CN109541636B - 一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统，激光器通过第一耦合器连接电光相位调制器和声光移频器；电光相位调制器、光纤放大器、环形器、望远镜依次连接；望远镜通过环形器连接第二耦合器；声光移频器、第二耦合器、平衡探测器、放大器、双通道AD采集卡、计算机依次连接；正弦信号发生器连接声光移频器；任意波形发生器连接双通道AD采集卡和电光相位调制器；外部触发器连接任意波形发生器和双通道AD采集卡。本发明还提供了无盲区高距离分辨率激光雷达测风方法。本发明联合利用伪随机码相位调制技术和外差探测技术，系统工作在宽脉冲宽度、低峰值功率下，通过去除端面信号影响算法，可无盲区、高距离分辨率获取剖面风速信息。

Description

一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种无盲区、高距离分辨率测风激光雷达系统及方法。
背景技术
激光测风雷达是新型的大气遥感设备，也是唯一能实现三维大气风场遥感观测的有效工具，其工作原理是利用激光收发系统对空气中的粒子散射回波信息进行采集，再通过分析计算这些测量数据，直接得到高分辨率、高精度的实时三维风场数据。
目前的激光测风雷达由于端面反射信号过大，从而淹没了近场风速信息，因此存在风速测量盲区。另外，为得到较好的距离分辨率，目前的激光测风系统的脉冲宽度均较短，因此需要较高的峰值功率。这对系统实现提出了较高的要求，大大增加了系统的功耗，系统的成本增大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何实现无盲区风速测量，同时减小系统所需的峰值功率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统，其特征在于：包括激光器，激光器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器输出端连接电光相位调制器输入端和声光移频器输入端；
电光相位调制器输出端与光纤放大器输入端连接，光纤放大器输出端连接环形器第一输入端，环形器输出端连接望远镜输入端和第二耦合器第一输入端；望远镜输出端连接环形器第二输入端；
声光移频器输出端连接第二耦合器第二输入端，第二耦合器输出端连接平衡探测器输入端，平衡探测器输出端连接放大器输入端，放大器输出端连接双通道AD采集卡输入端，双通道AD采集卡输出端连接具有信号采集、处理、控制、计算和显示功能的计算机；
正弦信号发生器输出端连接声光移频器输入端，用于提供驱动信号；任意波形发生器输出端连接双通道AD采集卡输入端和电光相位调制器输入端，用于提供伪随机码信号；外部触发器输出端连接任意波形发生器输入端和双通道AD采集卡输入端，用于保证任意波形发生器和双通道AD采集卡的时间同步。
优选地，所述激光器为1550nm单纵模光纤激光器。
优选地，所述电光相位调制器为铌酸锂电光相位调制器。
优选地，所述第一耦合器为1：99的光耦合器，其中1％的光进入声光移频器，用作本振光；99％的光进入电光相位调制器，最终通过望远镜发射。
优选地，所述望远镜是发射和接收共光轴的望远镜系统。
本发明还提供了一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风方法，其特征在于：采用上述的无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统，包括如下步骤：
步骤1：激光器输出的激光经过第一耦合器后被分为两部分：大部分激光依次经过电光相位调制器、光纤放大器、环形器，最后由望远镜发射；小部分激光经过声光移频器移频后作为本振信号光；
步骤2：望远镜接收目标回波信号光，并将所述目标回波信号光通过环形器送入第二耦合器，所述本振信号光也送入第二耦合器，第二耦合器输出的相干光依次通过平衡探测器、放大器后，由双通道AD采集卡收集，同时双通道AD采集卡还采集电光相位调制器的驱动信号并对其做不同的时间延迟；双通道AD采集卡的输出信号进入计算机，在计算机中，经放大器输出的相干信号首先与零延迟的电光相位调制器的驱动信号相乘并经过快速傅里叶变换，得到信号频谱峰值faom，此峰值信号由端面反射信号贡献，信号处理中将faom及其±5％范围内的附近频域强制置零，然后进行傅里叶逆变换，得到去除端面影响的相干信号，此相干信号依次与不同延迟的电光相位调制器的驱动信号相乘并经过快速傅里叶变换，得到不同延迟下的信号频谱；
步骤3：重复探测中，每次探测均使用不同的伪随机码进行调制，将每次过程中与同一延迟的电光调制器的驱动信号相乘得到的傅里叶变换结果在计算机中进行叠加；叠加后，傅里叶变换峰值最大处所对应的延迟时间t＝nT0，其中，T0为电光相位调制器的驱动信号码元宽度，n为依次进行延迟的次数；此时，测风点距离L可表为：L＝cnT0/2，其中c为光速；傅里叶变换峰值对应的频率为f′m，则此时可以得到f′m与声光移频器的频移量fm的频率差fd＝f′m-fm，频率差fd即为多普勒频移，剖面风速v与多普勒频移fd之间的对应关系为λ为激光器的输出波长；计算机综合上述计算的结果，得到在距离为L＝cnT0/2的测风点处，在出射激光方向的风速度：/>若v>0，说明风方向与探测出射激光方向相反；若v<0，说明风方向与探测出射激光方向相同。
本发明提供的系统通过特定的信号处理方法可将端面反射信号去除，所以实现无盲区风速测量；另外该系统工作在宽脉冲宽度及其低峰值功率状态下，大大减小了系统所需的峰值功率；又因为在宽脉冲宽度中采用了伪随机码调制技术，所以保证了很好的距离分辨率；重复探测过程中均采用不同的伪随机码调制，从而保证所测信号的一直性以及噪声的随机性。该套系统能同时提高距离分辨率以实现高距离分辨率的风速信息测量。
相比现有技术，本发明提供的无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统具有如下有益效果：
1、系统采用光纤激光器作为光源，光路中使用成熟的光纤器件提高电光效率并通过光纤将光路接通简化连接操作，这些特点使得系统的功耗变小，质量更轻，稳定性得到加强。
2、调制技术采用了高速伪随机码调制技术，使得系统即使工作在宽脉冲状态下也能有较好的距离分辨率。该系统的调制速率可达到10MHz，即伪随机码码元长度为100ns，在此条件下系统的距离分辨率可达到15m。
3、系统采用了外差探测技术。采用相干探测，有效地放大了回波信号的功率，使得系统相干探测这一部分可以工作在量子噪声限，比直接探测获得更高信噪比；并且可分辨风速方向。
4、电光相位调制器驱动信号与双通道AD采集卡处理数据在时间上相关联，距离探测和风速探测同时实现，并非分立的光路，故而本发明可以同时高距离分辨率地获取剖面风速信息。
5、去除了回波端面信号影响，可测近处风速，测风无盲区。
6、重复探测多次采用不同伪随机码调制，叠加测量，保证信号具有一致性，噪声具有随机性，提高了测量的准确性。
附图说明
图1为本实施例提供的无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统整体结构框图；
附图标记说明：1—激光器、2—第一耦合器、3—电光相位调制器、4—光纤放大器、5—环形器、6—望远镜、7—正弦信号发生器、8—声光移频器、9—第二耦合器、10—平衡探测器、11—放大器、12—双通道AD采集卡、13—计算机、14—外部触发器、15—任意波形发生器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明的基本原理是将激光经过耦合器分光为两部分，绝大部分激光通过电光相位调制器进行伪随机码相位调制，调制后的激光经光纤放大器后作为出射激光，由望远镜发射出去，一小部分经过声光移频器移频作为本征光用于相干探测；回波激光和本征光进入耦合器相干，相干光通过光电平衡探测器转换为电信号，并由双通道AD采集卡收集转化为数字信号，双通道AD采集卡的另一通道采集电光相位调制器的驱动信号并依次做不同的时间延迟。相干信号首先与零延迟的电光相位调制器驱动信号相乘，并作傅里叶变换，经过对端面峰值部分乘以极小值处理，去除频谱中的端面信号频率，并作傅里叶逆变换，得到去除端面的信息的相干信号。去端面的相干信号依次和不同时间延迟的电光相位调制器驱动信号相乘并做傅里叶变换，得到不同时间延迟下频率与信号归一化强度。多次使用等长而不同的伪随机码，驱动所述的电光相位调制器进行上述过程，将相同延迟下驱动信号得到的傅里叶变换频谱叠加。傅里叶变换叠加结果的峰值最大处所对应的时间延迟反映出测风点距离信息，而傅里叶变换峰值频率与声光移频器频率的频率差即为多普勒频移，并且利用采样频率大于激光调制频率，从而得到高距离分辨率的目标距离和风速信息。
图1为本实施例提供的无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统整体结构框图，所述的无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统由激光器1、电光相位调制器3、光纤放大器4、声光移频器8、任意波形发生器15、正弦信号发生器7、第一耦合器2、第二耦合器9、环形器5、望远镜6、平衡探测器10、放大器11、双通道AD采集卡12，以及一台具有信号处理、控制、计算、采集、显示功能的计算机13等组成。
激光器1的输出光束通过第一耦合器2后被分为两部分：其中大部分激光通过电光相位调制器3后，经光纤放大器4放大，然后进入环形器5的第一输入端口，最终由望远镜6发射出去；剩余的小部分激光经过声光移频器8移频，作为本征信号光用于相干探测。
第二耦合器9的两个输入端口分别连接环形器5的第二输入端口(用于收回波信号)和声光移频器8的输出端。该第二耦合器9的输出端口连接平衡探测器10的输入端口，平衡探测器10的输出端口连接放大器11，此时相干光信号经过放大器11，由双通道AD采集卡12采集；同时双通道AD采集卡12的另一个输入端口连接任意波形发生器15，接收电光相位调制器3的驱动信号。该双通道AD采集卡12的输出信号进入到计算机13中，在计算机13中相干信号首先和零延迟的电光相位调制器3驱动信号相乘并做傅里叶变换，通过乘以一个极小数的方法抹除端面回波信号的频谱，并作傅里叶逆变换，得到去除端面的相干信号。此相干信号和不同延迟的电光相位调制器驱动信号相乘并做傅里叶变换。
多次在电光相位调制器3中使用等长度不同内容的伪随机码信号进行上述过程，在计算机13中，将每次过程中相同延迟的电光调制器驱动信号相乘得到的傅里叶变换结果进行叠加。叠加后的傅里叶变换峰值最大处对应的延迟量代表距离信息。傅里叶变换峰值频率与声光移频器的频率差即为多普勒频移，通过数学计算得出对应的速度信息。
本实施例采用的具体器件为：所述激光器1为1550nm单纵模光纤激光器；所述电光相位调制器3为铌酸锂高速电光相位调制器；所述任意波形发生器15拥有两个输出通道，分别为电光相位调制器3提供驱动信号和双通道AD采集卡12提供伪随机码信号；所述第一耦合器2为1：99的光耦合器。其中1％的光经声光移频器8移频用作本振信号光；99％的光经过电光相位调制器3按照伪随机码信号进行相位调制并通过望远镜6将激光出射；所述望远镜6是发射和接收共光轴的望远镜系统。
本发明实施例高距离分辨率测风速激光雷达系统测风速的具体过程是：
①激光器1输出激光通过第一耦合器2被一分为二：99％的激光经电光相位调制器3、光纤放大器4，该放大器的输出端经所述的环形器5的第一端口进入所述的环形器5并经该环形器5的第二端口由所述的望远镜6发射出去；1％的激光经过所述的声光移频器7移频后作为本振信号光；
②所述的望远镜6接收目标回波信号光，由所述的环形器5的第二输入端口进入环形器5并输出进入第二耦合器9，第二耦合器9的第二输入端口连接声光移频器8的输出端口，接收本征信号光；第二耦合器9的输出信号进入平衡探测器10，所述平衡探测器10所得的相干信号输出经放大器11放大后接入双通道AD采集卡12，该双通道AD采集卡12的另一个通道通过连接任意波形发生器15采集电光相位调制器驱动信号，所述双通道AD采集卡12输出信号进入计算机13；在计算机13中相干信号首先和零延迟的电光相位调制器驱动信号相乘并做傅里叶变换，通过乘以一个极小数的方法抹除端面回波信号的频谱，并作傅里叶逆变换，得到去除端面的相干信号。此相干信号和不同延迟的电光相位调制器驱动信号相乘并做傅里叶变换。
③重复探测，每次探测均使用不同的伪随机码进行调制，将每次过程中相同延迟的电光调制器驱动信号相乘得到的傅里叶变换结果在计算机13中进行叠加。傅里叶变换峰值最大处所对应的时间延迟t与目标所处距离L的对应关系为其中c为光速；傅里叶变换峰值频率与声光移频器移频量相比较出现了一定的频率漂移，其频率差值为fd＝f′m-fm，f′m为傅里叶变换峰值频率，fm为声光移频器移频量，fd多普勒频移，多普勒频移和剖面风速v之间的对应关系为/>λ为激光器的输出波长；所述的计算机综合上述计算的结果，得到测风点风速/>若v>0，说明风方向与探测出射激光方向相反；若v<0，说明风方向与探测出射激光方向相同。
本发明提供的系统联合利用伪随机码相位调制技术和外差探测技术，系统工作在宽脉冲宽度、低峰值功率下，通过特定的去除端面信号影响算法，可以无盲区、高距离分辨率获取剖面风速信息。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种无盲区高距离分辨率激光雷达测风方法，其特征在于：搭建无盲区高距离分辨率激光雷达测风系统，包括激光器(1)，激光器(1)输出端连接第一耦合器(2)输入端，第一耦合器(2)输出端连接电光相位调制器(3)输入端和声光移频器(8)输入端；
电光相位调制器(3)输出端与光纤放大器(4)输入端连接，光纤放大器(4)输出端连接环形器(5)第一输入端，环形器(5)输出端连接望远镜(6)输入端和第二耦合器(9)第一输入端；望远镜(6)输出端连接环形器(5)第二输入端；
声光移频器(8)输出端连接第二耦合器(9)第二输入端，第二耦合器(9)输出端连接平衡探测器(10)输入端，平衡探测器(10)输出端连接放大器(11)输入端，放大器(11)输出端连接双通道AD采集卡(12)输入端，双通道AD采集卡(12)输出端连接具有信号采集、处理、控制、计算和显示功能的计算机(13)；
正弦信号发生器(7)输出端连接声光移频器(8)输入端，用于提供驱动信号；任意波形发生器(15)输出端连接双通道AD采集卡(12)输入端和电光相位调制器(3)输入端，用于提供伪随机码信号；外部触发器(14)输出端连接任意波形发生器(15)输入端和双通道AD采集卡(12)输入端，用于保证任意波形发生器(15)和双通道AD采集卡(12)的时间同步；
所述激光器(1)为1550nm单纵模光纤激光器；
所述电光相位调制器(3)为铌酸锂电光相位调制器；
所述第一耦合器(2)为1：99的光耦合器，其中1％的光进入声光移频器(8)，用作本振光；99％的光进入电光相位调制器(3)，最终通过望远镜(6)发射；
所述望远镜(6)是发射和接收共光轴的望远镜系统；
方法包括如下步骤：
步骤1：激光器(1)输出的激光经过第一耦合器(2)后被分为两部分：大部分激光依次经过电光相位调制器(3)、光纤放大器(4)、环形器(5)，最后由望远镜(6)发射；小部分激光经过声光移频器(8)移频后作为本振信号光；
步骤2：望远镜(6)接收目标回波信号光，并将所述目标回波信号光通过环形器(5)送入第二耦合器(9)，所述本振信号光也送入第二耦合器(9)，第二耦合器(9)输出的相干光依次通过平衡探测器(10)、放大器(11)后，由双通道AD采集卡(12)收集，同时双通道AD采集卡(12)还采集电光相位调制器(3)的驱动信号并对其做不同的时间延迟；双通道AD采集卡(12)的输出信号进入计算机(13)，在计算机(13)中，经放大器(11)输出的相干信号首先与零延迟的电光相位调制器(3)的驱动信号相乘并经过快速傅里叶变换，得到信号频谱峰值faom，此峰值信号由端面反射信号贡献，信号处理中将faom及其±5％范围内的附近频域强制置零，然后进行傅里叶逆变换，得到去除端面影响的相干信号，此相干信号依次与不同延迟的电光相位调制器(3)的驱动信号相乘并经过快速傅里叶变换，得到不同延迟下的信号频谱；
步骤3：重复探测中，每次探测均使用不同的伪随机码进行调制，将每次过程中与同一延迟的电光调制器(3)的驱动信号相乘得到的傅里叶变换结果在计算机(13)中进行叠加；叠加后，傅里叶变换峰值最大处所对应的延迟时间t＝nT0，其中，T0为电光相位调制器(3)的驱动信号码元宽度，n为依次进行延迟的次数；此时，测风点距离L可表为：L＝cnT0/2，其中c为光速；傅里叶变换峰值对应的频率为f′m，则此时可以得到f′m与声光移频器(8)的频移量fm的频率差fd＝f′m-fm，频率差fd即为多普勒频移，剖面风速v与多普勒频移fd之间的对应关系为λ为激光器的输出波长；计算机(13)综合上述计算的结果，得到在距离为L＝cnT0/2的测风点处，在出射激光方向的风速度：/>若v>0，说明风方向与探测出射激光方向相反；若v<0，说明风方向与探测出射激光方向相同。
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