CN110261644B - 一种机载风速测量激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机载风速测量激光雷达系统，其包括窄线宽激光脉冲光源模块、雷达收发光学天线模块和信号接收处理模块；该窄线宽激光脉冲光源模块包括窄线宽种子光源、光纤预放大器、声光调制器、C波段助推半导体光放大器和光纤主放大器；该雷达收发光学天线模块连接窄线宽激光脉冲光源模块，其包括光纤环形器、光开关和光学天线；该信号接收处理模块分别连接窄线宽激光脉冲光源模块和雷达收发光学天线模块；该信号接收处理模块包括光纤可调衰减器、光纤合束器、平衡光电探测器、信号处理电路和嵌入式计算机。本发明结构设计合理，使用稳定可靠，能为机载大气数据计算机提供实时风速数据，提高飞机性能，保障飞行安全。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达探测技术领域，具体的说，是涉及一种机载风速测量激光雷达系统。
背景技术
飞行器在飞行过程中若遭遇强烈的气流，会对飞行安全造成很大的威胁，前向大气湍流和横向剪切风是造成飞行空难事故的主要原因之一。因此，在飞行器飞行过程中对大气的风场及气流变化的实时测量，是飞行过程中的重要任务要求。
安装于飞行器上测量风速的设备以测量距离可以分为定点测量和遥测两种方式。在定点测量风速的设备中，传统的机载风速测量设备为空速管，对于平流层低空气密度低动态的飞行环境，其动压引起的压强变化往往不能够精确测得。新型战机采用的嵌入式大气数据系统，虽然能够代替传统的空速管，但是对于高空低速飞行器，其压强传感器量程及精度还不能满足要求。热线式、热膜式风速仪主要通过检测曝露在流体中的热敏感的温度耗散和热能传递速率来推算风速，但这两种风速仪受单端输入信号饱和的限制，风速测量的量程不高、而且温度测量需要一定的响应时间。微压传感器虽然具有灵敏度高、重量轻、耐腐蚀等优点，但是材料本身存在温度漂移问题，连续工作时需要校正，而且测速精度不高。超声波测速仪基于相对运动的多普勒效应，测量超声波某方向的传播时间，可以得到顺风或者逆风的传播速度，精度较高，但是由于声波的发送及接收器件在大气中对风有阻挡作用，尤其是风与声波发送及接收处于同一方向时，易造成较大的误差，而且结构复杂，不易在浮空平台实现。定点风速测量设备还有共同的缺点是气流容易受到飞行器外形的影响发生变化，需要根据具体飞行器外形和设备安装位置进行校准。
风速遥测设备的典型代表是激光测风雷达，具有精度高、响应快、覆盖范围广、测量结果不受运载平台影响等优点。目前主要有美国、日本、法国等国家报道过使用机载激光雷达遥测飞行器风速的例子。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明提出一种结构设计合理，使用稳定可靠，能为机载大气数据计算机提供实时风速数据，提高飞机性能，保障飞行安全的机载风速测量激光雷达系统。
本发明的技术方案如下：
上述的机载风速测量激光雷达系统，其包括窄线宽激光脉冲光源模块、雷达收发光学天线模块和信号接收处理模块；所述窄线宽激光脉冲光源模块包括窄线宽种子光源、光纤预放大器、声光调制器、C波段助推半导体光放大器和光纤主放大器；所述窄线宽种子光源的输出端连接所述光纤预放大器的输入端；所述光纤预放大器的输出端连接所述声光调制器的输入端；所述声光调制器的输出端连接所述C波段助推半导体光放大器的输入端；所述C波段助推半导体光放大器的输出端连接所述光纤主放大器的输入端；所述雷达收发光学天线模块连接所述窄线宽激光脉冲光源模块，其包括光纤环形器、光开关和光学天线；所述光纤环形器的输入端连接所述光纤主放大器的输出端；所述光开关的输入端通过光纤连接所述光纤环形器其中一个输出端，所述光开关的输出端连接所述光学天线；所述信号接收处理模块分别连接所述窄线宽激光脉冲光源模块和雷达收发光学天线模块；所述信号接收处理模块包括光纤可调衰减器、光纤合束器、平衡光电探测器、信号处理电路和嵌入式计算机；所述光纤可调衰减器的输入端连接所述光纤预放大器的另一输出端；所述光纤合束器的输入端分别连接所述光纤环形器的另一输出端和所述光纤可调衰减器的输出端；所述平衡光电探测器的输入端连接所述光纤合束器的输出端；所述信号处理电路的输入端连接所述平衡光电探测器的输出端，所述信号处理电路的输出端连接至所述嵌入式计算机。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述窄线宽种子光源可采用1.5μm波段输出连续激光的单频窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中的任意一种；所述窄线宽种子光源的光谱线宽小于15kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW；
所述光纤预放大器采用单模保偏光纤放大器或双包层单模保偏光纤放大器，再或者采用由单模保偏光纤放大器和双包层单模保偏光纤放大器组合构成的多级光纤放大器。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述声光调制器的调制脉冲上升沿小于100ns，上移频80MHz；所述声光调制器将所述光纤预放大器输出的光束调制为全宽500ns的脉冲光，脉冲重复频率10kHz；
所述C波段助推半导体光放大器为带保偏光纤尾纤，其采用与输入脉冲光同步的电脉冲泵浦；所述光纤主放大器为双包层保偏光纤放大器。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述光开关可采用带保偏光纤尾纤的机械式光开关、mems光开关、磁光开关中的任意一种；所述光开关和光纤环形器之间的光纤连接采用熔接的方式；
所述光学天线为三个结构相同的光学天线且均采用单片非球面镜，所述非球面镜的通光口径为50mm，焦距为180mm；三个所述光学天线指向不同的方位，输出光束都聚焦到各自前方200米处，聚焦光斑的瑞利长度为30米；
所述信号处理电路只采集和处理所述光学天线聚焦光斑瑞利长度区域内气溶胶粒子的后向散射信号；所述信号处理电路的采样频率为400MHz，精度为14bit。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述光纤合束器的两个输入端均采用光纤法兰盘与所述光纤环形器另一输出端和所述光纤可调衰减器的输出端连接。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述平衡光电探测器采用型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器；所述型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器具有两个光输入接口和一个射频信号输出接口；所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的的两个光输入接口均为FC结构接口；所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的射频信号输出接口为SMA结构接口。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述光纤合束器的输出端采用FC/APC接头直接插入所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的FC结构接口中；在所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的FC结构接口内，光束从光纤中发出，照射到所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的感光面上，实现光探测；所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器将光电转换后的电信号通过SMA结构接口输出到所述信号处理电路上。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述信号处理电路的输入端通过同轴电缆连接所述的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的SMA结构接口，所述信号处理电路的输出端通过网线连接至所述嵌入式计算机。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述信号处理电路的信号采集处理流程如下：
(1)根据激光脉冲的重复频率为10KHz可知，进行信号采集的触发信号的频率同样为10KHz，两次触发之间的时间间隔为100μs；
(2)当接收到触发信号后，所述信号处理电路将模拟信号进行高速数字信号转换后采集，采样点数为200点；
(3)采样结束后，将采样数据补零至1024点后做傅立叶变换，求取功率谱并进行功率谱累加，直至累加至规定次数，否则继续等待触发信号，重复执行步骤(2)-(3)；
(4)累加完成之后继续进行后续处理，对前累加的功率谱数据采用极大似然估计算法得到相应的频率，计算对应的径向风速，径向风速数据输出至所述嵌入式计算机；
(5)切换发射所述光学天线，重复执行步骤(2)-(5)。
所述机载风速测量激光雷达系统，其中：所述补正(2)中采样点要去掉信号饱和的部分，即每次采集的数据是从收到触发信号后延迟一定时间并且以200米聚焦点处数据为中心的200点数据。
有益效果：
本发明机载风速测量激光雷达系统结构设计合理，使用半导体脉冲光放大器放大脉冲光，同时增加脉冲的调制深度，可以使系统中只使用一个声光调制器就能解决脉冲泄露的问题，减小激光器体积的同时还能降低成本；同时，发射脉冲激光，光束经光学天线聚焦到前方数百米处，形成瑞利长度区域，系统只接收和处理该区域激光束内的大气气溶胶后向散射信号；充分利用脉冲激光的高峰值功率优势，获得强回波信号，适合在高空气溶胶密度稀薄的环境中使用。
附图说明
图1为本发明机载风速测量激光雷达系统的结构原理图；
图2是本发明机载风速测量激光雷达系统的的光学天线分布指向模式图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明机载风速测量激光雷达系统，包括窄线宽激光脉冲光源模块1、雷达收发光学天线模块2和信号接收处理模块3。
该窄线宽激光脉冲光源模块1包括窄线宽种子光源11、光纤预放大器12、声光调制器13、C波段助推半导体光放大器14和光纤主放大器15。
该窄线宽种子光源11、光纤预放大器12、声光调制器13、C波段助推半导体光放大器14和光纤主放大器15彼此之间是通过各自自带的光纤FC/APC接头插入光纤法兰盘后锁紧的方式连接。
该窄线宽种子光源11的输出端连接光纤预放大器12的输入端；其中，该窄线宽种子光源11可采用1.5μm波段输出连续激光的单频窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器和固体激光器中的任意一种；该窄线宽种子光源11的光谱线宽小于15kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
该光纤预放大器12的输出端连接声光调制器13的输入端；其中，该光纤预放大器12采用单模保偏光纤放大器或双包层单模保偏光纤放大器，再或者采用由单模保偏光纤放大器和双包层单模保偏光纤放大器组合构成的多级光纤放大器。
该声光调制器13的输出端连接C波段助推半导体光放大器14的输入端；其中，该声光调制器13的调制脉冲上升沿小于100ns，上移频80MHz，其将光纤预放大器12输出的光束调制为全宽500ns的脉冲光，脉冲重复频率10kHz。
该C波段助推半导体光放大器14的输出端连接光纤主放大器15的输入端；其中，该C波段助推半导体光放大器14为带保偏光纤尾纤，采用与输入脉冲光同步的电脉冲泵浦。
该光纤主放大器15为双包层保偏光纤放大器。
其中，该光纤预放大器12接收窄线宽种子光源11输出的线偏振连续激光，该光纤预放大器12将光束处理后传输给声光调制器13，由声光调制器13将光纤预放大器12输出的光束调制为脉冲光，该声光调制器13将调制后的脉冲光传输给C波段助推半导体光放大器14，由C波段助推半导体光放大器14进一步放大和调制光脉冲，该C波段助推半导体光放大器14将进一步放大和调制的光脉冲传输给光纤主放大器15，由光纤主放大器15进行脉冲光功率放大输出。
该雷达收发光学天线模块2连接该窄线宽激光脉冲光源模块1，其包括光纤环形器21、光开关22和光学天线23。
该光纤环形器21的输入端连接光纤主放大器15的输出端；其中，该光纤环形器21的输入端光纤与该光纤主放大器15的输出端光纤是采用光纤熔接机熔接在一起。
该光开关22具有一个输入端和多个输出端，该光开关22的输入端通过光纤连接光纤环形器21其中一个输出端，该光开关22的输出端连接三个光学天线23；其中，该光开关22可以为带保偏光纤尾纤的机械式光开关、mems光开关和磁光开关中的任意一种；该光开关22能够通过电信号控制将输入光束切换到任意一路输出，激光雷达工作时，依次切换光束从光开关22的每个输出端通过对应的光学天线23发射出去，然后循环往复；同时，该光开关22和光纤环形器21之间的光纤连接采用熔接的方式，避免采用连接器时光纤端面的反射光干扰本振光。
该三个光学天线23结构相同，都采用单片非球面镜，非球面镜通光口径50mm、焦距180mm；其中，三个光学天线23指向不同的方位，输出光束都聚焦到各自前方200米处，聚焦光斑的瑞利长度为30米。
该信号接收处理模块3分别连接窄线宽激光脉冲光源模块1和雷达收发光学天线模块2，该信号接收处理模块3包括光纤可调衰减器31、光纤合束器32、平衡光电探测器33、信号处理电路34和嵌入式计算机35。
该光纤可调衰减器31用于调节光纤预放大器12的输出本振光功率，其输入端连接该窄线宽激光脉冲光源模块1的光纤预放大器12另一输出端。
该光纤合束器32采用2×2光纤合束器，其两个输入端分别连接该雷达收发光学天线模块2的光纤环形器21另一输出端和光纤可调衰减器31的输出端；该光纤合束器32的两个输入端均采用光纤法兰盘与光纤环形器21另一输出端和光纤可调衰减器31的输出端连接。
该平衡光电探测器33的输入端连接该光纤合束器32的两个输出端。其中，该平衡光电探测器33可以采用美国Thorlabs生产的型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器；该型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器有两个光输入接口和一个射频信号输出接口；该型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的两个光输入接口均为FC结构接口；该型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的射频信号输出接口为SMA结构接口。该光纤合束器32的输出端采用FC/APC接头可以直接插入型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的FC结构接口中；在型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的FC结构接口内，光束从光纤中发出，照射到型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的感光面上，实现光探测。该型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器将光电转换后的电信号通过SMA结构接口输出到信号处理电路34上。
该信号处理电路34的输入端(采用SMA结构接口)通过同轴电缆与平衡光电探测器33输出端(即型号为PDB460C-AC的平衡光电探测器的SMA结构接口)连接，该信号处理电路34的输出端通过网线连接至嵌入式计算机35；其中，该信号处理电路34采集和处理三个光学天线23聚焦光斑瑞利长度区域内气溶胶粒子的后向散射信号；该信号处理电路34的采样频率为400MHz，精度14bit，采用FPGA(现场可编程门阵列)编程处理信号。
其中，对于每一个光学天线23接收的回波信号，根据脉冲宽度500ns可确定信号处理电路34单次信号采样时间为500ns，根据采样频率为400MHz，可确定单次采样点数为200点；将每次采样的200点数据补零至1024点，加窗函数，进行快速傅立叶变换，然后计算功率谱，进行FFT变换之后的频谱分辨率小于0.4MHz，对应的速度精度小于0.3m/s；由于通过功率谱累加算法可以提高测速精度，对单个光学天线23测量的信号功率谱进行5000次累加，最后实现的速度精度小于0.1m/s。
该信号处理电路34的信号采集处理流程如下：
(1)根据激光脉冲的重复频率为10KHz(或者5kHz、8kHz等)可知，进行信号采集的触发信号的频率同样为10KHz，两次触发之间的时间间隔为100μs；
(2)当接收到触发信号后，信号处理电路34将模拟信号进行高速数字信号转换后采集，采样点数为200点；
(3)采样结束后，将采样数据补零至1024点后做傅立叶变换；求取功率谱，并进行功率谱累加，若累加次数达到规定的5000次数则继续进行下一步处理，否则继续等待触发信号，重复执行步骤(2)-(3)；
(4)累加完成之后继续进行后续处理，对前累加的功率谱数据采用极大似然估计算法得到相应的频率，计算对应的径向风速，径向风速数据输出至嵌入式计算机35；
(5)切换发射光学天线23，重复执行步骤(2)-(5)。
其中，由于光纤头端面反射以及光学天线23镜片的反射，光信号将导致平衡光电探测器33饱和，因此用于计算的采样点要去掉信号饱和的部分，所以每次采集的数据是从收到触发信号后延迟一定时间并且以200米聚焦点处数据为中心的200点数据。
如图2所示，以飞行器机头方向为+X轴方向，飞行器机腹指向为+Z轴方向，建立右手坐标系；三个光学天线23沿圆周间隔120°均布，与+X轴方向夹角都为15°，指向不同的方位。
在如图2所示的光学天线排布情况下，嵌入式计算机35分别接收到信号处理电路34发送的三个光学天线23指向方向的径向风速，分别求解各径向风速在机体坐标轴上的风速分量，在各坐标轴上进行标量求和，即得到飞机机体坐标X、Y、Z轴方向上各自的风速分量。
本发明的工作原理如下：
窄线宽种子光源11输出的小功率激光通过光纤预放大器12放大，光纤预放大器12分为两路输出，一路输出小部分功率的光作为本振信号，另外一路输出大部分功率的光被声光调制器13调制为脉冲光，同时产生数十兆赫兹的移频，脉冲光通过C波段助推半导体光放大器14放大，同时增加脉冲调制深度，最后激光通过光纤主放大器15进行功率放大后输出；输出光束从光纤环形器21一输入端口入射，经二输出端口出射，然后通过光开关22切换光束方向后经三个不同指向的光学天线23发射出去；每个光学天线23向前方射出一道聚焦测量光束，各个光学天线23将发射的光束聚焦相同距离该距离为数百米；由大气中的气溶胶在光束聚焦的瑞利长度区内散射激光产生多普勒频移的回波信号沿发射光路返回，回波信号从光纤环形器21的输出；回波信号与本振光通过2×2光纤合束器32合束后入射到平衡光电探测器33上，产生外差信号，送入信号处理电路34提取多普勒频率，得到各光束径向速度信息；分别测量各光束的径向速度后，在嵌入式计算机35中通过风场反演算法计算得到风场信息。
本发明结构设计合理，使用稳定可靠，能为机载大气数据计算机提供实时风速数据，提高飞机性能，保障飞行安全。
以上技术方案利用脉冲光定焦测量空中气溶胶后向散射信号，通过多光学天线的不同指向测量各方位的径向风速，风场反演后可以实现一种机载风速测量雷达，可适用于飞行器的真空速测量等应用领域。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，如增加光学天线数量、改变光学天线通光口径、聚焦不同距离等改动，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述雷达系统包括窄线宽激光脉冲光源模块、雷达收发光学天线模块和信号接收处理模块；
所述窄线宽激光脉冲光源模块包括窄线宽种子光源、光纤预放大器、声光调制器、C波段助推半导体光放大器和光纤主放大器；所述窄线宽种子光源的输出端连接所述光纤预放大器的输入端；所述光纤预放大器的输出端连接所述声光调制器的输入端；所述声光调制器的输出端连接所述C波段助推半导体光放大器的输入端；所述C波段助推半导体光放大器的输出端连接所述光纤主放大器的输入端；所述C波段助推半导体光放大器采用与输入脉冲光同步的电脉冲泵浦；
所述雷达收发光学天线模块连接所述窄线宽激光脉冲光源模块，其包括光纤环形器、光开关和光学天线；所述光纤环形器的输入端连接所述光纤主放大器的输出端；所述光开关的输入端通过光纤连接所述光纤环形器其中一个输出端，所述光开关的输出端连接所述光学天线；
所述信号接收处理模块分别连接所述窄线宽激光脉冲光源模块和雷达收发光学天线模块；所述信号接收处理模块包括光纤可调衰减器、光纤合束器、平衡光电探测器、信号处理电路和嵌入式计算机；所述光纤可调衰减器的输入端连接所述光纤预放大器的另一输出端；所述光纤合束器的输入端分别连接所述光纤环形器的另一输出端和所述光纤可调衰减器的输出端；所述平衡光电探测器的输入端连接所述光纤合束器的输出端；所述信号处理电路的输入端连接所述平衡光电探测器的输出端，所述信号处理电路的输出端连接至所述嵌入式计算机；
所述声光调制器的调制脉冲上升沿小于100ns，上移频80MHz；所述声光调制器将所述光纤预放大器输出的光束调制为全宽500ns的脉冲光，脉冲重复频率10kHz；
所述信号处理电路只采集和处理所述光学天线聚焦光斑瑞利长度区域内气溶胶粒子的后向散射信号；所述信号处理电路的采样频率为400MHz，精度为14bit。
2.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述窄线宽种子光源可采用1.5μm波段输出连续激光的单频窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中的任意一种；所述窄线宽种子光源的光谱线宽小于15kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
3.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述光纤预放大器采用单模保偏光纤放大器或双包层单模保偏光纤放大器，再或者采用由单模保偏光纤放大器和双包层单模保偏光纤放大器组合构成的多级光纤放大器。
4.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述C波段助推半导体光放大器为带保偏光纤尾纤；所述光纤主放大器为双包层保偏光纤放大器。
5.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述光开关可采用带保偏光纤尾纤的机械式光开关、mems光开关、磁光开关中的任意一种；所述光开关和光纤环形器之间的光纤连接采用熔接的方式。
6.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述光学天线为三个结构相同的光学天线且均采用单片非球面镜，所述非球面镜的通光口径为50mm，焦距为180mm；三个所述光学天线指向不同的方位，输出光束都聚焦到各自前方200米处，聚焦光斑的瑞利长度为30米。
7.如权利要求1所述的机载风速测量激光雷达系统，其特征在于：所述信号处理电路的信号采集处理流程如下：
(1)根据激光脉冲的重复频率为10KHz可知，进行信号采集的触发信号的频率同样为10KHz，两次触发之间的时间间隔为100μs；
(2)当接收到触发信号后，所述信号处理电路将模拟信号进行高速数字信号转换后采集，采样点数为200点；所述采样点要去掉信号饱和的部分，即每次采集的数据是从收到触发信号后延迟一定时间并且以200米聚焦点处数据为中心的200点数据；
(3)采样结束后，将采样数据补零至1024点后做傅立叶变换，求取功率谱并进行功率谱累加，直至累加至规定次数，否则继续等待触发信号，重复执行步骤(2)-(3)；
(4)累加完成之后继续进行后续处理，对前累加的功率谱数据采用极大似然估计算法得到相应的频率，计算对应的径向风速，径向风速数据输出至所述嵌入式计算机；
(5)切换发射所述光学天线，重复执行步骤(2)-(5)。
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