校系统。
背景技术
测风激光雷达作为一种重要的大气信息遥测系统，其工作原理是向大气中发射高频率稳定性激光光束，激光与空气中颗粒物或气溶胶相互作用产生后向散射回波光信号，光信号被激光雷达信号收发系统收集后，经过光电探测器实现光电信号转换，通过对电信号的频谱分析，即可判断风速变化带来的激光频率的变化量(即多普勒频移，DopplerFrequency Shift)，从而获得待测空域大气风速信息。
衡量测风激光雷达系统性能的众多参数中，风速测量准确性是核心参数之一，必须对其进行系统误差标定。硬靶散射实验是一种常用的测量方法。目前常用的充当硬靶的装置有：(1)调速电机转轮；(2)室外放置靶标。方法(1)主要用于室内短距离测试，方法(2)需要外场开阔空间，靶标位置距离需精确标定，且受天气因素等条件制约。
发明内容
本发明实施例提供一种测风激光雷达硬靶标校系统，以解决现有技术中测风激光雷达系统无法在小空间内完成长距离的硬靶标校测试的技术问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种测风激光雷达硬靶标校系统，所述系统包括光源装置、光信号收发装置、光电信号处理装置、空心光纤以及转盘；其中，所述光源装置用于产生激光；所述光信号收发装置用于接收所述光源装置产生的激光，并将激光发送到所述空心光纤，激光通过所述空心光纤后射向所述转盘，经过所述转盘的后向散射回波光信号经过所述空心光纤传回并由所述光信号收发装置接收，所述光电信号处理装置用于将所述光信号收发装置接收到的光信号转换为电信号，并进行数据处理及分析。
根据本发明一优选实施例，所述系统通过调整接入的空心光纤长度，实现激光雷达硬靶标校系统对不同距离硬靶的标校测试。
根据本发明一优选实施例，所述空心光纤中充有气体，通过改变气体的类型来模拟不同折射率和色散性质的大气介质环境。
根据本发明一优选实施例，所述系统还包括第一耦合装置，所述第一耦合装置设于所述光信号收发装置与所述空心光纤之间，用于将所述光信号收发装置发射的激光光束聚焦整形，以耦合进入所述空心光纤进行传输。
根据本发明一优选实施例，所述系统还包括第二耦合装置，所述第二耦合装置设于所述空心光纤与所述转盘之间，用于将从所述空心光纤出射的激光束聚焦到所述转盘的边缘，以及用于将经过所述转盘的后向散射回波光信号聚焦，以便于回波光信号经过所述空心光纤传回。
根据本发明一优选实施例，所述光源装置包括依照激光传输顺序设置的本机光振荡器、光纤隔离分路器、移频器以及光放大器；其中，所述本机光振荡器用于提供窄线宽、低强度噪声激光雷达光源种子光；所述光纤隔离分路器用于将所述本机光振荡器产生的激光分路；所述移频器用于对信号光进行移频，以获得中频激光信号，并对信号光进行脉冲波形调制；所述光放大器用于对本机光振荡器输出的一路种子光进行光功率放大。
根据本发明一优选实施例，所述光信号收发装置包括光纤环形器、望远镜装置以及光纤分路器；其中，所述光纤环形器用于对途经的光信号的进行中转分路传输；所述望远镜装置用于调节获得探测位置处较强的回波光信号；所述光纤分路器的输入端分别与所述光纤隔离分路器以及所述光纤环形器连接，输出端与所述光电信号处理装置连接，用于将回波光信号以及本机光振荡器产生的一路种子激光传输到所述光电信号处理装置。
根据本发明一优选实施例，所述光纤环形器包括三个端口，第一端口连接所述光放大器，第二端口连接所述望远镜装置，第三端口连接所述光纤分路器。
根据本发明一优选实施例，光电信号处理装置包括光电探测器以及信号采集及数据处理器；其中，所述光电探测器用于接收所述光纤分路器混频后的两束光信号，并将接收的光信号转换为电信号，进行相干差拍探测，以获取反应硬靶转速的多普勒频谱信息；所述信号采集及数据处理器用于对光电探测器接收到的反应转盘硬靶实际转速的多普勒频谱数据进行反演计算，与设定转速比对，进而标定测速精度。
根据本发明一优选实施例，所述第二耦合装置为透镜。
相对于现有技术，本发明提供的测风激光雷达硬靶标校系统，采用长度可调的空心光纤提供足够长的空间距离，通过探测转盘边缘散射的回波光信号，实现激光雷达系统的硬靶标校测试。与现有技术相比，本发明具有如下优越性：(1)对空间条件要求低，在室内很小的空间即可进行测试，不受天气等环境因素制约，简便易行；(2)通过改变光纤长度，即可实现激光雷达系统不同距离硬靶标校测试；(3)还可以通过向空心光纤中充入不同气体，进而模拟不同折射率和色散性质的大气介质环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的附图。
图1是本发明测风激光雷达硬靶标校系统一实施例的整体结构组成示意框图；
图2是图1实施例中测风激光雷达硬靶标校系统的详细结构组成示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明测风激光雷达硬靶标校系统一实施例的整体结构组成示意框图；其中，该系统包括光源装置100、光信号收发装置200、光电信号处理装置300、空心光纤400、转盘500、第一耦合装置600、第二耦合装置700以及空心光纤缠绕装置800。
该光源装置100用于产生激光，光信号收发装置200用于接收光源装置100产生的激光，并将激光发送到空心光纤400，激光通过空心光纤400后射向转盘500，经过转盘500的后向散射回波光信号经过空心光纤400传回并由光信号收发装置200接收，光电信号处理装置300用于将光信号收发装置200接收到的光信号转换为电信号，并进行数据处理及分析。
具体而言，请参阅图2，图2是图1实施例中测风激光雷达硬靶标校系统的详细结构组成示意框图；该光源装置100包括依照激光传输顺序设置的本机光振荡器110、光纤隔离分路器120、移频器130以及光放大器140；该光信号收发装置200则包括光纤环形器210、望远镜装置220以及光纤分路器230。
其中，本机光振荡器110用于提供窄线宽、低强度噪声激光雷达光源种子光。光纤隔离分路器120用于将本机光振荡器110产生的激光分路；具体来讲，光纤隔离分路器120的作用具体为：首先是防止由于后续移频器130和光放大器140处可能产生的后向散射光信号对本机光振荡器110产生不良影响，另外是将本机光振荡器110输出光分成两路，一路作为信号光进行移频、光功率放大，另一路作为本振光，耦合进入光纤分路器230，同回波光信号进行差拍探测。
该移频器130用于对信号光进行移频，以获得中频(为f的)激光信号，并对信号光进行脉冲波形调制。而光放大器140则用于对本机光振荡器110输出的一路种子光进行光功率放大，进而提升探测距离。
光纤环形器210用于对途经的光信号的进行中转分路传输；具体来讲，该光纤环形器210包括三个端口，第一端口连接光放大器140，第二端口连接望远镜装置220，第三端口连接光纤分路器230。光放大器140输出信号光由光纤环形器210的第一端口输入，第二端口输出。出射光束通过聚焦到转盘500的边缘，后向散射回波光信号经望远镜装置220耦合回光纤环形器210，并从第三端口输出，耦合到光纤分路器230。
该望远镜装置220用于调节获得探测位置处较强的回波光信号(该望远镜装置220)；具体来讲，望远镜装置220与光纤环形器210的第二端口通过法兰结构的光纤尾纤跳线201连接；望远镜装置220中包含有透镜(图中未标示)，通过调节透镜位置，可获得探测位置处较强的回波光信号。
该光纤分路器230的输入端分别与光纤隔离分路器120以及光纤环形器210连接，输出端与光电信号处理装置300连接，用于将回波光信号以及本机光振荡器110产生的一路种子激光传输到光电信号处理装置300。光纤分路器230其作用是将光纤隔离分路器120分出的本振光信号与光纤环形器210第三端口输出的回波信号混频，并按50/50分成两束。
第一耦合装置600设于光信号收发装置200与空心光纤400之间，用于将光信号收发装置200发射的激光光束聚焦整形，以耦合进入空心光纤400进行传输。
空心光纤400的长度可调，可在室内实现对不同外场探测距离的硬靶标校测试，具体可以为通过调整接入系统的空心光纤400的长度，实现激光雷达硬靶标校系统对不同距离硬靶的标校测试。在本发明实施例中空心光纤400缠绕射于空心光纤缠绕装置800上。
进一步优选地，该空心光纤400中还可以充有气体，通过改变气体的类型来模拟不同折射率和色散性质的大气介质环境。
该第二耦合装置700设于空心光纤400与转盘500之间，用于将从空心光纤400出射的激光束聚焦到转盘500的边缘，以及用于将经过转盘500的后向散射回波光信号聚焦，以便于回波光信号经过空心光纤400传回。优选地，该第二耦合装置700可以为透镜。其中，转盘500的转速V0为已知量，且可调。
该光电信号处理装置300包括光电探测器310以及信号采集及数据处理器320；光电信号处理装置300用于将光信号收发装置200接收到的光信号转换为电信号，并进行数据处理及分析，其具体包括的电路或者处理器的功能划分并不限于本实施例中列举的光电探测器310和信号采集及数据处理器320，还可以为包括光电探测器、信号采集器以及数据处理器的形式，在本领域技术人员的理解范围内，此处对光电信号处理装置300具体电路划分结构不再详述，下面只是针对光电信号处理装置300的功能性进行描述。
该光电探测器310用于接收光纤分路器230混频后的两束光信号，并将接收的光信号转换为电信号，进行相干差拍探测，以获取反应硬靶转速的多普勒频谱信息；信号采集及数据处理器320用于对光电探测器接收到的反应转盘硬靶实际转速的多普勒频谱数据进行反演计算，与设定转速比对，进而标定测速精度。
整个系统的工作过程如下：全光纤激光雷达光源装置100发射的激光光束经过光纤环形器210后进入望远镜装置220，由第一耦合装置600耦合到空心光纤400传输。空心光纤400出射激光束由第二耦合装置700(透镜)聚焦到转盘500的边缘，后向散射回波光信号经望远镜装置220耦合回光纤环形器210，由光纤环形器210的第三端口输出，与光纤隔离分路器120分出的本振光同时进入光纤分路器230。光纤分路器230混频后的两路光信号进入光电探测器310进行差拍平衡探测，获得反应硬靶转速的多普勒频谱信息；信号采集及数据处理器320对多普勒频谱信息进行数据反演，计算出转盘500的转速V，与转盘500设定速度V0比对，即可得到雷达系统的测速精度。
相对于现有技术，本发明提供的测风激光雷达硬靶标校系统，采用长度可调的空心光纤提供足够长的空间距离，通过探测转盘边缘散射的回波光信号，实现激光雷达系统的硬靶标校测试。与现有技术相比，本发明具有如下优越性：(1)对空间条件要求低，在室内很小的空间即可进行测试，不受天气等环境因素制约，简便易行；(2)通过改变光纤长度，即可实现激光雷达系统不同距离硬靶标校测试；(3)还可以通过向空心光纤中充入不同气体，进而模拟不同折射率和色散性质的大气介质环境。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种测风激光雷达硬靶标校系统，其特征在于，所述系统包括光源装置、光信号收发装置、光电信号处理装置、空心光纤以及转盘；其中，所述光源装置用于产生激光；所述光信号收发装置用于接收所述光源装置产生的激光，并将激光发送到所述空心光纤，激光通过所述空心光纤后射向所述转盘，经过所述转盘的后向散射回波光信号经过所述空心光纤传回并由所述光信号收发装置接收，所述光电信号处理装置用于将所述光信号收发装置接收到的光信号转换为电信号，并进行数据处理及分析；所述系统通过调整接入的空心光纤长度，实现测风激光雷达硬靶标校系统对不同距离硬靶的标校测试；所述空心光纤中充有气体，通过改变气体的类型来模拟不同折射率和色散性质的大气介质环境。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一耦合装置，所述第一耦合装置设于所述光信号收发装置与所述空心光纤之间，用于将所述光信号收发装置发射的激光光束聚焦整形，以耦合进入所述空心光纤进行传输。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二耦合装置，所述第二耦合装置设于所述空心光纤与所述转盘之间，用于将从所述空心光纤出射的激光光束聚焦到所述转盘的边缘，以及用于将经过所述转盘的后向散射回波光信号聚焦，以便于回波光信号经过所述空心光纤传回。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光源装置包括依照激光传输顺序设置的本机光振荡器、光纤隔离分路器、移频器以及光放大器；其中，所述本机光振荡器用于提供窄线宽、低强度噪声激光雷达光源种子激光；所述光纤隔离分路器用于将所述本机光振荡器产生的种子激光分路；所述移频器用于对所述种子激光进行移频，以获得中频的种子激光，并对所述中频的种子激光进行脉冲波形调制；所述光放大器用于对本机光振荡器输出的一路种子激光进行光功率放大。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光信号收发装置包括光纤环形器、望远镜装置以及光纤分路器；其中，所述光纤环形器用于对途经的光信号的进行中转分路传输；所述望远镜装置用于调节获得探测位置处的回波光信号；所述光纤分路器的输入端分别与所述光纤隔离分路器以及所述光纤环形器连接，输出端与所述光电信号处理装置连接，用于将回波光信号以及本机光振荡器产生的一路种子激光传输到所述光电信号处理装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光纤环形器包括三个端口，第一端口连接所述光放大器，第二端口连接所述望远镜装置，第三端口连接所述光纤分路器。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，光电信号处理装置包括光电探测器以及信号采集及数据处理器；其中，所述光电探测器用于接收所述光纤分路器混频后的两束光信号，并将接收的光信号转换为电信号，进行相干差拍探测，以获取反应硬靶转速的多普勒频谱信息；所述信号采集及数据处理器用于对光电探测器接收到的反应转盘硬靶实际转速的多普勒频谱数据进行反演计算，与设定转速比对，进而标定测速精度。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二耦合装置为透镜。
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Address after: Room 0601, Building C, Xingzhi Science Park, Xingzhi Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Jiangsu 210046

Patentee after: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd.

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Patentee before: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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