CN109143263A

CN109143263A - 一种混合型测风激光雷达

Info

Publication number: CN109143263A
Application number: CN201810727870.7A
Authority: CN
Inventors: 魏天问; 夏和娣
Original assignee: Hefei Finel Photoelectric Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Guangzai Technology Co ltd
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: CN109143263B

Abstract

本发明公开了一种混合型测风激光雷达，它集成了相干激光雷达和直接激光雷达的技术，在激光雷达系统中采用光学鉴频器，将回波信号光分成包含多普勒频移信息的两束光，分别与本振光拍频，并使用两个平衡探测器进行探测。对于平衡探测器输出的中频电流信号，直接利从时域上计算载噪比，根据载噪比与信号光强具有正比关系，可以得到信号光的光强信息，进一步，按照直接测风激光雷达技术反演出风速的方法计算风速。本发明利用平衡探测器探测信号光的强度信息，使用光学鉴频器鉴别多普勒频移信息，结合了相干和直接测风激光雷达的技术，对计算能力的要求低，具有结构紧凑，造价低，精度高等优点。

Description

一种混合型测风激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种混合型测风激光雷达。

背景技术

激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已广泛应用于测速、测距、成像、污染物监测、测风、测温等领域。测风激光雷达是风场测量的有效手段，精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。

根据测风激光雷达接收信号的方式，可以分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。本发明的发明人研究发现：传统的直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量。为了提高探测精度，一般采用单光子计数探测器，如光电倍增管(PMT)、上转换单光子探测器(UPD)、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等，不仅成本高，而且设备笨重，不利于集成化。传统的相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。大气回波信号与本振光通过平衡探测器拍频后，输出中频(IF)电流信号，其采样率高达几百MHz，数据量大，并且通过傅里叶变换等方法反演风速信息，需要大量的计算能力，通常采用进口DSP等特殊芯片卡处理，成本较高。此外相干测风激光雷达的距离分辨率由发射脉冲宽度所决定。为了提高距离分辨率，一般通过压缩脉冲宽度来实现，但脉冲时域宽度的压缩会导致频域谱宽的增大。为了避免频域谱宽增大导致回波信号谱与本振光谱间的串扰，需要增加对发射脉冲的移频调制量，这又要求采用更高的采样率。

综上所述，传统直接探测测风激光雷达成本高，设备笨重，不利于集成化；传统相干探测测风激光雷达距离分辨率受限，数据量大，对实时数据处理设备的要求高。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合型测风激光雷达，其具有精度高、稳定性好、且造价相对较低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种混合型测风激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、频率鉴别模块、探测器模块和数据处理模块；其中：

所述光源模块包括连续光激光器、第一分束器、脉冲光发生器、第二分束器、光脉冲放大器、第三耦合器；连续光激光器用于输出连续光；连续光激光器输出的激光经第一分束器分为两路，一路输入脉冲光发生器，另一路作为本振光输入探测器模块；脉冲光发生器用于输出脉冲光，脉冲光发生器输出的脉冲光经第二分束器分为两路，一路经光脉冲放大器放大后输入光学收发模块，另一路作为参考光输入第三耦合器；第三耦合器用于将光学收发模块输出的信号和第二分束器输出的参考光耦合后输出到频率鉴别模块；

光学收发模块用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号作为信号光输出；

频率鉴别模块用于鉴别目标物返回的信号频率；

探测器模块包括耦合单元、平衡探测器单元和数据采集单元；所述耦合单元用于将第一分束器输出的本振光和频率鉴别模块输出的信号耦合后输出到平衡探测器单元；平衡探测器单元包括至少一个平衡探测器，用于将输入的信号转换为电信号；数据采集单元用于将平衡探测器单元输出的电信号转换为数字信号；

所述数据处理模块用于获取探测器模块输出的电流信号，根据所述电流信号得到风速信息。

具体的，所述数据处理模块用于获取探测器模块输出的电流信号，根据所述电流信号计算信号光的光强信息、频率信息及风速。

进一步的，所述光学收发模块包括第一环形器和收发望远镜；所述第一环形器用于将输入的光信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的信号输出至第三耦合器；所述收发望远镜用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。

进一步的，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第三耦合器。

进一步的，所述光源模块还包括保偏元件、第一连续可调衰减器、第二连续可调衰减器；

所述探测器模块包括第三分束器；所述耦合单元包括第一3dB耦合器和第二3dB耦合器；所述平衡探测器单元包括第一平衡探测器和第二平衡探测器；所述数据采集单元包括第一数据采集卡和第二数据采集卡；

所述频率鉴别模块包括第二环形器、法布里-珀罗标准具FPI、第一偏振控制器、第二偏振控制器、起偏器；

连续光激光器的输出端与第一分束器的输入端连接，第一分束器将激光分成两份，第一分束器的第一输出端与脉冲光发生器的输入端连接，脉冲光发生器的输出端与第二分束器的输入端连接，第二分束器将输入的光信号分成两束；第二分束器的第一输出端与保偏元件的输入端连接，保偏元件的输出端与光脉冲放大器的输入端连接，光脉冲放大器的输出端与光学收发模块连接，光学收发模块出射的光束照射到目标上，由目标后向散射回的信号光经光学收发模块收集，再先后经过第一环形器的收发端和输出端，第一环形器的收发端与第三耦合器的第一输入端连接；

第二分束器的第二输出端与第二连续可调衰减器的输入端连接，第二连续可调衰减器的输出端与第三耦合器的第二输入端连接，第三耦合器的输出端与第二环形器的输入端连接，第二环形器的收发端与第一偏振控制器的输入端连接，第一偏振控制器的输出端与法布里—珀罗标准具FPI的输入端连接，第二环形器的输出端与第一3dB耦合器的第一输入端连接，第一3dB耦合器的输出端与第一平衡探测器的输入端连接；法布里—珀罗标准具FPI的输出端与第二偏振控制器的输入端连接，第二偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与第二3dB耦合器的第一输入端连接，第二3dB耦合器的输出端与第二平衡探测器的输入端连接；第一平衡探测器的输出端与第一数据采集卡连接，第二平衡探测器的输出端与第二数据采集卡连接；

第一分束器的第二输出端与第一连续可调衰减器的输入端连接，第一连续可调衰减器的输出端与第三分束器的输入端连接，第三分束器的第一输出端与第一3dB耦合器的第二输入端连接，第三分束器的第二输出端与第二3dB耦合器的第二输入端连接。

进一步的，所述脉冲光发生器为声光调制器AOM，所述AOM用于将输入的连续光调制成脉冲光，并进行移频。

进一步的，所述AOM为多个，所述多个AOM通过级联方式连接。

进一步的，所述脉冲光发生器为电光调制器。

所述频率鉴别模块包括第四分束器、光学鉴频器；连续光激光器的输出端与第一分束器的输入端连接，第一分束器将激光分成两份，第一分束器的第一输出端与脉冲光发生器的输入端连接，脉冲光发生器的输出端与第二分束器的输入端连接，第二分束器将输入的光信号分成两束；第二分束器的第一输出端与保偏元件的输入端连接，保偏元件的输出端与光脉冲放大器的输入端连接，光脉冲放大器的输出端与光学收发模块连接，光学收发模块出射的光束照射到目标上，由目标后向散射回的信号光经光学收发模块收集，再先后经过第一环形器的收发端和输出端，第一环形器的收发端与第三耦合器的第一输入端连接；

第二分束器的第二输出端与第二连续可调衰减器的输入端连接，第二连续可调衰减器的输出端与第三耦合器的第二输入端连接，第三耦合器的输出端与第四分束器的输入端连接，第四分束器的第一输出端与第一3dB耦合器的第一输入端连接，第四分束器的第二输出端与光学鉴频器的输入端连接；光学鉴频器的输出端与第二3dB耦合器的第一输入端连接；第一3dB耦合器的输出端与第一平衡探测器的输入端连接；第二3dB耦合器的输出端与第二平衡探测器的输入端连接；第一平衡探测器的输出端与第一数据采集卡连接，第二平衡探测器的输出端与第二数据采集卡连接；

进一步的，所述光学鉴频器为分子吸收线、Fabry-Perot干涉仪、Michelson 干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪、Fizeau干涉仪或微纳腔。

综上，本发明公开了一种混合型测风激光雷达，创造性地集成了测量方式完全不同的相干激光雷达和直接激光雷达的技术的优点，在激光雷达系统中采用光学鉴频器，将回波信号光分成包含多普勒频移信息的两束光，分别与本振光拍频，并使用两个平衡探测器进行探测。对于平衡探测器输出的中频电流信号，直接利从时域上计算载噪比(避免了传统相干技术运算量非常大的傅里叶变换运算)，根据载噪比与信号光强具有正比关系，可以得到信号光的光强信息，进一步，按照直接测风激光雷达技术反演出风速的方法计算风速。本发明利用平衡探测器探测信号光的强度信息，使用光学鉴频器鉴别多普勒频移信息，结合了相干和直接测风激光雷达的技术，对数据处理模块的计算能力的要求低，具有结构紧凑，造价低，精度高等优点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，其不仅可测量硬目标的移动速度，而且可以测量大气风速。本发明通过平衡探测器获取目标散射信号的强度信息，通过光学鉴频器实现对目标速度信息的提取，结合了直接探测和相干探测的优点，避免了相干探测方式的数据计算量和直接探测方式中单光子探测器的高成本，具有探测精度高、造价低、结构紧凑等优点。

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和优点，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的介绍，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它附图。

图1为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的结构框图。

图2为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的又一结构示意图。

图4为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的另一结构示意图。

图5为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达平衡探测器输出的原始电流信号。

图6为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的电流I的示意图。

图7为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的总回波功率I²的示意图。

图8为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的载噪比的示意图。

图9为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的另一方式计算得到载噪比的示意图。

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的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。

实施例：

图1是本发明的一种混合型测风激光雷达的结构框图；如图1所示，包括：光源模块1、光学收发模块2、频率鉴别模块3、探测器模块4和数据处理模块 5；其中：

所述光源模块5包括连续光激光器10、第一分束器11、脉冲光发生器13、第二分束器14、第三耦合器16、光脉冲放大器18；连续光激光器10用于输出连续光；连续光激光器10输出的激光经第一分束器分为两路，一路输入脉冲光发生器13，另一路作为本振光输入探测器模块4；脉冲光发生器13用于输出脉冲光，脉冲光发生器13输出的脉冲光经第二分束器分为两路，一路经光脉冲放大器18放大后输入光学收发模块2，另一路作为参考光输入第三耦合器16；第三耦合器16用于将光学收发模块2输出的信号和第二分束器14输出的参考光耦合后输出到频率鉴别模块3；

光学收发模块2用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号作为信号光输出；

频率鉴别模块3用于鉴别目标物返回的信号频率；

探测器模块4包括耦合单元、平衡探测器单元和数据采集单元；所述耦合单元用于将第一分束器输出的本振光和频率鉴别模块输出的信号耦合后输入到平衡探测器单元；平衡探测器单元包括至少一个平衡探测器，用于将输入的信号转换为电信号；数据采集单元用于将平衡探测器单元输出的电信号转换为数字信号。

所述数据处理模块5用于获取探测器模块4输出的电流信号，根据所述电流信号得到风速信息。

具体的，所述数据处理模块5用于获取探测器模块4输出的电流信号，根据所述电流信号计算信号光的光强信息、根据预先获取的频率鉴定模块光强与频率的对应关系获取信号光的频率信息，并根据信号光的频率信息得到风速信息。数据处理模块5可以是计算机的软件模块，也可以是硬件电路模块。

图2为本发明实施例提供的一种混合型测风激光雷达结构示意图。如图1- 图2所示，包括：光源模块1、光学收发模块2、频率鉴别模块3、探测器模块4和数据处理模块5；其中：所述光源模块5包括连续光激光器10、第一分束器 11、脉冲光发生器13、第二分束器14、第三耦合器16；连续光激光器10用于输出连续光；连续光激光器10输出的激光经第一分束器分为两路，一路输入脉冲光发生器13，另一路作为本振光输入探测器模块4；脉冲光发生器13用于输出脉冲光，脉冲光发生器13输出的脉冲光经第二分束器分为两路，一路经光脉冲放大器18放大后输入光学收发模块2，另一路作为参考光输入第三耦合器16；第三耦合器16用于将光学收发模块2输出的信号和第二分束器14输出的参考光耦合后输出到频率鉴别模块3；所述光源模块1还包括保偏元件17、光脉冲放大器18、第一连续可调衰减器12、第二连续可调衰减器15。

所述探测器模块4包括第三分束器40；所述耦合单元包括第一3dB耦合器 41和第二3dB耦合器44；所述平衡探测器单元包括第一平衡探测器42和第二平衡探测器45；所述数据采集单元包括第一数据采集卡43和第二数据采集卡 46；

所述频率鉴别模块包括第二环形器30、法布里-珀罗标准具FPI31、第一偏振控制器32、第二偏振控制器33、起偏器34。

数据处理模块5(图2中未示出)与第一数据采集卡43和第二数据采集卡 46连接。

平衡探测器的灵敏度非常高，平衡探测器一般用于相干探测中。采用平衡探测器的相干探测技术，比统称的直接探测技术光探测器的接收灵敏度高约 20dB，显著消除了接收机噪声和电子线路噪声对微弱光信号检测的影响。且平衡探测器的成本远低于直接探测系统中使用的单光子探测器。

进一步的，如图2所示：所述光学收发模块包括第一环形器19和收发望远镜20；所述第一环形器19用于将输入的光信号输出至收发望远镜20，并将收发望远镜20接收的信号输出至第二环形器30；所述收发望远镜20用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。

目标物可以是硬目标如墙、硬物体，也可以是软目标，如大气粒子。在测风激光雷达中，目标物可以是大气粒子，如大气气溶胶或大气分子。

作为可替换的方案，图3为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的另一结构示意图。如图3所示，所述光学收发模块包括发射望远镜21和接收望远镜22；所述发射望远镜21用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜 22用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第二环形器30。

进一步的，所述脉冲光发生器13包括声光调制器AOM，所述AOM用于将输入的连续光调制成脉冲光，并进行移频。脉冲光发生器13还可以是电光调制器。

AOM可以是一个，也可以是多个；当AOM为多个时，所述多个AOM通过级联方式连接。

保偏元件17为保偏光纤、保偏延时光纤或其他具有保偏功能的元件。本发明实施例中，保偏元件17优选为保偏延时光纤，保偏功能使出射光信号保持偏振状态进而能够发生干涉。下面以图8所示的具体的实施方式为例，对本发明进行详细阐述。

光脉冲放大器18用于放大脉冲信号，优选为光学放大器，如EDFA。

为提高系统的便携性，本发明中的所涉及的组件优选为光纤器件，各组件之间通过光纤连接。所述光脉冲放大器为光纤光脉冲放大器。下面以一个应用场景为例，详细说明本发明的结构。

如图2所示，连续光激光器10的输出端与第一分束器11的输入端连接，第一分束器11将激光分成两份，其中第一分束器11的第一输出端111输出为种子光，第一分束器11的第二输出端112输出为本振光；第一分束器11的第一输出端111与声光调制器AOM的输入端连接，声光调制器AOM输出端与第二分束器14的输入端连接，第二分束器14将种子光分成两束，其中第二分束器14 的第一输出端141输出为信号光，第二分束器14的第二输出端142输出为参考光；第二分束器14的第一输出端141与保偏延时光纤输入端连接，保偏延时光纤输出端与光脉冲放大器18的输入端连接，光脉冲放大器18的输出端与第一环形器19的输入端191连接，第一环形器19的收发端192与收发望远镜20连接，收发望远镜20出射的光束照射到大气分子和气溶胶等目标上，由目标后向散射回的信号经收发望远镜20收集，再先后经过第一环形器19的收发端和输出端，第一环形器19的输出端193与第三耦合器16的一个输入端连接。第三耦合器16包括至少两个输入端，一个输出端，用于将输入的光信号耦合后输出。

第二分束器14的第二输出端142与第二连续可调衰减器15的输入端连接，第二连续可调衰减器15的输出端与第三耦合器16的另一输入端连接。信号光和参考光通过第三耦合器16后接入第二环形器30的输入端301，第二环形器 30的收发端302与第一偏振控制器31的输入端连接，第一偏振控制器31的输出端与法布里—珀罗标准具FPI 32的输入端321连接，法布里—珀罗标准具FPI 32将信号光分成反射信号和透射信号，其中FPI的输入端321为反射信号，FPI 的输出端322为透射信号；法布里—珀罗标准具FPI 32的输出端322与第二偏振控制器33的输入端连接，第二偏振控制器33的输出端与起偏器34的输入端连接，起偏器34的输出端与第二3dB耦合器44的一个输入端连接；

第一分束器11的第二输出端112与第一连续可调衰减器12的输入端连接，第一连续可调衰减器12的输出端与第三分束器40的输入端连接，第三分束器 40将本振光分成两束(分束比为1:1)，其中一个输出端输出本振光1，另一输出端输出本振光2；第三分束器40的一个输出端与第一3dB耦合器41的一个输入端连接，第三分束器40的另一输出端与第二3dB耦合器44的一个输入端连接。第一3dB耦合器41与第二3dB耦合器44均包括至少两个输入端和一个输入端。

反射信号从法布里—珀罗标准具FPI 32的输入端321返回后，先后经过第一偏振控制器31、第二环形器30的收发端302和输出端303，第二环形器30 的输出端303与第一3dB耦合器41的其中一个输入端连接，反射信号和本振光 1经第一3dB耦合器41混合后接入第一平衡探测器42，第一平衡探测器42的输出端与第一数据采集卡43的输入端连接；透射信号从法布里—珀罗标准具FPI 32的输出端322，经起偏器34后，和本振光2在第二3dB耦合器44内混合，混合信号接入第二平衡探测器45，第二平衡探测器45的输出与第二数据采集卡46的输入端连接。

优选的，所述连续光激光器10用于输出单频连续激光。

优选的，所述声光调制器AOM用于将连续激光器10输出的连续信号光调制成脉冲光，并进行移频，包含但不限于多个AOM级联的形式。

优选的，所述法布里—珀罗标准具FPI 32用于对接收的回波信号进行鉴频。

优选的，所述第二分束器14的第二输出端142输出的参考光用来实现对法布里—珀罗标准具FPI 32和发射信号光频率的实时锁定。

优选的，所述收发望远镜20可为焦距可调望远镜，通过调焦可实现不同距离处的风速探测。

优选的，根据本发明提供的技术方案，只提取平衡探测器输出电信号的强度信息，避免了做快速傅里叶变换FFT时的复杂运算。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于混合型测风激光雷达的风速测量方法，基于上述混合型测风激光雷达，包括：

通过第一分束器将连续激光器输出光信号分束，得到种子光和本振光；

通过脉冲光发生器将种子光调制为脉冲光后输出到光学收发模块；

获取光学收发模块接收目标物返回的信号；

目标物返回的信号经过法布里-珀罗标准具FPI后，获取FPI的透射光信号和反射光信号；

将FPI的反射光信号与本振光经第一3dB耦合器耦合后输入第一平衡探测器；

将FPI的透射光信号与本振光经第二3dB耦合器耦合后输入第二平衡探测器；

根据第一平衡探测器输出的信号获取反射光强信号；

根据第二平衡探测器输出的信号获取透射光强信号；

获取FPI的响应函数；所述响应函数与反射光强信号、透射光强信号和频率相关；

根据FPI的响应函数及获取的反射光强信号、透射光强信号得到目标物返回信号的频率；

响应函数是FPI的固有属性，可通过对FPI扫描获得，可以用响应函数Q(v) 表示。

根据目标物返回的信号频率和预设的目标物返回的信号频率与种子光频率及风速的对应关系得到风速。

作为可替换的方案，图4为本发明实施例提供的混合型测风激光雷达的又一结构示意图。图4与图2的区别在于频率鉴别模块3不同。

如图1、图4所示，混合型测风激光雷达，包括：光源模块1、光学收发模块2、频率鉴别模块3、探测器模块4和数据处理模块5；其中：

所述光源模块5包括连续光激光器10、第一分束器11、脉冲光发生器13、第二分束器14、第三耦合器16；连续光激光器10用于输出连续光；连续光激光器10输出的激光经第一分束器分为两路，一路输入脉冲光发生器13，另一路作为本振光输入探测器模块4；脉冲光发生器13用于输出脉冲光，脉冲光发生器13输出的脉冲光经第二分束器分为两路，一路输入光学收发模块2，另一路作为参考光输入第三耦合器16；第三耦合器16用于将光学收发模块2输出的信号和第二分束器14输出的参考光耦合后输出到频率鉴别模块3；所述光源模块1还包括保偏元件17、光脉冲放大器18、第一连续可调衰减器12、第二连续可调衰减器15。

所述频率鉴别模块包括第四分束器35、光学鉴频器36；连续光激光器10 的输出端与第一分束器11的输入端连接，第一分束器11将激光分成两份，第一分束器11的第一输出端11与声光调制器AOM(或电光调制器EOM)的输入端连接，声光调制器AOM的输出端与第二分束器14的输入端连接，第二分束器14将输入的光信号分成两束；第二分束器14的第一输出端141与保偏延时光纤的输入端连接，保偏延时光纤的输出端与光脉冲放大器18的输入端连接，光脉冲放大器18的输出端与第一环形器19的输入端191连接，第一环形器的收发端192与收发望远镜20连接，收发望远镜20出射的光束照射到目标上，由目标后向散射回的信号光经收发望远镜20收集，再先后经过第一环形器19 的收发端和输出端，第一环形器的收发端193与第三耦合器16的第一输入端连接；

第二分束器14的第二输出端142与第二连续可调衰减器15的输入端连接，第二连续可调衰减器15的输出端与第三耦合器16的第二输入端连接，第三耦合器16的输出端与第四分束器35的输入端连接，第四分束器35的第一输出端 351与第一3dB耦合器41的第一输入端连接，第四分束器35的第二输出端352 与光学鉴频器36的输入端连接；光学鉴频器36的输出端与第二3dB耦合器44 的第一输入端连接；第一3dB耦合器41的输出端与第一平衡探测器42的输入端连接；第二3dB耦合器44的输出端与第二平衡探测器45的输入端连接；第一平衡探测器42的输出端与第一数据采集卡43连接，第二平衡探测器45的输出端与第二数据采集卡46连接；

第一分束器的第二输出端与第一连续可调衰减器12的输入端连接，第一连续可调衰减器12的输出端与第三分束器40的输入端连接，第三分束器40的第一输出端与第一3dB耦合器41的第二输入端连接，第三分束器40的第二输出端与第二3dB耦合器44的第二输入端连接。

所述光学鉴频器36包括但不限于分子吸收线、Fabry-Perot干涉仪、Michelson 干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪、Fizeau干涉仪或微纳腔。

需要说明的是，本发明中的第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器均包括至少两个输出端。当第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器均包括两个输出端时，各个的分束比优选为1:1。

为了便于理解本发明，下面介绍本发明的混合型测风激光雷达的原理。

本发明通过平衡探测器输出的时域电流信号直接计算载噪比，并进一步通过载噪比来反演风速，接下来将先结合理论介绍载噪比的计算方法，然后阐述混合型测风激光雷达的原理。

根据多普勒雷达回波信号模型，总的回波信号可以表示为

z(k)＝s(k)exp(2πikfT)+n(k) (1)

式中，k表示第k个采样点，f为平均频率，T为采样间隔，s(k)为信号的幅度， n(k)表示与信号无关的随机噪声。n(k)满足以下关系

<n(k)n(j)>＝0，<n(k)n(j)^*>＝Nδ(k-j) (2)

式中，N＝<|n|²>为平均噪声功率，<·>表示集平均，δ为克罗内克符号，n(j)^*表示n(j)的复共轭。总回波信号的协方差函数表示为

R(k,l)＝<z(k)z(l)^*> (3)

对于一个距离门内的M个采样点，对应采样时间为MT，假设信号是平稳的，即R(k,l)＝R(k-l)，式(3)协方差函数简化为

R(k)＝S exp[2πikfT-2π²(wkT)²]+Nδ(k) (4)

式中，w为信号谱宽。当只考虑信号的功率时，取k＝0，式(4)化简成

<|z|²>＝S+N (5)

式中<|z|²>＝R(0)，表示总的回波功率，式(5)表明总的回波功率等于信号功率S和噪声功率N之和。信号的载噪比定义为

单个脉冲发射后，由目标散射的信号和噪声一起被接收，并与本振光拍频后，由平衡探测器探测。平衡探测器输出的原始电流信号如图5所示，对于图中实电流信号可以表示为

I_总＝I_s+I_n+I₀ (7)

式中I_s，I_n，I₀分别为信号电流，噪声电流和探测器的直流输出。

对原始信号的处理步骤为：

第一步，通过选取远距离处的一段信号并取平均，来计算探测器直流输出I₀。将I_总减去I₀得到图6所示结果，图中电流表示为

I＝I_s+I_n (8)

第二步，计算总回波功率，即I²。对I求平方之后，通过大量脉冲累积的方式来代替集平均运算，经过十五万发脉冲(对应10秒时间)累积并平均后的结果如图7所示。图中已经可以明显地看到在第2000个Bin长内和第10000个Bin长处出现了信号峰。根据式(5)，I²可表示为

I²＝I_s ²+I_n ² (9)

第三步，计算噪声功率I_n ²和信号功率I_s ²。由于噪声基本来自本振光的散粒噪声，其功率随时间保持不变，并且远距离处信号功率已经衰减到零，所以可以用最后几个距离门功率的平均值计算噪声功率I_n ²。将总回波功率I²减去噪声功率I_n ²，得到信号功率I_s ²。

第四步，计算载噪比CNR。由于发射脉冲宽度决定了距离分辨率，一个距离门内的M个采样点并不会将距离分辨率提高M倍，因此将信号功率I_s ²在一个距离门内(此处M为100，对应60米距离)进行平均，并除以噪声功率N，得到距离分辨率为60米的载噪比CNR曲线，参见图8所示。

此外，从功率谱中也能分别计算信号的功率和噪声的功率，并进一步得到载噪比CNR，参见图9所示。两种方式分别从频域和时域的角度计算功率，本质是相同的。

按照上述方法分别对两个平衡探测器输出的原始电流数据做处理，并得到 CNR，接下来根据CNR来反演风速。

理论载噪比与信号光强的关系为

式中P_S为接收的信号光功率，η为系统总的接收效率，h为普朗克常数，ν为本振光频率，B为噪声等效带宽。

从(10)式可以看出载噪比与信号光功率具有正比关系，因此由两个平衡探测器得到的载噪比分别代表两个光路的功率(如反射光和透射光的功率)，进一步对光学鉴频器(如FPI)扫频获得的响应函数Q(v)，响应函数是频率的函数。

根据光学鉴频器响应函数与平衡探测器单元测量的信号功率，可以求得信号光的频率。进而得到多普勒频移信息和大气风速信息。

以光学鉴频器为FPI为例，响应函数定义为

式中T(ν)和R(ν)分别是FPI的透射和反射光功率。根据式(11)及FPI扫频获得的响应函数Q(v)便可以得到光学收发模块接收到的大气回波信号的频率信息，进而得到多普勒频移信息和大气风速信息。

对于其他类型的光学鉴频器，如分子吸收线、Fabry-Perot干涉仪、Michelson 干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪、Fizeau干涉仪或微纳腔，可以有不同的频率响应函数。

预设的目标物返回的信号频率与种子光频率及风速的对应关系是：

其中，v为目标物返回的信号频率，v0为种子光频率，V为风速，λ为种子光波长。

本发明采用边缘技术和平衡探测器结合的方式反演风速。

本发明通过平衡探测器输出的时域电流信号直接计算载噪比。包括：将原始电流信号减去探测器直流，做平方运算后进行多脉冲累积，将得到的总回波功率减去末端噪声功率得到信号功率，对于信号功率计算一个距离门内的平均值，通过一个距离门内平均后的信号功率与噪声功率的比值计算载噪比，载噪比与信号光功率具有正比关系，利用边缘技术方法，根据载噪比反演风速。

综上，本发明公开了一种混合型测风激光雷达，它集成了相干激光雷达和直接激光雷达的技术，在激光雷达系统中采用光学鉴频器，将回波信号光分成包含多普勒频移信息的两束光，分别与本振光拍频，并使用两个平衡探测器进行探测。对于平衡探测器输出的中频电流信号，直接利从时域上计算载噪比，根据载噪比与信号光强具有正比关系，可以得到信号光的光强信息，进一步，将得到的光强信息结合光学鉴频器的响应函数鉴别出多普勒频移信息，根据多普勒频移信息计算风速。本发明利用平衡探测器探测信号光的强度信息，使用光学鉴频器鉴别多普勒频移信息，结合了相干和直接测风激光雷达的技术，对计算能力的要求低，具有结构紧凑，造价低，精度高等优点。

本发明实施例提供的一种混合型测风激光雷达具有如下有益效果：

1)本发明采用平衡探测器探测光强信息，引入相干探测机制对信号放大，探测灵敏度高，结合边缘技术实现对风速的测量，相比于传统直接探测测风激光雷达，降低了探测器成本，提高了探测效率。

2)本发明采用新的算法，从平衡探测器输出的时域电流信号直接计算载噪比，相比于传统相干测风激光雷达，避免了做傅里叶变换等复杂运算，大大降低了对计算能力的要求。

3)本发明采用一般计算能力的计算机，能够实现速度的实现处理和显示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种混合型测风激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、光学收发模块、频率鉴别模块、探测器模块和数据处理模块；其中：

频率鉴别模块用于鉴别目标物返回的信号频率；

探测器模块包括耦合单元、平衡探测器单元和数据采集单元；所述耦合单元用于将第一分束器输出的本振光和频率鉴别模块输出的信号耦合后输入到平衡探测器单元；平衡探测器单元包括至少一个平衡探测器，用于将输入的信号转换为电信号；数据采集单元用于将平衡探测器单元输出的电信号转换为数字信号；

2.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括第一环形器和收发望远镜；所述第一环形器用于将输入的光信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的信号输出至第三耦合器；所述收发望远镜用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。

3.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第三耦合器。

4.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述光源模块还包括保偏元件、第一连续可调衰减器、第二连续可调衰减器；

5.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述脉冲光发生器为声光调制器AOM，所述AOM用于将输入的连续光调制成脉冲光，并进行移频。

6.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述AOM为多个，所述多个AOM通过级联方式连接。

7.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述脉冲光发生器为电光调制器。

8.根据权利要求1所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述光源模块还包括保偏元件、第一连续可调衰减器、第二连续可调衰减器；

9.根据权利要求8所述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述光学鉴频器为分子吸收线、Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪、Fizeau干涉仪或微纳腔。

10.根据权利要求1述的混合型测风激光雷达，其特征在于，所述数据处理模块用于获取探测器模块输出的电流信号，根据所述电流信号得到风速信息包括：所述数据处理模块用于获取探测器模块输出的电流信号，根据所述电流信号计算信号光的光强信息、频率信息及风速。