CN109143264B - 连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，对高功率的连续激光进行满足伪随机M序列的激光光强编码，同时利用与之同步的采集装置和反演方法，实现连续式钠测温测风激光雷达的探测高度分辨，解决了复杂的脉冲式钠测温测风雷达改进成结构较为稳定简洁的连续波钠测温测风激光雷达的关键技术问题。

Description

连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法
技术领域
本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法。
背景技术
从大气80km高度往上，瑞利分子散射信号极其微弱，瑞利激光雷达很难获取更高高度的大气温度、风场等信息。利用80～105km高度的金属原子层的共振荧光散射回波信号可探测此高度区域的大气温度。该类型激光雷达称之为共振荧光激光雷达，主要有Fe、Na和K荧光激光雷达等。其原理主要通过发射线宽很窄的激光，利用金属原子的荧光谱线，通过探测谱线不同位置的荧光信号反演大气温度。
现有的钠测温测风雷达均为脉冲式雷达，利用光脉冲从发射到接收的时间延迟进行探测高度的分辨。但是由于脉冲式雷达光路系统复杂，组成设备繁多，一方面，系统功耗比较高，很难实现小型化；另一方面，脉冲式激光雷达从系统搭建到实际观测时的调试阶段都需有较高技术经验的科研人员。一台脉冲式激光雷达的搭建与数据采集都伴随着大量的人力、物力和财力，导致该系统难以在陆地范围大面积建设，形成密集的采集网，进行更深度的中间层顶部气候变化的研究；此外，如何实现连续波钠测温测风激光雷达的距离分辨功能是一个难点问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，可以准确实现连续波钠测温测风激光雷达的距离分辨功能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，包括：
利用电光调制器改变连续激光光强，实现连续激光光源发射的连续激光伪随机M序列编码，再通过采集和处理计算机对连续接收信号编码并用伪随机M序列反码解码，实现连续波钠测温测风雷达的距离分辨。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，对高功率的连续激光进行满足伪随机M序列的激光光强编码，同时利用与之同步的采集装置和反演方法，实现连续式钠测温测风激光雷达的探测高度分辨，解决了复杂的脉冲式钠测温测风雷达改进成结构较为稳定简洁的连续波钠测温测风激光雷达的关键技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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他附图。
图1为本发明实施例提供的一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种具有距离分辨功能的连续波钠测温测风激光雷达的示意图；
图3为本发明实施例提供的长度N＝127的伪随机M序列调制后的激光光强随时间轴的变化的示意图；
图4为本发明实施例提供的时序控制流程图；
图5为本发明实施例提供的详细的时序图；
图6为本发明实施例提供的一段时间连续接收并通过采集和处理程序累加的按编码顺序排列的钠荧光回波信号示意图；
图7为本发明实施例提供的最终对高度反演后得到的钠测温测风雷达信号示意图。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，如图1所示，其主要包括：
1、利用电光调制器改变连续激光光强，实现连续激光光源发射的连续激光伪随机M序列编码。
2、通过采集和处理计算机对连续接收信号编码并用伪随机M序列反码解码，实现连续波钠测温测风雷达的距离分辨。
本发明实施例上述方案，对高功率的连续激光进行满足伪随机M序列的激光光强编码，同时利用与之同步的采集装置和反演方法，实现连续式钠测温测风激光雷达的探测高度分辨，解决了复杂的脉冲式钠测温测风雷达改进成结构较为稳定简洁的连续波钠测温测风激光雷达的关键技术问题。
本发明实施例中，上述连续波钠测温测风激光雷达的结构如图2所示，包括：数字延迟发生器1、编码发生器2、高频电源3、电光调制器4、连续激光光源5、激光发射装置6、激光接收装置7、光电转换装置8、光子计数器和采集卡10、以及采集和处理计算11机；其中：
所述数字延迟发生器1分别与编码发生器2、光子计数器和采集卡10、以及采集和处理计算机11相连；编码发生器2、高频电源3、电光调制器4及激光发射装置6依次相连，所述电光调制器4还与连续激光光源5相连；所述激光接收装置8、光电转换装置9、光子计数器和采集卡10、以及采集和处理计算机11依次相连；其中：
数字延迟发生器，用于控制总系统的时序。根据采集和处理计算机的控制，使用内部触发功能输出触发信号，经过一定延迟后通过不同的通道传输到编码发生器以及光子计数器和采集卡中，实现该系统的发射过程和采集过程在时间上保持时刻同步，从而保证每个编码时间一一对应。所述编码发生器接收触发信号后，根据可编程芯片内预先设定的伪随机M序列01编码和周期时间产生一定次数周期重复循环的伪随机M序列TTL电压信号，用于高频电源的触发；高频电源根据TTL电压信号控制电光调制器中的晶体所加的电压，对连续激光光源的出射激光进行伪随机M序列的编码，得到光强调制的连续激光；光强调制的连续激光经过激光发射装置发射到大气及探测目标中；
大气及探测目标的近地面米散射、瑞利散射和高空探测目标钠荧光的回波信号被激光接收装置接收后导入光电转换装置；由光电转换装置将接收的光信号转换成光子计数器和采集卡能够识别的电压信号；由光子计数器和采集卡，计数每个距离门时间内电压脉冲信号累计计数，当接收到触发信号后开始连续采集，直到预先设定的多个编码周期时长后结束，结束后将记录的光子脉冲传输到采集和处理计算机中，清空采集卡中储存的数据并等待下一次触发信号进行下一次的回波信号采集与记录；由采集和处理计算机，将与伪随机M序列顺序对应的钠测温测风雷达钠荧光回波信号及伪随机M序列反码一一对应，利用反演公式进行计算，最终得到对应各个高度的回波信号信息，从而实现了信号的距离分辨。
上述连续波钠测温测风激光雷达将脉冲式钠雷达系统中四个主要放大装置结构缩减为两个，大大提高了系统的稳定性；同时，可以将连续波钠测温测风雷达激光发射部分集成至一台经过改进设计的连续钠激光器中，保证了光路受震动影响最小，为实现可移动式钠雷达系统和星载钠雷达系统提供了一个可行的方案。
本发明实施例中，将预设的伪随机M序列的01编码的阶梯式电压信号记录到可编程芯片中，制作成编码发生器；当编码发生器接收到来自数字延迟发生器的触发信号后，产生多个重复01编码的阶梯状TTL电压信号传输到高频电源。
本发明实施例中，利用高频电源控制电光调制器中的晶体和偏振片，对经过电光调制器的连续激光进行光强强弱控制，从而进行连续激光的01伪随机M序列调制，并通过激光发射装置垂直或者以特定角度发射到大气及探测目标中。调制时利用电光调制器的开关门，当伪随机编码为1时，电光门打卡，连续激光光源的激光功率为正常工作时的功率；当伪随机编码为0时，电光门关闭，激光功率接近为零。开关门的激光上升沿时间由电光调制器的响应时间所决定，为减少该环节对反演结果的影响，上升沿时间应不大于伪随机编码中单个编码时间的1/20。
本发明实施例中，伪随机M序列满足如下公式：
Figure BDA0001778844650000041
其中，N为伪随机M序列的编码总长度；k为序列错位相乘时相隔的长度，取值范围为0～N-1；a、a′分别为伪随机M序列、伪随机M序列反码，其下标表示编码序号。
本领域技术人员可以理解，伪随机M序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，可以通过n级反馈移位寄存器产生，其在通信领域有着广泛的应用，故不再多做解释，以长度N＝127的伪随机M序列为例，其01编码和反码如表1所示。
Figure BDA0001778844650000051
表1伪随机M序列01编码和反码
上述长度N＝127的伪随机M序列调制后的激光光强随时间轴的变化大致如图3所示。
本发明实施例中，利用采集数据处理程序，将光子计数采集卡记录的采集信号对每一个编码时间(1km高度分辨率对应6.7μs)进行叠加，需要注意的是，由于激光传播到探测最大高度需要一定的时间，所以每次采集记录的第一个周期的回波信号是不完整的，需要剔除。
本发明实施例中，利用高度分辨反演公式，对含有与发射激光的编码一一对应的采集信号进行计算，从中得到不同高度激光回波信号的信息，实现距离分辨；距离分辨的反演公式如下：
Figure BDA0001778844650000052
Figure BDA0001778844650000061
其中，下标n取值范围为0～N-1，Si为第i个编码时间内接收的回波信号；Rn为距离分辨的反演结果；N为伪随机M序列的编码总长度；a、a′分别为伪随机M序列、伪随机M序列反码，其下标表示编码序号；T为编码总周期的时长，P为连续激光光源的发射功率，Gj为在高度为hj＝j·c·T/2N处对于功率为P的发射激光的回波信号，其中c为光速，BG为背景噪声；公式中当且仅当j＝n时，有ai-j·a′i-n＝(N-1)/2。
本发明实施例中对时序控制是通过数字延迟发生器，编码发生器，高频电源，光子计数器和采集卡，采集和处理计算机来共同完成，时序控制流程如图4所示，详细的时序图如图5所示。
数字延迟发生器为整个系统的总触发，时序控制从数字延迟发生器发生预设的参考频率以及序列周期时间产生的电压内触发信号开始，与此同时利用延迟消除由于传输和仪器响应时间产生的时间误差，保证编码发生器和采集卡在时间上每个序列编码都是一一对应完全同步的；
编码发生器接收到数字延迟发生器的触发信号后，根据可编程芯片内预先设定的伪随机M序列01编码和周期时间产生一定次数的序列周期循环的TTL电压信号，用于高频电源触发，实现声光晶体的时序控制。
与此同时，光子计数器与采集卡同步接收数字延迟发生器产生的触发电压信号，开始连续采集，直到预先设定的多个编码周期时长后结束，结束后将记录的光子脉冲从采集卡传输到采集和处理计算机中。
采集和处理计算机由数字延迟发生器预设的参考频率以及序列周期时间来对采集的回波信号进行反演实现高度分辨的公式计算。
每次采集完一个周期，可以利用光电二极管记录发射激光检查时序是否正常，同时利用采集信号和反演结果来判断时序是否正常，若发现任何一个环节出现问题则认为系统时序异常，暂停采集并报警。
另一方面，还基于本发明实施例的上述方案进行了连续波钠测温测风激光雷达数据采集和反演的模拟，该模拟中利用了脉冲式钠测温测风雷达的回波信号，通过模拟伪随机M序列的调制得到了调制后的连续波钠测温测风雷达的回波信号见图6，再利用伪随机M序列反码解码后得到含有高度分辨的反演结果(含有背景噪声和仪器误差等)见图7；图6与图7中相关参数设置如下：时间分辨率＝1800s；高度分辨率＝1km；CW能量＝20W；望远镜口径＝800mm PMCW_接收信号。
其中图6和图7，本领域技术人员可以理解，钠测温测风激光雷达需要用到三个频率的信号，其中ν＝589.158nm为钠荧光谱线双峰结构较高峰峰顶处波长，ν+＝ν+630MHz，ν-＝ν-630MHz为钠荧光双峰较高峰两侧。利用这三个不同频率发射光的回波信号可以利用多普勒增宽和多普勒频移反演出钠层处温度和风速等信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，其特征在于，包括：
利用电光调制器改变连续激光光强，实现连续激光光源发射的连续激光伪随机M序列编码，再通过采集和处理计算机对连续接收信号编码并用伪随机M序列反码解码，实现连续波钠测温测风雷达的距离分辨；
其中，所述连续波钠测温测风激光雷达包括：数字延迟发生器、编码发生器、高频电源、电光调制器、连续激光光源、激光发射装置、激光接收装置、光电转换装置、光子计数器和采集卡、以及采集和处理计算机；其中：
利用数字延迟发生器，根据采集和处理计算机的控制，使用内部触发功能输出触发信号，经过一定延迟后通过不同的通道传输到编码发生器以及光子计数器和采集卡中；所述编码发生器接收触发信号后，根据可编程芯片内预先设定的伪随机M序列01编码和周期时间产生一定次数周期重复循环的伪随机M序列TTL电压信号，用于高频电源的触发；高频电源根据TTL电压信号控制电光调制器中的晶体所加的电压，对连续激光光源的出射激光进行伪随机M序列的编码，得到光强调制的连续激光；光强调制的连续激光经过激光发射装置发射到大气及探测目标中；
大气及探测目标的近地面米散射、瑞利散射和高空探测目标钠荧光的回波信号被激光接收装置接收后导入光电转换装置；由光电转换装置将接收的光信号转换成光子计数器和采集卡能够识别的电压信号；由光子计数器和采集卡，计数每个距离门时间内电压脉冲信号累计计数，当接收到触发信号后开始连续采集，直到预先设定的多个编码周期时长后结束，结束后将记录的光子脉冲传输到采集和处理计算机中；由采集和处理计算机，将与伪随机M序列顺序对应的钠测温测风雷达钠荧光回波信号及伪随机M序列反码一一对应，利用反演公式进行计算，最终得到对应各个高度的回波信号信息，从而实现了信号的距离分辨。
2.根据权利要求1所述的一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，其特征在于，伪随机M序列满足如下公式：
Figure FDA0003814452780000011
其中，N为伪随机M序列的编码总长度；k为序列错位相乘时相隔的长度，取值范围为0～N-1；a、a′分别为伪随机M序列、伪随机M序列反码，其下标表示编码序号。
3.根据权利要求1所述的一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，其特征在于，
将预设的伪随机M序列的01编码的阶梯式电压信号记录到可编程芯片中，制作成编码发生器；当编码发生器接收到来自数字延迟发生器的触发信号后，产生多个重复01编码的阶梯状TTL电压信号传输到高频电源。
4.根据权利要求3所述的一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，其特征在于，
调制时利用电光调制器的开关门，当伪随机编码为1时，电光门打卡，连续激光光源的激光功率为正常工作时的功率；当伪随机编码为0时，电光门关闭，激光功率接近为零。
5.根据权利要求1所述的一种连续波钠测温测风激光雷达距离分辨实现方法，其特征在于，距离分辨的反演公式如下：
Figure FDA0003814452780000021
Figure FDA0003814452780000022
其中，下标n取值范围为0～N-1，N为伪随机M序列的编码总长度；Si为第i个编码时间内接收的回波信号；Rn为距离分辨的反演结果；N为伪随机M序列的编码总长度；a、a′分别为伪随机M序列、伪随机M序列反码，其下标表示编码序号；T为编码总周期的时长，P为连续激光光源的发射功率，Gj为在高度为hj＝j·c·T/2N处对于功率为P的发射激光的回波信号，c为光速，BG为背景噪声，当且仅当j＝n时，有ai-j·a′i-n＝(N-1)/2。
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