CN108717194A - 一种复合体制多普勒测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种所述复合体制多普勒测风激光雷达，该激光雷达为相干探测方法和直接探测方法相结合的复合体制的多普勒测风激光雷达，可以用于激光探测、大气探测以及光电探测领域，与ALADIN在低空采用基于菲索干涉仪的条纹成像技术，在高空采用基于法布里‑珀罗标准具的双边缘技术不同，本发明所述技术方案在低空和高空分别采用相干探测方法和直接探测方法测量风场，同样实现了0～30km高度的风场探测覆盖，而且，在低空探测可以充分发挥相干探测技术抗背景噪声能力强的优势，可实现散粒噪声极限下的探测，具有探测精度更高的优点。

Description

一种复合体制多普勒测风激光雷达

技术领域

本发明涉及大气探测技术领域，更具体的说，涉及一种复合体制多普勒测风激光雷达。

背景技术

多普勒测风激光雷达以其高分辨率，高精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能力，在气候研究和天气预报方面有着重要的应用，引起世界多国的关注，并投入了大量的人力、物力进行研究。按照多普勒频率检测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干探测技术和非相干探测(直接探测)技术。相干探测技术是利用气溶胶后向散射信号与发射激光本振进行拍频来反演多普勒频率，适用于探测风速不太大、距离较近的大气风场；直接探测技术是将大气气溶胶或分子后向散射信号的频率变化转换成相对强度的变化或干涉条纹的移动来反演多普勒频率，前者被称为边缘技术，后者称为条纹成像技术。直接探测技术主要用于高空或较大风速的测量。

星载测风激光雷达可提供全球范围高垂直分辨率、高实时性、高精度的大气风场信息，已被公认为是解决全球大气风场观测的最佳手段。目前已经有美国和欧洲等一些发达国家和地区开展了关于星载多普勒激光雷达的相关研究工作。美国航空航天局(NASA)成功地实现航天飞机载激光雷达实验(LITE，Lidar In-space Technology Experiment)，为星载激光雷达的发展跨出了历史性的第一步。ALADIN(Atmosphere Laser DopplerInstrument，大气激光多普勒测量设备)星载多普勒激光雷达是欧空局(ESA)目前正在开展的地球大气观测项目(atmospheric dynamics mission Aeolus,ADM-Aeolus)的主要载荷。该星载测风激光雷达采用直接探测技术探测对流层和平流层底大气风场垂直剖面的全球分布，以弥补目前此类数据在海洋和极地等地区较少的不足。

传统的多普勒测风激光雷达在低空(海拔高度在2Km以下)时，抗背景噪声能力较弱，无法实现散粒噪声极限下的探测，探测精度较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种复合体制多普勒测风激光雷达，所述激光雷达在低空采用相干探测方法风场，在高空采用直接探测方法探测风场，在低空时，抗背景噪声能力强，可以实现散粒噪声极限下的探测，探测精度高。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复合体制多普勒测风激光雷达，所述激光雷达包括：相干探测模块、直接探测模块、收发合置望远镜以及数据处理模块；

所述相干探测模块用于出射第一探测激光；

所述直接探测模块用于出射第二探测激光；

所述收发合置望远镜用于根据所述第一探测激光获取第一回波信号，根据所述第二探测激光获取所述第二回波信号；

所述数据处理模块用于根据所述第一回波信号测量2Km以下的低空大气风场，根据所述第二回波信号测量2Km-30Km的高空大气风场。

优选的，在上述激光雷达中，所述相干探测模块包括：相干激光出射单元、第一检测单元以及第一公共单元；

所述相干激光出射单元用于出射所述第一检测激光，将所述第一检测激光分为能量强的第一部分激光以及能量弱的第二部分激光；

所述第一部分激光用于通过所述第一公共单元入射所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第一回波信号通过所述第一公共单元进入所述第一检测单元；

所述第二部分激光用于作为本振光在所述第一检测单元与第一回波信号进行拍频，形成差频信号；

其中，所述数据处理模块用于通过所述差频信号计算运动气溶胶粒子引起的多普勒频移，根据所述多普勒频移测量2Km以下的低空大气风场。

优选的，在上述激光雷达中，所述相干激光出射单元包括：第一激光器、第一光纤耦合/分束器、声光调制器、第一扩束器以及第一反射镜；

所述第一激光器用于出射波长为2μm的连续激光作为所述第一检测激光；所述第一光纤耦合/分束器用于将所述第一检测激光分为所述第一部分激光以及所述第二部分激光；

所述第一部分激光依次通过所述声光调制器、所述第一扩束器、所述第一反射镜、所述第一公共单元以及所述收发合置望远镜，进入大气，与气溶胶相互作用，形成气溶胶后向散射信号作为所述第一回波信号由所述收发合置望远镜接收。

优选的，在上述激光雷达中，所述第一检测单元包括：平衡探测器、第二光纤耦合/分束器以及第一会聚透镜；

所述收发合置望远镜出射的所述第一回波信号依次通过所述第一公共单元以及所述第一会聚透镜入射所述第二光纤耦合/分束器，在所述第二光纤耦合/分束器与所述第二部分激光进行拍频。

优选的，在上述激光雷达中，所述第一公共单元包括：第一偏振分束器以及第一λ/4波片；

所述相干激光出射单元出射的所述第一部分激光依次通过所述第一偏振分束器以及所述第一λ/4波片，形成圆偏振光，入射所述收发合置望远镜；

所述收发合置望远镜获取的所述第一回波信号依次通过所述第一λ/4波片以及所述第一偏振分束器入射所述第一检测单元。

优选的，在上述激光雷达中，所述直接探测模块包括：直接激光出射单元、第二检测单元、参考锁定单元以及第二公共单元；

所述直接激光出射单元用于出射所述第二检测激光，一部分第二检测激光通过所述第二公共单元后进入所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元进入所述第二检测单元；

所述参考锁定单元用于获取另一部分第二检测激光，基于该部分第二检测激光形成参考测量用光以及锁定用光；

所述第二检测单元用于通过所述参考测量用光，测量所述第二检测激光的频率，通过所述锁定用光测量所述第二检测激光的偏移量，基于所述偏移量调节所述第二检测激光的频率；

其中，所述数据处理模块用于通过所述第二回波信号的多普勒频率测量2Km-30Km的高空大气风场。

优选的，在上述激光雷达中，所述直接激光出射单元包括：第二激光器、第三激光器、第二扩束器以及第二反射镜；

所述第二激光器用于出射波长为1064nm的窄线宽的连续激光，注入所述第三激光器，将该连续激光经过脉冲放大以及倍频处理后，使得所述第三激光器出射355nm激光脉冲作为所述第二检测激光；

第二检测激光依次通过所述第二扩束器以及所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述第二检测激光分为两部分；

一部分第二检测激光通过所述第二反射镜反射后入射所述第二公共单元，通过所述第二公共单元入射所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元进入所述第二检测单元；

另一部分第二检测激光透过所述第二反射镜入射所述参考锁定单元。

优选的，在上述激光雷达中，所述第二检测单元包括：光学接收机、视场光阑、第二会聚透镜、孔径光阑、第三会聚透镜、第二偏振分束器、电光调制器以及第一滤光片；

所述光学接收机具有四个光电探测器以及一个三通道法布里-珀罗标准具；每个通道的输出端均分别单独对应连一个所述光电探测器；

所述收发合置望远镜出射的所述第二回波信号依次通过所述第二公共单元、所述第一滤光片、所述电光调制器、所述第二偏振分束器、所述第三会聚透镜、所述孔径光阑、所述第二会聚透镜、所述视场光阑以及所述光学接收机，分别通过两个通道入射对应两个光电探测器；

其中，所述锁定用光分为两部分，一部分锁定用光单独通过一通道入射对应光电探测器，另一部分锁定用光直接入射单独对应的光电探测器。

优选的，在上述激光雷达中，所述参考锁定单元包括：第二滤光片以及积分球；

一部分第二检测激光通过所述第二滤光片入射所述积分球，所述积分球用于展宽该部分第二检测激光的时域以及提高激光光斑的均匀性，并基于该部分第二检测激光出射所述锁定用光和参考测量用光。

优选的，在上述激光雷达中，所述第二公共单元包括：第三偏振分束器、第二λ/4波片以及第三反射镜；

所述收发合置望远镜出射的第二回波信号依次通过所述第三反射镜、所述第二λ/4波片以及所述第三偏振分束器入射所述第二检测单元。

通过上述描述可知，本发明技术方案所述复合体制多普勒测风激光雷达为相干探测方法和直接探测方法相结合的复合体制的多普勒测风激光雷达，可以用于激光探测、大气探测以及光电探测领域，与ALADIN在低空采用基于菲索干涉仪的条纹成像技术(0～2km)，在高空采用基于法布里-珀罗标准具的双边缘技术(2～30km)不同，本发明所述技术方案在低空和高空分别采用相干探测方法和直接探测方法测量风场，同样实现了0～30km高度的风场探测覆盖，而且，在低空探测可以充分发挥相干探测技术抗背景噪声能力强的优势，可实现散粒噪声极限下的探测，具有探测精度更高的优点。可见，本发明技术方案提供了一种基于相干探测和直接探测相结合的复合体制多普勒测风激光雷达，可以充分发挥相干探测和直接探测的各自优势，实现0～30km高度可用于全球全天候探测的复合体制测风激光雷达系统。

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，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种复合体制多普勒测风激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图为本发明实施例提供的一种复合体制多普勒测风激光雷达的结构示意图，所述激光雷达包括：相干探测模块100、直接探测模块200、收发合置望远镜300以及数据处理模块13。数据处理模块13可以为工控主机。

所述相干探测模块100用于出射第一探测激光；所述直接探测模块200用于出射第二探测激光；所述收发合置望远镜300用于根据所述第一探测激光获取第一回波信号，根据所述第二探测激光获取所述第二回波信号；所述数据处理模块13用于根据所述第一回波信号测量2Km以下的低空大气风场，根据所述第二回波信号测量2Km-30Km的高空大气风场。

所述相干探测模块100包括：相干激光出射单元101、第一检测单元102以及第一公共单元103。所述相干激光出射单元101用于出射所述第一检测激光，将所述第一检测激光分为能量强的第一部分激光以及能量弱的第二部分激光。所述第一部分激光用于通过所述第一公共单元103入射所述收发合置望远镜300。所述收发合置望远镜300获取的所述第一回波信号通过所述第一公共单元103进入所述第一检测单元102。所述第二部分激光用于作为本振光在所述第一检测单元102与第一回波信号进行拍频，形成差频信号。其中，所述数据处理模块13用于通过所述差频信号计算运动气溶胶粒子引起的多普勒频移，根据所述多普勒频移测量2Km以下的低空大气风场。

所述相干激光出射单元101包括：第一激光器1、第一光纤耦合/分束器2、声光调制器3、第一扩束器4以及第一反射镜5。所述第一激光器1用于出射波长为2μm的连续激光作为所述第一检测激光。所述第一光纤耦合/分束器2用于将所述第一检测激光分为所述第一部分激光以及所述第二部分激光。

所述第一部分激光依次通过所述声光调制器3、所述第一扩束器4、所述第一反射镜5、所述第一公共单元103以及所述收发合置望远镜300，进入大气，与气溶胶相互作用，形成气溶胶后向散射信号作为所述第一回波信号由所述收发合置望远镜300接收。

所述第一检测单元102包括：平衡探测器6、第二光纤耦合/分束器7以及第一会聚透镜8。所述收发合置望远镜300出射的所述第一回波信号依次通过所述第一公共单元103以及所述第一会聚透镜8入射所述第二光纤耦合/分束器7，在所述第二光纤耦合/分束器7与所述第二部分激光进行拍频。

所述第一公共单元103包括：第一偏振分束器9以及第一λ/4波片10。所述相干激光出射单元101出射的所述第一部分激光依次通过所述第一偏振分束器9以及所述第一λ/4波片10，形成圆偏振光，入射所述收发合置望远镜300.所述收发合置望远镜300获取的所述第一回波信号依次通过所述第一λ/4波片10以及所述第一偏振分束器9入射所述第一检测单元102。

所述直接探测模块200包括：直接激光出射单元201、第二检测单元202、参考锁定单元203以及第二公共单元204。

所述直接激光出射单元201用于出射所述第二检测激光，一部分第二检测激光通过所述第二公共单元204后进入所述收发合置望远镜300。所述收发合置望远镜300获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元204进入所述第二检测单元202。所述参考锁定单元203用于获取另一部分第二检测激光，基于该部分第二检测激光形成参考测量用光以及锁定用光。所述第二检测单元202用于通过所述参考测量用光，测量所述第二检测激光的频率，通过所述锁定用光测量所述第二检测激光的偏移量，基于所述偏移量调节所述第二检测激光的频率。其中，所述数据处理模块13用于通过所述第二回波信号的多普勒频率测量2Km-30Km的高空大气风场。

所述直接激光出射单元201包括：第二激光器34、第三激光器35、第二扩束器36以及第二反射镜37。所述第二激光器34用于出射波长为1064nm的窄线宽的连续激光，注入所述第三激光器35，将该连续激光经过脉冲放大以及倍频处理后，使得所述第三激光器35出射355nm激光脉冲作为所述第二检测激光。所述第三激光器35为355nm波长激光器，作为主放大器，用于对入射激光进行脉冲放大以及倍频处理。

第二检测激光依次通过所述第二扩束器36以及所述第二反射镜37，所述第二反射镜37将所述第二检测激光分为两部分。一部分第二检测激光通过所述第二反射镜37反射后入射所述第二公共单元204，通过所述第二公共单元204入射所述收发合置望远镜300；所述收发合置望远镜300获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元204进入所述第二检测单元202。另一部分第二检测激光透过所述第二反射镜37入射所述参考锁定单元203。

所述第二检测单元202包括：光学接收机T、视场光阑22、第二会聚透镜23、孔径光阑24、第三会聚透镜25、第二偏振分束器26、电光调制器27以及第一滤光片28。第二偏振分束器26可以为偏振分光棱镜。

所述光学接收机T具有四个光电探测器以及一个三通道法布里-珀罗标准具21。每个通道的输出端均分别单独对应连一个所述光电探测器。四个光电探测器依次为光电探测器14、光电探测器16、光电探测器18和光电探测器20。每个通道的输出端和对应光电探测器之间的光路均分别设置有一个会聚透镜，如图1所示，光电探测器14和对应通道的输出端之间的光路具有会聚透镜15，光电探测器16和对应通道的输出端之间的光路具有会聚透镜17，光电探测器18和对应通道的输出端之间的光路具有会聚透镜19。

所述收发合置望远镜出射300的所述第二回波信号依次通过所述第二公共单元204、所述第一滤光片28、所述电光调制器27、所述第二偏振分束器26、所述第三会聚透镜25、所述孔径光阑24、所述第二会聚透镜23、所述视场光阑22以及所述光学接收机T，分别通过两个通道入射对应两个光电探测器14、16。

其中，所述锁定用光分为两部分，一部分锁定用光单独通过一通道入射对应光电探测18，该部分锁定用光通过会聚透镜32入射三通道法布里-珀罗标准具21对应一个通道，另一部分锁定用光直接入射单独对应的光电探测器20。

所述参考锁定单元包括：第二滤光片38以及积分球39。一部分第二检测激光通过所述第二滤光片38入射所述积分球39，所述积分球39用于展宽该部分第二检测激光的时域以及提高激光光斑的均匀性，并基于该部分第二检测激光出射所述锁定用光和参考测量用光。第一滤光片28和第二滤光片38均为0.1nm窄带滤光片。

所述第二公共单元204包括：第三偏振分束器29、第二λ/4波片30以及第三反射镜31。所述收发合置望远镜300出射的第二回波信号依次通过所述第三反射镜32、所述第二λ/4波片30以及所述第三偏振分束器29入射所述第二检测单元202。第三反射镜31为355nm高反射镜。

所述收发合置望远镜300包括分色镜11、合置反射镜12以及收发望远镜40。探测激光入射收发合置望远镜300后，依次通过分色镜11、合置反射镜12以及收发望远镜40，进入大气。所述收发合置望远镜300获取回波信号，回波信号依次通过收发望远镜40、合置反射镜12以及分色镜11出射，进而入射对应的相干探测模块100或是直接探测模块200。

下面结合图1对本申请实施例所述激光雷达的工作过程进行具体说明：

测量低空大气风场时，相干探测模块100工作，第一激光器1作为种子激光器产生2μm连续光进入具有1×2光纤分束器的第一光纤耦合/分束器2，其中能量弱的部分作为本振光，本振光是相干探测中与第一回波信号进行拍频的光。能量强的部分经过声光调制器3后被调制成重频5Hz的激光脉冲，该激光脉冲为线偏振光脉冲，出射的激光脉冲能量150mJ，光斑直径约为1.6mm。声光调制器3是利用声光效应将信息加载于光频载波上的器件。线偏振光脉冲经第一扩束器4扩束准直后经2μm高反射镜5进入第一偏振分束器9，第一偏振分束器9可以把随机偏振光束分为垂直和平行偏振光(P光和S光)，S偏振光束反射，与入射光束方向成90°角，而P偏振态光束则可透过第一偏振分束器9，第一偏振分束器9出射的线偏振光到达第一λ/4波片10。第一λ/4波片10是用具有双折射特性的材料制作的，这种材料能在波片的快、慢主轴之间引入相位差。第一λ/4波片10使得快轴与慢轴之间产生四分之一波长的相位差，从而线偏振光经过第一λ/4波片10后出射光变为圆偏振光，圆偏振光又经过分色镜11。分色镜11是一种非常精确的滤色片，用于选择性传递小范围颜色的光，同时反射其他颜色的光。出射光经过镀有2μm和355nm两种波长高反射膜的合置反射镜12进入收发望远镜40。相干探测模块100与直接探测模块200共用收发合置望远镜300。该收发合置望远镜300为卡塞格林结构，它由两块全反射镜组成，平行激光束入射到凸球面反射镜，被凸球面反射镜反射后入射到凹球面反射镜，经凹球面反射镜反射后的激光成平行光出射，光束直径扩大，激光发散角减小。2μm波长激光进入大气后，由于大气中气溶胶粒子的运动，激光脉冲与气溶胶粒子相互作用时，后向散射信号产生多普勒频移，低空气溶胶的后向散射信号被收发望远镜40所接收，接收到的激光经合置反射镜12、分色镜11、第一λ/4波片10和第一偏振分束器9后被第一会聚透镜8耦合进入光纤。耦合后的激光与本振光进行拍频后进入平衡探测器6，差频信号的频率是由运动气溶胶粒子引起的多普勒频移。通过工控机对差频信号进行处理，从而反演出径向风速，完成低空风场测量。

测量高空大气风场时，直接探测模块200工作，第二激光器34为1064nm种子激光器，产生窄线宽的连续激光注入到第三激光器35，经脉冲放大、倍频后发射出355nm激光脉冲，该激光脉冲为线偏振光脉冲，出射的激光脉冲能量180mJ，光斑直径约为2mm。355nm线偏振光脉冲经第二扩束器36扩束准直后，其中99％能量的光被第二反射镜37反射，由于第三激光器35产生的激光为线偏振光，第三偏振分束器29安装的方向使得激光脉冲会被反射进入第二λ/4波片30，出射光变为圆偏光，又经过355nm高反射镜31、分色/11以及合置反射镜12后进入收发望远镜40进行扩束。355nm激光进入大气后，高空大气的大气分子后向散射信号被收发望远镜40所接收，接收到的激光信号依次经合置反射镜12、分色镜11、355nm高反射镜31与第二λ/4波片30。圆偏振光经第二λ/4波片30后变为线偏振光，且偏振方向与出射光的偏振方向垂直，因而可透过第三偏振分束器29进入第二检测单元202的接收光路。透过第三偏振分束器29的光既有355nm的信号光也有天空中的背景光，采用0.1nm的窄带滤光片28过滤掉信号光中的背景光，过滤后的信号光透过非工作状态下的电光调制器27。电光调制器27是利用某些电光晶体的电光效应实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振态的调制的器件。由于信号光相比于激光器出射光偏振方向偏转了90度，故可透过第二偏振分束器26，放置于第二会聚透镜23与第三会聚透镜25焦点位置的孔径光阑24可限制收发望远镜40的接收视场。视场光阑22使进入三通道法布里-珀罗标准具21的光束直径限制在20mm，以保证入射到三通道法布里-珀罗标准具21的光都照射在镀膜区域内。通过三通道法布里-珀罗标准具21两信号通道的光被会聚透镜15和17分别会聚到探测器14和16的端面上。从第二反射镜37透过的1％能量的光经过置于积分球39入口处的窄带滤光片38将其他背景光滤去后进入积分球39。积分球39主体结构是一个内表面均匀地涂覆一层漫反射材料的球体，其中包含一块同样涂覆漫反射材料的挡板，其作用是防止入射激光直接从出口出射。本申请技术方案引入的积分球的作用有二，其一是对进入其中的脉冲激光在时域上具有展宽的作用；其二是利用积分球39内表面材料对激光漫反射的作用，使得出口的激光光斑更均匀。从积分球39用光纤引出两路光，一路作为参考测量用光，一路作为锁定用光，以下是对这两路用光的说明。

为了消除激光频率抖动对风速测量带来的误差，直接探测模块200设置有参考锁定单元203，期出射参考测量用光由光纤从积分球39引出，经光纤准直后照射到放置于第二检测单元202光路中电光调制器27后的第二偏振分束器26的反射面上，经反射进入三通道法布里-珀罗标准具21的信号通道，用于测量出射激光脉冲频率。出射激光频率只有被锁定在设计的两信号通道交叉点时才具有最佳的测量精度，然而激光器的出射波长受环境温度变化影响较大，可能会偏离交叉点位置，为此本申请实施例技术方案还专门设计了锁定通道，用于在测量过程中将激光器出射激光频率锁定在信号通道透过率曲线交叉点处，其光源也来自积分球39。1×2的光纤分束器33将锁定用光分为两路，一路直接进入探测器20称为信号能量，另一路进入三通道法布里-珀罗标准具21的锁定通道。通过两个通道能量的比值与锁定通道透过率半高的差值，可确定出射激光偏移量的大小，激光器根据偏移量大小调节出射激光波长，从而使出射激光始终锁定在两信号通道透过率曲线的交叉点位置。

直接探测模块200激光鉴频装置采用三通道法布里-珀罗标准具21，由于激光器出射激光脉冲与大气散射的激光脉冲进入三通道法布里-珀罗标准具21的时间不同，发射激光进入三通道法布里-珀罗标准具21的时间要早于大气后向散射激光进入三通道法布里-珀罗标准具21的时间，因此可用同一个探测通道测量两种激光的频率。两者频率的差值即为多普勒频率，计算机可根据测得的多普勒频率反演即可得到大气的风速。

本发明实施例技术方案提供了一种复合体制多普勒测风激光雷达，相干探测模块100的工作波长为2μm，利用大气气溶胶米散射信号，可实现低空(0～2km)大气风场的探测；直接探测模块200的工作波长为355nm，利用大气分子瑞利散射信号，可实现高空(2～30km)风场的探测。相干探测模块100和直接探测模块200共用收发合置望远镜300，实现了0～30km高度风场的相干和直接复合体制探测。

本发明实施例技术方案与现有技术相比，其优点有：

1)本发明实施例所述的相干探测与直接探测相结合的复合体制测风激光雷达，相干探测主要针对2km以下高度范围，直接探测主要探测2km以上高度范围，以实现地面到海拔30km的风场探测。这种复合体制测风激光雷达充分利用了两种探测方式各自的优势，即2km以下大气中气溶胶浓度较高，相干探测精度较高，随着海拔的升高，气溶胶浓度降低而大气分子浓度较高，直接探测精度较高。两种探测方式相结合可以保证测量精度的同时提升测量范围。

2)本发明实施例将相干探测子模块100与直接探测模块200的激光发射与接收光路设计为共用光路，即两子系统共用一个收发合置望远镜300。共用光路的设计可以提高系统集成度，降低成本，缩小整个系统所占空间，尤其适用于星载平台等。

3)本发明实施例所述的复合体制多普勒测风激光雷达，在低空探测采用相干技术，具有探测灵敏度高，对背景光噪声、探测器噪声抑制能力强，可接近量子极限探测等突出优点。

4)本发明实施例中收发合置望远镜300采用卡塞格林结构，该结构为两块反射镜的共轴反射式望远镜。这种结构望远镜在实现扩束的同时将光路折叠，可以减小望远镜所占的空间长度。在卡塞格林望远镜焦点处可以安置较大的终端设备，不会遮挡光路且观测操作较方便，而且容易消除像差。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种复合体制多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：相干探测模块、直接探测模块、收发合置望远镜以及数据处理模块；

所述相干探测模块用于出射第一探测激光；

所述直接探测模块用于出射第二探测激光；

所述收发合置望远镜用于根据所述第一探测激光获取第一回波信号，根据所述第二探测激光获取所述第二回波信号；

所述数据处理模块用于根据所述第一回波信号测量2Km以下的低空大气风场，根据所述第二回波信号测量2Km-30Km的高空大气风场。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述相干探测模块包括：相干激光出射单元、第一检测单元以及第一公共单元；

所述相干激光出射单元用于出射所述第一检测激光，将所述第一检测激光分为能量强的第一部分激光以及能量弱的第二部分激光；

所述第一部分激光用于通过所述第一公共单元入射所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第一回波信号通过所述第一公共单元进入所述第一检测单元；

所述第二部分激光用于作为本振光在所述第一检测单元与第一回波信号进行拍频，形成差频信号；

其中，所述数据处理模块用于通过所述差频信号计算运动气溶胶粒子引起的多普勒频移，根据所述多普勒频移测量2Km以下的低空大气风场。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述相干激光出射单元包括：第一激光器、第一光纤耦合/分束器、声光调制器、第一扩束器以及第一反射镜；

所述第一激光器用于出射波长为2μm的连续激光作为所述第一检测激光；所述第一光纤耦合/分束器用于将所述第一检测激光分为所述第一部分激光以及所述第二部分激光；

所述第一部分激光依次通过所述声光调制器、所述第一扩束器、所述第一反射镜、所述第一公共单元以及所述收发合置望远镜，进入大气，与气溶胶相互作用，形成气溶胶后向散射信号作为所述第一回波信号由所述收发合置望远镜接收。

4.根据其权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一检测单元包括：平衡探测器、第二光纤耦合/分束器以及第一会聚透镜；

所述收发合置望远镜出射的所述第一回波信号依次通过所述第一公共单元以及所述第一会聚透镜入射所述第二光纤耦合/分束器，在所述第二光纤耦合/分束器与所述第二部分激光进行拍频。

5.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一公共单元包括：第一偏振分束器以及第一λ/4波片；

所述相干激光出射单元出射的所述第一部分激光依次通过所述第一偏振分束器以及所述第一λ/4波片，形成圆偏振光，入射所述收发合置望远镜；

所述收发合置望远镜获取的所述第一回波信号依次通过所述第一λ/4波片以及所述第一偏振分束器入射所述第一检测单元。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述直接探测模块包括：直接激光出射单元、第二检测单元、参考锁定单元以及第二公共单元；

所述直接激光出射单元用于出射所述第二检测激光，一部分第二检测激光通过所述第二公共单元后进入所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元进入所述第二检测单元；

所述参考锁定单元用于获取另一部分第二检测激光，基于该部分第二检测激光形成参考测量用光以及锁定用光；

所述第二检测单元用于通过所述参考测量用光，测量所述第二检测激光的频率，通过所述锁定用光测量所述第二检测激光的偏移量，基于所述偏移量调节所述第二检测激光的频率；

其中，所述数据处理模块用于通过所述第二回波信号的多普勒频率测量2Km-30Km的高空大气风场。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述直接激光出射单元包括：第二激光器、第三激光器、第二扩束器以及第二反射镜；

所述第二激光器用于出射波长为1064nm的窄线宽的连续激光，注入所述第三激光器，将该连续激光经过脉冲放大以及倍频处理后，使得所述第三激光器出射355nm激光脉冲作为所述第二检测激光；

第二检测激光依次通过所述第二扩束器以及所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述第二检测激光分为两部分；

一部分第二检测激光通过所述第二反射镜反射后入射所述第二公共单元，通过所述第二公共单元入射所述收发合置望远镜；所述收发合置望远镜获取的所述第二回波信号通过所述第二公共单元进入所述第二检测单元；

另一部分第二检测激光透过所述第二反射镜入射所述参考锁定单元。

8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第二检测单元包括：光学接收机、视场光阑、第二会聚透镜、孔径光阑、第三会聚透镜、第二偏振分束器、电光调制器以及第一滤光片；

所述光学接收机具有四个光电探测器以及一个三通道法布里-珀罗标准具；每个通道的输出端均分别单独对应连一个所述光电探测器；

所述收发合置望远镜出射的所述第二回波信号依次通过所述第二公共单元、所述第一滤光片、所述电光调制器、所述第二偏振分束器、所述第三会聚透镜、所述孔径光阑、所述第二会聚透镜、所述视场光阑以及所述光学接收机，分别通过两个通道入射对应两个光电探测器；

其中，所述锁定用光分为两部分，一部分锁定用光单独通过一通道入射对应光电探测器，另一部分锁定用光直接入射单独对应的光电探测器。

9.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述参考锁定单元包括：第二滤光片以及积分球；

一部分第二检测激光通过所述第二滤光片入射所述积分球，所述积分球用于展宽该部分第二检测激光的时域以及提高激光光斑的均匀性，并基于该部分第二检测激光出射所述锁定用光和参考测量用光。

10.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第二公共单元包括：第三偏振分束器、第二λ/4波片以及第三反射镜；

所述收发合置望远镜出射的第二回波信号依次通过所述第三反射镜、所述第二λ/4波片以及所述第三偏振分束器入射所述第二检测单元。