CN107390232B - 一种多普勒激光雷达测风方法及装置 - Google Patents

一种多普勒激光雷达测风方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多普勒激光雷达测风方法及装置，所述方法包括利用光锁相环反馈电路模块将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；将收集到的回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；将探测到的频谱数据进行风速反演分析。本发明通过调节第一、第二激光源之间的频率差，来实现移频作用，取代现有技术中的声光移频器件，为激光雷达系统提供更丰富的扩展方式和更灵活的频谱数据分析选择。

Description

一种多普勒激光雷达测风方法及装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是一种多普勒激光雷达测风方法及装置。
背景技术
多普勒测风激光雷达技术是一种高精度大气风场信息遥测技术。激光雷达系统向探测空域发射高频谱纯度激光束，大气中的气溶胶颗粒与激光束发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号被雷达信号收发系统有效接收后，通过高灵敏度光学频率外差探测技术，即可由测量到的多普勒频谱信息精确反演得到风速、风向等风场信息。此技术目前已广泛应用于清洁风电能源开发、气象科学、民航机场空域风切变预警、风洞流体力学研究、空间大气科学研究等领域。
现有一种多普勒测风激光雷达，其工作原理如图1所示。种子激光源14(频率f0，1014赫兹量级)由分束器15分为两束频率相同的激光束，一束光功率较弱的激光提供外差探测所需的本机振荡光信号，另一束激光经过频移量为fI(频率fI，108赫兹量级)的移频器16(比如声光调制器)后，此时频率为f0+fI，再经光放大器17提升发射激光束能量。激光束收发模块18完成激光雷达光束的发射与回波光信号收集，收集到的回波光信号(频率f0+fI+fd，fd＝2v/λ即多普勒频移，其中v为径向风速，λ为激光波长)与本机振荡光信号通过光电平衡探测器19进行差拍探测(因为激光的绝对频率f0非常高，无法用光电探测器直接探测，但是回波光信号与本机振荡光信号的频差fI+fd大约108赫兹量级，一般的宽带光电探测器均可探测)，数据采集与分析模块20对获得的频谱数据进行反演分析，即可获得风场实时风速变化等信息。
影响多普勒测风激光雷达系统探测性能的一个非常重要的因素就是种子激光源的性能。一般要求种子激光源的频谱线宽窄(一般<10kHz)、相位噪声低、频率稳定性好，目前市售的高性能种子激光源普遍价格昂贵、光功率较低，用作移频器的声光调制器件及射频驱动器件也价格不菲，上述器件在整个激光雷达光源成本中占据相当大比例。而且声光移频器件一旦选型确定(即频移量固定)，在后期频谱数据处理时便无法改变，无法进行更细致灵活的频谱数据分析。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是提供了一种多普勒激光雷达测风方法，可以在保证检测性能的前提下，降低检测的成本，并提供灵活的频谱数据分析选择。
本发明要解决的另一技术问题是提供了一种多普勒测风激光雷达，可以在保证检测性能的前提下，大幅降低硬件成本，并提供灵活的频谱数据分析选择。
为解决上述主要技术问题，一种多普勒激光雷达测风方法，包括将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；将收集到的回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；将探测到的频谱数据进行反演分析。
为解决上述另一技术问题，本发明提供一种多普勒测风激光雷达，包括激光光源模块，用于提供雷达所需激光源；光电探测器，用于实现光电信号的转换；光锁相环反馈电路模块，用于将第一激光源和第二激光源进行同步锁相；激光束收发模块，用于接收所述激光光源模块所射出的激光源，并发射探测激光及收集回波光信号；光电平衡探测器，用于接收所述激光光源模块提供的本机振荡光信号和所述激光束收发模块提供的回波光信号，并进行差拍探测；数据采集与处理模块，用于接收光电平衡探测器提供的差拍探测光电信号，进行频谱数据解析，并反演出相应风速。所述激光光源模块包括第一激光源，所述第一激光源经第一分束器分束，分束后的第一束光经第一放大器放大后射入第一合束器；分束后的第二束光射入第二合束器；分束后的第三束光射入所述光电平衡探测器；第二激光源，所述第二激光源经第二分束器分束，分束后的第一束光经第二放大器放大后射入第一合束器；分束后的第二束光射入第二合束器；所述第一合束器的合束光射入所述激光束收发模块；所述第二合束器的合束光射入所述光电探测器，所述光电探测器通过所述光锁相环反馈电路模块与所述第二激光源电连接。
本发明的有益效果是：本发明通过调节2个激光源之间的频率差，来实现移频作用，取代现有技术中的声光移频器件，为激光雷达系统提供更丰富的扩展方式和更灵活的频谱数据分析选择。本发明采用线宽较宽、相位噪声稍大的两个价格低廉的种子激光源，且无需使用移频器，因此能降低硬件成本。本发明采用相干合成方式提高光源发射光束能量，可视激光雷达对光源能量需求，将第二激光源的数目扩展到2个或者2个以上。
附图说明
图1是现有技术多普勒测风激光雷达技术原理图；
图2是本发明一实施例多普勒测风激光雷达原理图。
具体实施方式
下面结合附图2对本发明技术方案作进一步说明。
图2是本发明一实施例多普勒测风激光雷达原理图。多普勒测风激光雷达主要包括激光光源模块、光电探测器10、光锁相环反馈电路模块11、激光束收发模块9、光电平衡探测器12和数据采集与处理模块13。激光光源模块用于提供雷达所需激光源，包括第一激光源1、第二激光源2、第一分束器3、第二分束器4、第一放大器5、第二放大器6、第一合束器8和第二合束器7。其中，第一激光源1经第一分束器3分束，分束后的第一束光经第一放大器5放大后射入第一合束器8。第一分束器3分束后的第二束光射入第二合束器7。第一分束器3分束后的第三束光射入所述光电平衡探测器12。第二激光源2经第二分束器4分束，分束后的第一束光经第二放大器6放大后射入第一合束器8；第二分束器4分束后的第二束光射入第二合束器7。第一合束器8的合束光射入所述激光束收发模块9，第二合束器7的合束光射入光电探测器10，光电探测器10通过光锁相环反馈电路模块11与第二激光源2电连接。其中，光电探测器10用于实现光电信号的转换，具体的说，将第二合束器7射出的合束光转化为电信号；光锁相环反馈电路模块11用于将第一激光源1和第二激光源2进行同步锁相。激光束收发模块9用于接收第一合束器8所射出的激光源，并发射探测激光及收集回波光信号。光电平衡探测器12用于接收激光光源模块提供的本机振荡光信号和激光束收发模块9提供的回波光信号，并进行差拍探测。数据采集与处理模块13用于接收光电平衡探测器12提供的频谱数据，并反演分析。
进一步的，本发明还包括一种多普勒激光雷达测风方法，包括将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；将收集到的回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；将探测到的频谱数据进行反演分析。
继续参见图2，第一激光源1和第二激光源2(假定中心频率分别为f1、f2，不失一般性，f1>f2)发出激光，分别通过第一分束器3和第二分束器4进行按比例光功率分束，大部分光分别经过第一光放大器5和第二光放大器6后射入第一合束器8。二者各分出一小部分光功率大小相近的光束进入第二合束器7，合束光进入光电探测器10转化为携带相位、频率快速变化信息的拍频电信号。光锁相环反馈电路模块11接收到上述拍频电信号后，与本地高频率稳定性参考射频源信号鉴频鉴相，输出相位误差信号经锁相环内环路滤波器滤波、积分处理后产生的控制信号可控制拍频信号频率，光载波反馈至锁相环内鉴相器后可实现闭环控制。闭环状态下，只要拍频频率稳定在一定范围内，“频率牵引”作用使第一激光源1和第二激光源2的频率锁定在一固定偏置值f1-f2(即频移量、中频fI)附近，并伴随相位捕获的过程，最终实现一定锁定频带内主、从激光源精确的自动频差锁定、相位同步，即第一激光源1和第二激光源2实现同步锁相状态。
第一合束器8射出的激光经激光束收发模块9向探测区域发出探测激光，探测激光与大气中气溶胶分子弹性散射后的回光信号主要频率成分为f1-fd、f2-fd。第一激光源1经由第一分束器3还提供光学外差探测所需本机振荡光信号(频率f1)，光电平衡探测器12将本机振荡光信号与气溶胶回光信号进行差拍探测，数据采集与处理模块13对f1-f2+fd＝fI+fd部分进行频谱分析，即可反演出风场风速、风向等信息，多余的频率成分fd可通过带通滤波技术滤除。
本实施例中，所得频率信号成分同单个种子激光源激光雷达光源一致，均为fI+fd。中频fI大小可通过适当调节种子第一激光源1和第二激光源2频率差(微调激光源自身温度控制点或驱动电流大小即可)进行精密调谐控制，并起到移频作用，频移量可根据频谱数据分析需要方便调谐。
优选的，第一激光源1和第二激光源2由2个激光线宽较宽、相位噪声稍高、市售价格低的种子激光源组成，激光线宽通常大于10KHz。
本发明通过调节2个激光源之间的频率差，来实现移频作用，取代现有技术中的声光移频器件，为激光雷达系统提供更丰富的扩展方式和更灵活的频谱数据分析选择。本发明采用线宽较宽、相位噪声稍大的两个价格低廉的种子激光源，且无需使用移频器，因此能降低硬件成本。本发明采用相干合成方式提高光源发射光束能量，可视激光雷达对光源能量需求，将第二激光源的数目扩展到2个或者2个以上。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，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 (10)

1.一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，包括：
将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；
将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；
将收集到的所述回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；
将探测到的频谱数据进行反演分析。
2.根据权利要求1所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述第一激光源和所述第二激光源通过光锁相环反馈电路模块形成同步锁相状态。
3.根据权利要求1所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述本机振荡光信号由所述第一激光源分束后提供。
4.根据权利要求1所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述第一激光源的中心频率与所述第二激光源的中心频率有频差。
5.根据权利要求4所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述频差是通过调节所述第一激光源或所述第二激光源的温度控制点或者驱动电流而实现的。
6.根据权利要求1所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述第一激光源和所述第二激光源的激光线宽大于10kHz。
7.根据权利要求1所述的一种多普勒激光雷达测风方法，其特征在于，所述第二激光源的数量不少于2个。
8.一种多普勒测风激光雷达，包括：
激光光源模块，用于提供雷达所需激光源；
光电探测器，用于实现光电信号的转换；
光锁相环反馈电路模块，用于将第一激光源和第二激光源进行同步锁相；
激光束收发模块，用于接收所述激光光源模块所射出的激光源，并发射探测激光及收集回波光信号；
光电平衡探测器，用于接收所述激光光源模块提供的本机振荡光信号和所述激光束收发模块提供的所述回波光信号，并进行差拍探测；
数据采集与处理模块，用于接收所述光电平衡探测器提供的频谱数据，并反演分析；
其特征在于，所述激光光源模块包括：
所述第一激光源，所述第一激光源经第一分束器分束，分束后的第一束光经第一放大器放大后射入第一合束器；分束后的第二束光射入第二合束器；分束后的第三束光射入所述光电平衡探测器；
所述第二激光源，所述第二激光源经第二分束器分束，分束后的第一束光经第二放大器放大后射入第一合束器；分束后的第二束光射入第二合束器；
所述第一合束器的合束光射入所述激光束收发模块；
所述第二合束器的合束光射入所述光电探测器，所述光电探测器通过所述光锁相环反馈电路模块与所述第二激光源电连接。
9.根据权利要求8所述的一种多普勒测风激光雷达，其特征在于：所述第二激光源的数量不少于2个。
10.根据权利要求8所述的一种多普勒测风激光雷达，其特征在于：所述第一激光源的中心频率与所述第二激光源的中心频率有频差。
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Denomination of invention: A Doppler lidar wind measurement method and device

Effective date of registration: 20220402

Granted publication date: 20190205

Pledgee: Bank of China Limited Nanjing Gulou Branch

Pledgor: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980003807

CP03 Change of name, title or address
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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.

Address before: 210038 Building A, Longgang Science Park, Hengyuan Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Jiangsu Province

Patentee before: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
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Date of cancellation: 20230105

Granted publication date: 20190205

Pledgee: Bank of China Limited Nanjing Gulou Branch

Pledgor: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980003807

CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhou Jun

Inventor after: Qian Yong

Inventor after: Zhu Hailong

Inventor after: Zhang Enhui

Inventor after: Gao Yangun

Inventor before: Zhou Jun

Inventor before: Qian Yong

Inventor before: Zhu Hailong

Inventor before: Zhang Enhui

Inventor before: Gao Yangun

Inventor before: Chen Shuai

CP02 Change in the address of a patent holder
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Address after: 210000 Building B2, Hongfeng Science and Technology Park, Kechuang Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Nanjing, Jiangsu Province

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

Address before: Room 0601, Building C, Xingzhi Science Park, Xingzhi Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Jiangsu 210046

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