CN108761487A - 一种大带宽激光测风雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光测风雷达领域，具体为一种大带宽激光测风雷达系统。系统包括光源、第一分束器、第一移频器、第二移频器、隔离器、放大滤波器、环形器、天线、第二分束器以及信号处理电路；光源进入第一分束器的输入端，从第一分束器的输出端分别进入第一移频器的输入端和第二分束器输入端；第一移频器输出端连接第二移频器的输入端，第二移频器的输出端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与放大滤波器的输入端连接，放大滤波器的输出端与环形器的输入端连接；环形器的输入端连接天线和第二分束器的输入端；第二分束器的输出端连接信号处理电路。本发明提高了声光移频的消光比，在保证插入损耗下，较大提高了激光测风距离分辨率和可调带宽范围。

Description

一种大带宽激光测风雷达系统
技术领域
本专利属于激光测风雷达领域，具体为一种大带宽激光测风雷达系统。
背景技术
测风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手机后，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，即可判断出风速变化带来的激光频率的变化量即多普勒频移，从而获得待测空域大气风速信息。
激光测风雷达与传统测风雷达相比具有工作频率高、波束窄、分辨率高、非接触测量等一系列优异性能和特点，在高精度风场测量方面具有明显的技术优势。逐渐成为研究风场测量最前沿的技术手段。根据线性调频连续波激光雷达最佳距离分辨率公式：ΔR＝C/2B；其中ΔR为线性调频连续波激光雷达最佳距离分辨率，C为真空中的光速，B为移频器扫描带宽。由公式可以看出，扫描带宽越宽，激光雷达的距离分辨率越高。
现有的激光测风雷达普遍采用一个或者两个固定移频量的光纤声光移频器产生移频。如朱吉等人提出的《基于差频原理的声光移频器》(朱吉,傅礼鹏,吴中超,王智林.基于差频原理的声光移频器[J].压电与声光,2014,36(04):535-537.)，通过采用两个声光移频器，按照差频原理实现了低于20MHz的移频频率，但其可调带宽很小，且只能在中心频率范围内的某个频率点实现固定移频，移频带宽只有几MHz，距离分辨率较差。
专利内容
针对现有激光测风雷达可调带宽小，距离分辨率不高的情况。本专利采用两个光纤声光移频器(也即第一移频器和第二移频器)差频的方式。而且每个光纤声光移频器在中心频率±10MHz可调，插入损耗在±10MHz范围内波动≤0.5dB。
为了实现上述目的，本专利采用的技术方案如下：
一种大带宽激光测风雷达系统，所述系统包括光源、第一分束器、第一移频器、第二移频器、隔离器、放大滤波器、环形器、天线、第二分束器以及信号处理电路；
所述光源进入第一分束器的输入端，第一分束器的输出端分别连接第一移频器的输入端和第二分束器输入端；第一移频器输出端连接第二移频器的输入端，第二移频器的输出端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与放大滤波器的输入端连接，放大滤波器的输出端与环形器的输入端连接；环形器的输入端分别连接天线与第二分束器的输入端；第二分束器的输出端连接信号处理电路。
进一步的，所述第一移频器与第二移频器产生相反移频，即若第一移频器产生正移频，则第二移频器产生负移频；若第一移频器产生负移频，则第二移频器产生正移频。
优选的，所述第一移频器通过调节第一驱动器，所述第二移频器通过调节第二驱动器，分别进行矢量匹配，从而分别进行移频。
优选的，所述系统还包括采用与系统一致的同一时钟的第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器输出端连接第一移频器，所述第二驱动器输出端连接第二移频器。
优选的，正移频与负移频之间产生的带宽为[(b+c)-(a+d)]MHz；所述带宽的范围为0～40MHz；其中，a表示正移频的下移频，b表示正移频的上移频，也即是所述正移频的移频范围为aMHz～bMHz；c表示负移频的下移频，d表示负移频的上移频，也即是负移频的移频范围为cMHz～dMHz，因而负移频和正移频的差频范围为(b+c)MHz～(a+d)MHz。
优选的，所述正移频的上移频与其下移频之差b-a为0～20MHz，所述负移频的上移频与其下移频之差d-c为0～20MHz。
本专利的有益效果：
本专利与现有技术相比，不但提高了光纤声光移频的消光比，而且使整个系统在保证插入损耗的情况下可调带宽从原有的几MHZ，提高到40MHz左右，较大的提高了激光测风距离分辨率和可调动态范围。
1、本专利是对光频频率移动在某个频率点(比如70MHz)±10MHz可调，即保证插损波动≤0.5dB的情况下，移频频率从60MHz-80MHz范围可调，带宽有20MHz，根据ΔR＝C/2B，本专利能够显著提高激光雷达的距离分辨率；
2、本专利移频器两个驱动采用和系统同一时钟，系统信噪比显著提高，能够显著降低测风系统中相位噪声系数，优化测试得到的信噪比。
3、本专利的系统为全光纤结构，系统紧凑，便于操作携带，差损低。
附图说明
图1为本专利的一种大带宽激光测风雷达的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利做进一步的详细说明。
如图1所示，本专利的一种大带宽激光测风雷达系统，所述系统包括光源、第一分束器(靠近光源处的分束器)、第一移频器、第二移频器、隔离器、放大滤波器、环形器、天线、第二分束器以及信号处理电路；
所述光源进入第一分束器的输入端，从第一分束器的输出端分别进入第一移频器的输入端和第二分束器输入端；第一移频器输出端连接第二移频器的输入端，第二移频器的输出端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与放大滤波器的输入端连接，放大滤波器的输出端与环形器的输入端连接；环形器的输入端分别连接天线与第二分束器的输入端；第二分束器的输出端连接信号处理电路。
所述第一移频器与第二移频器产生相反移频，即若第一移频器产生正移频，则第二移频器产生负移频；若第一移频器产生负移频，则第二移频器产生正移频。
所述第一移频器通过调节第一驱动器，所述第二移频器通过调节第二驱动器，分别进行矢量匹配，从而分别进行移频。
第一驱动器以及第二驱动器采用和系统一致的同一时钟。对比文件《基于差频原理的声光移频器》中驱动器分别为50MHz和49MHz，驱动器时钟和系统时钟信号没有联系，其在测风系统中相位噪声系数很大，测试得到的信噪比差。而本专利移频器两个驱动器采用和系统的同一时钟，系统信噪比显著提高。
其中，正移频与负移频之间产生的带宽为[(b+c)-(a+d)]MHz；所述带宽的范围为0～40MHz；其中，a表示正移频的下移频，b表示正移频的上移频，也即是所述正移频的移频范围为aMHz～bMHz；c表示负移频的下移频，d表示负移频的上移频，也即是负移频的移频范围为cMHz～dMHz，因而负移频和正移频的差频范围为(b+c)MHz～(a+d)MHz。所述正移频的上移频与其下移频之差b-a为0～20MHz，所述负移频的上移频与其下移频之差d-c为0～20MHz。
例如，第一移频器产生的正移频的范围为60～80MHz，第二移频器产生的负移频范围为-140～-160MHz，则两个移频器的差频范围为-100～-60MHz，因此，两个移频器之间的带宽为40MHz。
本专利的一种大带宽激光测风雷达系统其实现过程如下：
光源产生本振光通过第一分束器分别进入到第一移频器和第二分束器；第一移频器经过移频以后，将光信号发送到第二移频器，再将光信号发送到隔离器，隔离器对信号进行处理，即通过光纤回波反射的光能够被隔离器很好的隔离。再经过放大滤波器对信号进行放大和滤波，将该信号发送到环形器，环形器将信号发送到天线和第二分束器；天线接收到多普勒频域回波信号沿光路返回，并从环形器输出；第二分束器将多径天线反射回的回波信号与第一分束器发出的这两路光信号进行混频，并将接收到的光信号转换为电信号，进行相干差拍检测，以获取风速的多普勒频谱信息。
激光雷达工作时，发射机发射中心频率为V的激光脉冲到大气中由于悬浮于大气中随风运动的气溶胶粒子对激光具有散射作用，假设风速V在望远镜视向的分量为Vr＝Vcosθ，则激光雷达接收到的后向散射光信号会产生与气溶胶径向运动速度成正比的多普勒频移Vd，则：
Vd＝2Vr/λ＝2Vcosθ/λ
式中，λ＝C/V0为发射的激光脉冲的中心波长，C为光在真空中的速度。测风雷达通过检测该多普勒频移实现风速的测量。
作为本专利的一种可实现方式，本专利可以根据不同波长光源，设计出满足不同波长的系统，即按照不同波长，改变移频器之间的带宽即雷达扫描带宽，和其他光学器件的参数；可适用于632nm，1064nm，1550nm，2000nm等激光雷达系统，具体如何改变，可参考本领域工业技术的实现，本专利不再赘述。通过改变光纤声光移频器的工作波长，即可实现不同波长系统的应用。
本专利的上述实施例仅仅是为说明本专利所作的举例，而并非是对本专利的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本专利的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本专利的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种大带宽激光测风雷达系统，其特征在于，所述系统包括光源、第一分束器、第一移频器、第二移频器、隔离器、放大滤波器、环形器、天线、第二分束器以及信号处理电路；
所述光源进入第一分束器的输入端，第一分束器的输出端分别连接第一移频器的输入端和第二分束器输入端；第一移频器输出端连接第二移频器的输入端，第二移频器的输出端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与放大滤波器的输入端连接，放大滤波器的输出端与环形器的输入端连接；环形器的输入端分别连接天线与第二分束器的输入端；第二分束器的输出端连接信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种大带宽激光测风雷达系统，其特征在于，所述第一移频器与第二移频器产生相反移频，即若第一移频器产生正移频，则第二移频器产生负移频；若第一移频器产生负移频，则第二移频器产生正移频。
3.根据权利要求1或2所述的一种大带宽激光测风雷达系统，其特征在于，所述系统还包括采用与系统一致的同一时钟的第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器输出端连接第一移频器，所述第二驱动器输出端连接第二移频器，所述第一移频器通过调节第一驱动器，所述第二移频器通过调节第二驱动器，分别进行矢量匹配，从而分别进行移频。
4.根据权利要求2所述的一种大带宽激光测风雷达系统，其特征在于，正移频与负移频之间的带宽为[(b+c)-(a+d)]MHz；其范围为0～40MHz；
其中，a表示正移频的下移频，b表示正移频的上移频，c表示负移频的下移频，d表示负移频的上移频。
5.根据权利要求4所述的一种大带宽激光测风雷达系统，其特征在于，所述正移频的上移频与其下移频之差b-a为0～20MHz，所述负移频的上移频与其下移频之差d-c为0～20MHz。
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