CN107479046A - 一种星载可调谐多通道法布里‑珀罗鉴频模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载可调谐多通道法布里‑珀罗鉴频模块，适用于星载测风激光雷达系统，包括发射光光纤耦合准直器(11)、第一衍射光学元件(21)、法布里‑珀罗标准具(30)、探测器组(40)、标准具驱动器(50)、第一控制器(61)、回波信号光光纤耦合准直器(12)、第二衍射光学元件(22)、及第二控制器(62)；解决了在轨环境影响导致的发射激光中心频率与鉴频模块透射谱线双边缘交叉点频率漂移错位的问题，并且采用简单的分光设计及单块整体式法布里‑珀罗标准具，提升鉴频模块的整体在轨可靠性。

Description

一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块

技术领域

本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，特别涉及一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块。

背景技术

多普勒测风激光雷达是通过发射系统向空中发射激光，激光照射气溶胶和空气分子发生散射，由于大气风场运动，依照多普勒效应，后向散射激光信号相对于照射激光信号附加产生多普勒频移，其频移量大小代表了不同的风速信息，利用这一关系，可以通过测量后向散射光的多普勒频移来获取大气的风速信息。目前激光多普勒测风雷达探测机制分为直接探测和相干探测两种探测机制，直接探测机制适合于大气分子瑞利散射的探测，多用于中高层大气风场测量，其原理是利用鉴频模块对不同频率回波信号光的透过率不同，测量激光回波信号的强度变化，计算出回波信号的频移，进而根据多普勒效应反演风场风速。鉴频技术主要有条纹成像技术、边缘检测技术等。其中法布里-珀罗边缘鉴频技术是国际主流的技术手段，其利用具有陡峭响应曲线的法布里-珀罗标准具，通过检测透过率的变化来测量多普勒频移量，可细分为单边缘技术和双边缘技术。

目前国内外星载测风雷达系统主要采用双边缘法布里-珀罗鉴频技术，采用两个透射性能相同的法布里-珀罗标准具，将初始激光频率调节至位于两个标准具或通道透射谱线的交叉处。如果大气后向散射信号相对于初始激光频率有一个多普勒频移，它将使得两个边缘法布里-珀罗标准具的透射信号都产生变化，两信号变化大小近似相等。然而对于星载测风雷达系统而言，由于其将承受严苛的力学、热学等环境条件。作为精密光机组件，系统中激光发射机的中心频率，以及双边缘法布里-珀罗鉴频模块的透射谱线交叉点容易受振动与温度变化的影响发生漂移，导致发射频率无法与交叉点锁定，进而使风场反演出现较大的误差，降低风速测量精度。此外，对于双法布里-珀罗标准具的设计，使得这套系统的鉴频装置结构较为复杂，光路调节的难度较大，进一步增加了在轨运行失谐风险。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，解决了在轨环境影响导致的发射激光中心频率与鉴频模块透射谱线双边缘交叉点频率漂移错位的问题，并且采用简单的分光设计及单块整体式法布里-珀罗标准具，提升鉴频模块的整体在轨可靠性。

本发明的技术方案为：一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，包括发射光光纤耦合准直器、第一衍射光学元件、法布里-珀罗标准具、探测器组、标准具驱动器、第一控制器、回波信号光光纤耦合准直器、第二衍射光学元件、及第二控制器；

所述发射光光纤耦合准直器，将外部激光器发射的激光准直后入射到所述第一衍射光学元件；

所述第一衍射光学元件，对所述准直后的激光进行分光后得到第一组轴线位于同一平面的三束激光，将三束激光中的两束激光通过所述法布里-珀罗标准具透射后，入射到所述探测器组中的两个探测器感光面上，将三束激光中的另外一束激光直接入射到探测器组中的一个探测器感光面上；

所述第一控制器，采集所述探测器组中与所述第一组三束激光对应的的三个探测器探测的光强信息，根据所述光强信息计算出所述法布里-珀罗标准具的第一透过率，并根据所述第一透过率运算产生驱动信号，将所述驱动信号加载于所述法布里-珀罗标准具驱动器；

所述法布里-珀罗标准具驱动器，根据所述驱动信号调整所述法布里-珀罗标准具的腔长；

所述回波信号光光纤耦合准直器，将外部激光器发射的激光的回波信号准直后入射到第二衍射光学元件；

所述第二衍射光学元件，对所述准直后的回波信号进行分光后得到第二组轴线位于同一平面的三束激光，将两束激光通过法布里-珀罗标准具透射后，分别入射到探测器组中的两个探测器感光面上，另外一束光直接入射到探测器组中的一个探测器感光面上；

所述第二控制器，采集所述探测器组中与所述第二组三束激光对应的三个探测器探测的光强信息，根据所述光强信息计算出法布里-珀罗标准具的第二透过率，并根据所述第二透过率对所述回波信号频率进行双边缘频率鉴别。

进一步地，所述法布里-珀罗标准具包括两个发射频率锁定通道以及两个回波信号鉴频通道，所述四个通道通光面积相等并且均布于法布里-珀罗标准具有效通光口径圆平面两条中心线十字交叉划分的四个相同区域内；

所述两个发射频率锁定通道透射谱线形状一致且谱线峰相互错开预置距离，两谱线具有一个交叉点，所述交叉点位置与所述外部激光器发射的激光中心频率标称位置重合；

所述两个回波信号鉴频通道的谱线与两个发射频率锁定通道具有同一个交叉点。

进一步地，所述第一透过率为两个发射频率锁定通道的透过率。

进一步地，所述第二透过率为两个回波信号鉴频通道的透过率。

进一步地，所述探测器组中的探测器为光电倍增管，所述探测器组包括第一探测器，第二探测器、第三探测器、第四探测器，第五探测器以及第六探测器。

进一步地，所述第一控制器包括第一数据采集卡与第一运算控制模块；

所述第一数据采集卡，采集所述第一探测器，第二探测器、第三探测器的光强信息；

所述第一运算控制模块，根据所述光强信息计算所述两个发射频率锁定通道的透过率，根据所述透过率计算出发射激光中心频率与两通道透射谱线交叉点的偏移量，根据所述偏移量计算得到所述法布里-珀罗标准具腔长相应的调整值，并根据所述调整值生成驱动信号。

进一步地，所述第二控制器包括第二数据采集卡与第二运算控制模块；

所述第二数据采集卡，采集所述第四探测器，第五探测器以及第六探测器的光强信息；

所述第二运算控制模块，根据所述光强信息计算两个回波信号鉴频通道的透过率，并通过所述透过率信息反演计算大气回波信号多普勒频率移动数值。

进一步地，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件为达曼光栅器件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明将测风雷达发射激光经过第一衍射光学元件均匀分光后，分别经过两个锁定通道与空气被相应的三个探测器探测，信号被第一控制器采集并计算出每个发射频率锁定通道的透过率，从而对发射激光中心频率相对于透射谱线交叉点的漂移错位进行双边缘频率鉴别，并根据得到的漂移量调整所述法布里-珀罗标准具的腔长，使得发射激光中心频率锁定于法布里-珀罗标准具两个发射频率锁定通道的透过谱线交叉点位置，解决了受在轨环境条件影响发射激光中心频率与鉴频模块双边缘交叉点频率漂移错位的问题。

(2)本发明将测风雷达发射激光的回波信号经过第二衍射光学元件均匀分光后，分别经过两个回波信号鉴频通道与空气被相应的三个探测器探测，信号被第二控制器采集并计算出每个回波信号鉴频通道的透过率在此基础上进行回波信号双边缘鉴频，可使风场反演误差降低、有效提升风速测量精度。

(3)本发明采用简单的衍射光学元件进行均匀多光束分光及单块整体标准具设计，避免了多个分束镜片分光及多块标准具带来的光路复杂、在轨运行失谐风险高的不利特点，提升了鉴频模块的整体可靠性。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1为本发明提供的一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块部分结构示意图；

图3为本发明提供的一种法布里-珀罗标准具的主视结构示意图；

图4为本发明提供的一种法布里-珀罗标准具的侧视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。首先如图1和图2所示，所述星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块包括：发射光光纤耦合准直器11、第一衍射光学元件21、回波信号光光纤耦合准直器12、第二衍射光学元件22、法布里-珀罗标准具30、探测器组40、标准具驱动器50、第一控制器61及第二控制器62。

进一步地，所述法布里-珀罗标准具30包括两个发射频率锁定通道301以及两个回波信号鉴频通道302，其中，四个通道通光面积相等、互相对称，均布于标准具有效通光口径圆平面两条中心线十字交叉划分的四个相同区域内。

进一步地，法布里-珀罗标准具30包括两个平行放置的玻璃平板，两平板间距为12.5mm，对应自由光谱区为12GHz，在其中一块玻璃平板的区域C1、C4上镀制厚度为75.4nm的介质膜层来调整标准具的腔长，C2、C3区域不镀膜，因此C1与C4区域腔长相同、C2与C3区域腔长相同，进而形成两个发射频率锁定通道301，两透射谱线形状一致且谱线峰相互错开5.1GHz距离，两谱线具有一个交叉点，形成双边缘谱线结构，交叉点位置与发射激光中心频率标称位置重合；同时形成两个回波信号鉴频通道302的谱线分别与两个发射频率锁定通道301一致，亦具有同一个交叉点，形成双边缘谱线结构，具体可以如图3和图4所示，镀膜区域腔长与未镀膜区域腔长不同，因此透射谱线峰相互错开。

进一步地，法布里-珀罗标准具30内部含有三块压电陶瓷，呈现圆周均布排列方式，压电陶瓷一端与标准具外部结构固连，另一端与一块玻璃平板固连，法布里-珀罗标准具驱动器50通过改变所述压电陶瓷上的电压对压电陶瓷的伸缩量进行调节，从而调节所述法布里-珀罗标准具30的腔长，进而可控制透射谱线峰的位置移动。

进一步地，测风雷达系统中激光器发射的激光，经过光纤传输后进入所述的发射光光纤耦合准直器11，准直后入射到第一衍射光学元件12，并由衍射光学元件12均分为轴线位于同一平面的三束激光，三束之间光斑与能量均相同，并存在确定的夹角，其中两束激光分别入射到法布里-珀罗标准具30的两个发射频率锁定通道301上，通过发射频率锁定通道301后分别入射到对应的第二探测器42与第三探测器43的感光面上，另外一束光不经过法布里-珀罗标准具30，直接入射到第一探测器41的感光面上。

其中，第一衍射元件12为达曼光栅器件，为一整体玻璃平板，其上刻写具有特殊孔径函数的二元相位光栅，可对输入光斑光场进行相位调制，使入射激光透射后，产生光强均匀分布的三个光斑点阵，第一衍射元件12避免了多个分束镜片分光法带来的光路复杂、在轨运行失谐风险高的不利特点，提升了鉴频模块的整体可靠性。第一探测器401、第二探测器402、第三探测器403为光电倍增管，探测器具有模拟和光子计数两种采集模式，具有大的信号强度探测动态范围。

进一步地，第一控制器61通过其中的第一数据采集卡611采集上述三个探测器探测的光强信息数据，据此通过其中的第一运算控制模块612计算两个发射频率锁定通道301的透过率，并据此对受环境影响产生的发射激光中心频率与鉴频曲线交叉点漂移错位进行双边缘频率鉴别，计算出发射激光中心频率与两通道301透射谱线交叉点的偏移量，进而计算得到法布里-珀罗标准具30腔长相应的调整值，并加载驱动信号于法布里-珀罗标准具驱动器50来调节所述法布里-珀罗标准具30的腔长，使得发射激光中心频率与两通道透射谱线交叉点重合锁定。其中，上述计算过程在期刊基于双FP标准具的直接探测测风激光雷达[J]，红外与激光工程，2006，35(z3):273-278中公开，在此不再赘述。

进一步地，测风雷达系统中激光器发射的激光，大部分进入空气中，回波信号经过接收镜头收集及光纤传输后进入所述的回波信号光光纤耦合准直器21，准直后入射到第二衍射光学元件22，并由第二衍射光学元件22均分为轴线位于同一平面的三束激光，三束之间光斑与能量均相同，并存在确定的夹角，其中两束激光分别入射到法布里-珀罗标准具30的两个回波信号鉴频通道302上，通过鉴频通道302后分别入射到对应的第四探测器404与第五探测器405的感光面上，另外一束光不经过标准具30，直接入射到第六探测器406的感光面上。

其中，第一衍射元件22为达曼光栅器件，为一整体玻璃平板，其上刻写具有特殊孔径函数的二元相位光栅，可对输入光斑光场进行相位调制，使入射激光透射后，产生光强均匀分布的三个光斑点阵。第四探测器404，第五探测器405、第六探测器406为光电倍增管，探测器具有模拟和光子计数两种采集模式，具有大的信号强度探测动态范围。

进一步地，在上述发射激光中心频率被两锁定通道301锁定的基础上，第二控制器62通过其中的第二数据采集卡621采集上述三个探测器探测的光强信息数据，所述第二运算控制模块622根据数据计算两个回波信号鉴频通道302的透过率，并据此对回波信号中心频率进行双边缘频率鉴别，通过所述透过率信息反演计算得出大气回波信号多普勒频率移动数值。因解决了受在轨环境条件影响发射激光中心频率与鉴频模块双边缘交叉点频率漂移错位的问题，在此基础上进行回波信号双边缘鉴频，可使风场反演误差降低、有效提升风速测量精度。其中，上述计算过程在期刊基于双边缘技术的低空测风激光雷达分析[J]，红外与激光工程，2006，35(z3):247-251中公开，在此不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，包括发射光光纤耦合准直器(11)、第一衍射光学元件(21)、法布里-珀罗标准具(30)、探测器组(40)、法布里-珀罗标准具驱动器(50)、第一控制器(61)、回波信号光光纤耦合准直器(12)、第二衍射光学元件(22)、及第二控制器(62)；

所述发射光光纤耦合准直器(11)，将外部激光器发射的激光准直后入射到所述第一衍射光学元件(21)；

所述第一衍射光学元件(21)，对所述准直后的激光进行分光后得到第一组轴线位于同一平面的三束激光，将三束激光中的两束激光通过所述法布里-珀罗标准具(30)透射后，入射到所述探测器组(40)中的两个探测器感光面上，将三束激光中的另外一束激光直接入射到探测器组(40)中的一个探测器感光面上；

所述第一控制器(61)，采集所述探测器组(40)中与所述第一组三束激光对应的的三个探测器探测的光强信息，根据所述光强信息计算出所述法布里-珀罗标准具(30)的第一透过率，并根据所述第一透过率运算产生驱动信号，将所述驱动信号加载于所述法布里-珀罗标准具驱动器(50)；

所述法布里-珀罗标准具驱动器(50)，根据所述驱动信号调整所述法布里-珀罗标准具(30)的腔长；

所述回波信号光光纤耦合准直器(12)，将外部激光器发射的激光的回波信号准直后入射到第二衍射光学元件(22)；

所述第二衍射光学元件(22)，对所述准直后的回波信号进行分光后得到第二组轴线位于同一平面的三束激光，将两束激光通过法布里-珀罗标准具(30)透射后，分别入射到探测器组(40)中的两个探测器感光面上，另外一束光直接入射到探测器组(40)中的一个探测器感光面上；

所述第二控制器(62)，采集所述探测器组(40)中与所述第二组三束激光对应的三个探测器探测的光强信息，根据所述光强信息计算出法布里-珀罗标准具(30)的第二透过率，并根据所述第二透过率对所述回波信号频率进行双边缘频率鉴别。

2.根据权利要求1所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述法布里-珀罗标准具(30)包括两个发射频率锁定通道(301)以及两个回波信号鉴频通道(302)，所述四个通道通光面积相等并且均布于法布里-珀罗标准具(30)有效通光口径圆平面两条中心线十字交叉划分的四个相同区域内；

所述两个发射频率锁定通道(301)透射谱线形状一致且谱线峰相互错开预置距离，两谱线具有一个交叉点，所述交叉点位置与所述外部激光器发射的激光中心频率标称位置重合；

所述两个回波信号鉴频通道(302)的谱线与两个发射频率锁定通道(301)具有同一个交叉点。

3.根据权利要求2所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述第一透过率为两个发射频率锁定通道(301)的透过率。

4.根据权利要求2所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述第二透过率为两个回波信号鉴频通道(302)的透过率。

5.根据权利要求2所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述探测器组(40)中的探测器为光电倍增管，所述探测器组(40)包括第一探测器(401)，第二探测器(402)、第三探测器(403)、第四探测器(404)，第五探测器(405)以及第六探测器(406)。

6.根据权利要求5所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述第一控制器(61)包括第一数据采集卡(611)与第一运算控制模块(612)；

所述第一数据采集卡(611)，采集所述第一探测器(401)，第二探测器(402)、第三探测器(403)的光强信息；

所述第一运算控制模块(612)，根据所述光强信息计算所述两个发射频率锁定通道(301)的透过率，根据所述透过率计算出发射激光中心频率与两通道透射谱线交叉点的偏移量，根据所述偏移量计算得到所述法布里-珀罗标准具(30)腔长相应的调整值，并根据所述调整值生成驱动信号。

7.根据权利要求5所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述第二控制器(62)包括第二数据采集卡(621)与第二运算控制模块(622)；

所述第二数据采集卡(621)，采集所述第四探测器(404)，第五探测器(405)以及第六探测器(406)的光强信息；

所述第二运算控制模块(622)，根据所述光强信息计算两个回波信号鉴频通道(302)的透过率，并通过所述透过率信息反演计算大气回波信号多普勒频率移动数值。

8.根据权利要求1所述的星载可调谐多通道法布里-珀罗鉴频模块，其特征在于，所述第一衍射元件(21)和所述第二衍射元件(22)为达曼光栅器件。