CN110927702B - 激光测风雷达流场环境测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种激光测风雷达流场环境测试系统，旨在提供一种通过激光调制模拟产生激光测风雷达在流场环境中与大气粒子相互作用后的散射信号光的系统，本发明通过下述技术方案予以实现：光学系统依次连接环形器以及调制模块，调制模块与控制器和检测模块相连接，控制器与上位机和检测模块互连。光学系统接收激光测风雷达的出射激光并耦合进入光纤，出射激光通过光纤传输进入环形器，环形器通过光纤定向引导出射激光进入调制模块，控制模块结合检测模块和上位机的状态控制调制模块从延迟、偏振、频移和衰减等不同方面对出射激光进行有序调制，产生信号光，信号光通过环形器进入光学系统，光学系统将信号光发射进入激光测风雷达。

Description

激光测风雷达流场环境测试系统

技术领域

本发明涉及一种用于激光测风雷达流场环境模拟的测试系统，尤其是针对基于相干探测体制的激光多普勒测风雷达的测试系统。

背景技术

激光测风雷达是一种以激光作为载波进行风场测量的设备，在航空、风电、气象等领域均有重要应用。相比传统的气动式、超声波式、涡轮式和热线风速仪等手段，激光测风雷达具有遥感定点测量、精度高、测速范围大、实时性好等显著优势。激光测风雷达的类型可根据出射激光的特征(连续光/脉冲光、聚焦光/平行光)进行细分，其中应用最广泛的是基于相干探测体制的激光多普勒测风雷达。应用于不同场景的激光测风雷达类型不同，但都以激光多普勒效应和气溶胶粒子米散射效应为基本原理。激光测风雷达通过一个或多个天线出射激光，激光在大气中与气溶胶粒子发生米散射作用，散射光由于多普勒效应会产生正比于风速的多普勒频移，散射光被天线接收后通过相干混频方式解调出多普勒频移量，并计算出风速。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。在这个基础上，激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统，它在保证发射、接收视场重叠的前提下，控制激光束投射到指定的方向，使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。

激光测风雷达的本质是通过探测气溶胶粒子的运动来实现风速测量。多普勒测风激光雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。相干测风激光雷达作为相干多普勒激光雷达，通过测量发射的激光信号和回波信号之间的差频实现风场的测定，工作在人眼不可见的红外波段，可实现地面至低空3000米大气风场的无盲区探测，具有很高的时间分辨率、空间分辨率和精确度，可填补风廓线雷达低空探测能力的不足。非相干多普勒激光雷达，主要用于大气边界层和低空对流层大气环境及气象参数的探测，系统采用气溶胶散射灵敏型探测波段，并兼顾大气分子散射效率，能够测量大气风廓线、三维风场、云底高度、气溶胶浓度三维分布、气溶胶消光系数、能见度及温度廓线等。

现有测风雷达的测试方法主要包括：风洞试验、车载试验、机载挂飞试验以及自然风场试验。风洞只能用于测试出射激光为聚焦激光且探测距离较短的激光测风雷达，且对风洞流场品质及试验段长度要求较高，目前只有固定式的大中型风洞才能满足测试要求，此类风洞的建设及运行成本高昂。对于出射激光为平行光或出射激光为聚焦光束但焦点较远或瑞利长度较长的激光测风雷达，一般风洞无法满足测试需求。车载试验是通过车载平台搭载激光测风雷达和对比测风设备进行试验，自然风场试验完全依靠自然风进行试验，是地基激光测风雷达的主要试验方式，但严重依赖自然流场环境，车载试验和自然风场试验都不能形成准确规范的测试流程。机载挂飞试验主要针对航空应用的激光测风雷达(即光学大气数据系统)，机载试飞可有效测试光学大气数据系统在真实应用环境下的综合性能，但试验成本极高。而且对于探测距离较远或出射激光的瑞利长度较长的激光测风雷达，现有流场测试方法需要在一个较大的空间内才能完成测试。

针对不同类型激光测风雷达和不同的应用场景，需要的流场测试环境不同，一般需要对气压高度(气溶胶粒子浓度不同)、流速、流场品质及其它因素进行调节，调节流场环境的方法往往需要非常复杂的外部手段，尤其是针对复杂应用场景或极端条件的模拟测试，采用流场环境测试则更为困难。因此希望测试系统在满足需求基础上，具有简捷、低成本、重复性好等特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有测风雷达测试手段的不足之处，提供一种基于全光纤架构，通过激光调制产生信号光对激光测风雷达进行测试的系统，该测试系统具有简捷、低成本、适用范围广、测试能力强、定量调节等优点。

本发明的上述目的可通过以下措施达到。一种激光测风雷达流场环境测试系统，包括：光学系统依次连接环形器以及调制模块，调制模块与控制器和检测模块相连接，控制器与上位机和检测模块互连。其特征在于：光学系统构成激光测风雷达和测试系统之间激光发射与接收的通道，接收激光测风雷达的出射激光并耦合进入光纤，出射激光通过光纤传输进入环形器，环形器通过光纤定向引导出射激光进入调制模块，控制模块结合检测模块的检测结果以及上位机的控制指令，对调制模块进行控制，实现调制模块从延迟、偏振、频移和衰减等不同方面对出射激光进行有序调制，产生信号光，信号光反馈到环形器，环形器通过光纤定向引导信号光进入光学系统，光学系统将信号光发射进入激光测风雷达，激光测风雷达可利用该流场环境模拟信号光对雷达的探测性能进行室内测试。

本发明相比于现有的激光测风雷达测试方法具有如下有益效果：

1、本发明采用光学系统接收激光测风雷达出射激光，并通过环形器传输到调制模块调制产生测试信号，相比依靠一定流场环境进行测试的现有方法，其最本质的优点在于用简单的激光调节代替复杂的流场环境调节，具有成本低、操作简便、便于小型化、测试能力强等优点。

2、本发明采用光学系统构成激光测风雷达和测试系统之间激光发射与接收的通道。通过环形器定向引导出射激光和信号光在光路中的传输，实现激光的并行发射与接收。利用具有可拓展性和开放性的调制模块调制出射激光产生测试信号光，能连续获取大气边界层范围内的风场等参数，十分便于根据测试需求增减调制模块的子模块，更容易实现针对复杂应用场景或极端条件下的测试，可以克服现有流场环境测试方法难于实现复杂应用场景或极端条件下的测试的缺陷。相比于开放式流场测试方法，例如车载、机载试飞、自然风场等测试方法，具有准确度高、重复性好、稳定可靠的优点，可形成不依赖外部环境的标准测试流程。

3、本发明采用上位机作为人机接口提供参数显示和指令控制，检测模块检测调制模块光路节点的参数，控制模块接收检测模块的测量结果和上位机发出的控制指令，对调制模块进行准确有序控制，产生用于激光测风雷达测试的信号光。相比于封闭式流场测试方法，例如风洞测试，具有适用范围更广、测试能力更强的优点。

4、本发明采用环形器通过光纤定向引导出射激光进入调制模块，调制模块从延迟、偏振、频移和衰减对出射激光进行有序调制。测试系统对于激光的调制是准确且直观的，可对测试信号进行定量描述，从而可以实现对激光测风雷达的测试结果进行定量分析，即实现激光测风雷达性能的定量测试分析。可以避免涉及气溶胶离子浓度和粒径分布、宏观与微观流场品质、偏振态改变、全过程衰减等诸多不便于量化的因素以及流场环境变量不便于准确控制的问题。

5、本发明采用光学系统接收激光测风雷达出射激光，并通过环形器传输到调制模块调制产生测试信号，对于不同类型激光测风雷达均可在较小空间内实现测试。可以克服探测距离较远或出射激光的瑞利长度较长的激光测风雷达利用现有流场测试方法需要在一个较大的空间内才能完成测试的不足之处。

6、本发明采用由匹配镜组和耦合天线构成的光学系统，来实现激光测风雷达和测试系统之间的激光发送与接收，避免受激光测风雷达探测距离或出射激光瑞利长度的影响。

附图说明

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

图1是本发明测试系统原理示意图；

图2是图1光学系统原理示意图；

图3是图1环形器的原理示意图；

图4是图1调制模块中相连的固定可调移频器组的原理示意图；

图5是图1检测模块示意图；

图6是图1控制模块示意图；

图7是本发明激光测风雷达与测试系统关系示意图。

图中：1光学系统，2环形器,3调制模，4控制模块,，5检测模块,6上位机，7激光测风雷达,8光纤，9测试系统，10光路参数检测节点，11配镜组,12耦合天线，13综合测试数据；21环形器1端，22环形器2端，23环形器三端块；31延迟模块,32移频器,321光开关，3211光开关输入端，3212光开关输出端，322声光移频器,323耦合器，3231耦合器输入端，3232耦合器输出端，33偏振调制模块,34衰减器；41中央控制器,42调制模块各子模块的控制电路，43通讯接口51检测接口；52光学参数测量设备，521通讯接口；71出射激光,72测试结果；91信号光，92调制参数；101分束器，1011分束器输入端，1012分束器输出端A，1013分束器输出端B。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，根据测试系统的模块级联关系，激光测风雷达流场环境测试系统，包括：光学系统1，环形器2，调制模块3，控制器4，检测模块5和上位机6。其特征在于：光学系统1由匹配镜组11和耦合天线12组成，其中匹配镜组11用于激光测风雷达7与测试系统9的光轴对接，耦合天线12用于将激光测风雷达7的出射激光71耦合进测试系统，并发射经调制的信号光91，光学系统1构成了激光测风雷达7和测试系统9之间激光发射与接收的通道，可集成到测试系统9内，也可作为一个独立模块通过光纤与激光测风雷达7连接。环形器2用于定向引导出射激光71和信号光91在光路中的传输，实现激光的并行发射与接收。调制模块3包括延迟模块31、移频器32、偏振调制模块33和衰减器34，延迟模块31用于调节激光的传输延迟，模拟激光测风雷达的激光在探测距离内的传输时间；移频器32用于调制激光频移，模拟气溶胶粒子对激光的多普勒频移；偏振调制模块33用于调节激光偏振方向，模拟粒子散射及空间传输对激光偏振态的影响；衰减器34用于调节激光的强度，模拟出射激光在大气流场环境中传播以及与大气粒子相互作用所带来的激光衰减。

控制模块4接收检测模块5中光学参数测量设备52反馈的测量结果，并接收上位机6的控制指令，对调制模块3进行控制。控制模块4内部集成有中央控制器41、调制模块各子模块的控制电路42以及与外部光学参数测量设备和上位机的通讯接口43。

检测模块5检测光路节点的参数，控制模块4接收检测模块的测量结果和上位机6发出的控制指令，对调制模块3进行控制，上位机6作为人机接口提供参数显示和指令控制，通过对调制模块3进行准确有序控制，可产生用于激光测风雷达测试的信号光。

参阅图2。光学系统1包括：接收激光测风雷达7出射激光71光路上的匹配镜组11，匹配镜组11由顺次排列在出射激光71光路上的双面凹透镜111、双面凸透镜112组成，出射激光71通过双面凹透镜111的发散后由凸透镜112汇聚到由镶嵌在镜筒122入口端的双凸透镜121及尾端光路汇聚点标准光纤转接头123组成的耦合天线12。激光测风雷达7的出射激光71通过镶嵌在镜筒122入口端的双凸透镜121，将激光光束集中汇聚并耦合到标准光纤转接头123，非常紧密地聚焦到光纤8，通过光纤8与环形器2连接，实现出射激光71的接收。同时经过测试系统调制的信号光91通过光学系统1出射到激光测风雷达7。

参阅图3。环形器2包括围绕环形器相连的1端口21、2端口22和3端口23的三个端口，其中，1端口21通过光纤8连接耦合天线12，2端口22相连调制模块3的输入端，3端口23与调制模块3的输出端连接。1端口21输入的信号从2端口22输出，2端口22输入的激光从端口23输出。激光测风雷达7的出射激光71经光学系统1耦合进光纤后输入到1端口21，然后从2端口22输出进入调制模块3，经调制模块3调制输出的信号光91经3端口23输入，然后从1端口21输出到光学系统1进行发射。

环形器2可以采用光纤环形器。环形器2对光路的定向引导。环形器2之前的光学系统1要同时传输出射激光71和信号光91，因此需要对出射激光71和信号光91进行定向光路引导。

参阅图4。调制模块3中相连的固定可调移频器是移频器32的一种实现形式，可用于调节激光频移使其可产生几种特定频移，通过固定可调移频器组可在几个特定点处模拟多普勒频移。调制模块3包括顺次串联的延迟模块31、移频器32，偏振调制模块33和衰减器34，其中，固定可调移频器组包括：带有输入端3211、控制端3213和多个输出端3212的光开关321、声光移频器AOM322和耦合器323三部分，其中，声光移频器AOM322并联在光开关321与耦合器323之间，声光移频器322的多个声光移频器AOM匹配光开关321的多个输出端3212和耦合器323的多个输入端3231。光开关321控制端3213接到控制模块4指示，通过多个输出端3212选通不同的声光移频器AOM322，实现固定频率点的频移调制，耦合器323将多个声光移频器AOM322的输出集中耦合到输出端一条光路3232。

参阅图5。检测模块5检测光路节点参数的测量方式。检测模块5主要实现光路参数检测节点10的光学参数测量，常规光学参数包括功率、偏振、频移等。对于一个光路参数检测节点10，在同一时刻一般只能测量一种主要参数，因此检测模块5主要为各类光学参数测量设备52提供一个开放式接口51，光学参数测量设备52可连接到对应接口51来测试相应光路参数检测节点10的参数。，检测接口51是一种非固定的开放式接口，便于实现不同节点上不同参数的灵活测量。具体测量光路参数检测节点10的参数时，可在对应检测接口51上连接相应光学参数测量设备52进行测量，光学参数测量设备52的测量数据通过通讯接口521发送给控制模块4。在实际测试中，可根据光学参数测量设备52的具体接口形式选择上位机6或控制模块4进行通讯实现测试自动化，也可采用光学参数测量设备52与上位机6或控制模块4无连接的手动测试方式。

光路参数检测节点10是测试系统9光路中需要测量激光参数的节点，可根据测试需求及调制模块3架构进行增减或调整。可在环形器2的2端口22与延迟模块31之间以及偏振调制模块33和衰减器34之间各设置一个带有输入端1011和输出端1012、输出端1013的光路参数检测节点10。为便于激光调制和检测同时进行，可在光路参数检测节点10串联一个1×2的分束器101，分束器101的输出端1012和输出端1013的分光比例可设置为9:1，分束器101的输入端1011和输出端1012串接在原光路节点，输出端1013则连接到检测模块5的检测接口51。

参阅图6。测试系统整个光路上的器件对激光都存在衰减，但除衰减器34外的其他部分对激光的衰减是基本固定的。测试系统整个光路对激光的延迟取决于延迟模块31，对激光的频移由移频器32决定，光纤光路部分对偏振态的调节取决于偏振调制模块33，偏振调制模块33用于保偏架构的测试系统，对衰减的调节取决于衰减器34。

控制模块4包括：内置中央控制器41、各子模块的控制电路42和通讯接口43，控制模块4一端连接检测模块5，一端相连上位机6，并与调制模块3的各子模块分别相连。控制模块4的主要作用是接收上位机6指令对调制模块3的部分子模块进行控制。

调制模块3的延迟模块31调节激光的传输延迟，模拟激光测风雷达的激光在探测距离内的传输时间Δt，主要通过数控光纤延迟线将测试系统整个光路出射激光71延迟送入移频器32，移频器32采用固定可调移频器组调制激光频移，并输入到偏振调制模块33，偏振调制模块33采用电控偏振调制模块对光纤光路偏振态进行调节，并输入衰减器34，衰减器34采用数字可调衰减器控制透射光动态的强度对光纤光路激光强度进行调节，可选择一个声-光调制器。分别把延迟模块31、移频器32、偏振调制模块33和衰减器34对激光的调节参数传输延迟时间Δt、激光频移Δf、激光偏振态变量Δp和激光强度衰减系数α以及除衰减器34外的其它所有环节对激光的衰减系数β，作为调制参数92输出。

参阅图7。图7描述了激光测风雷达7与测试系统9的总体测试关系，测试系统9接收激光测风雷达7的出射激光71，出射激光71在测试系统9内部经调制产生信号光91，测试系统9发射信号光91对激光测风雷达7的性能进行测试，同时结合测试系统9输出的调制参数92和激光测风雷达7输出的测试结果72得出综合测试数据13，可以对激光测风雷达7的综合性能进行分析，并且通过测试系统9输出的不同调制信号光91对激光测风雷达7的性能进行综合测试和分析，可建立一套激光测风雷达的性能测试和评价标准。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光测风雷达流场环境测试系统，包括：实现激光测风雷达(7)和测试系统(9)之间激光发射与接收的光学系统(1)，光学系统(1)依次连接环形器(2)以及调制模块(3)，调制模块(3)与控制模块(4)和检测模块(5)相连接，控制模块(4)与上位机(6)和检测模块(5)互连，其特征在于：光学系统(1)构成激光测风雷达(7)和测试系统(9)之间激光发射与接收的通道，接收激光测风雷达(7)的出射激光(71)并耦合进入光纤，出射激光(71)通过光纤传输进入环形器(2)，环形器(2)通过光纤定向引导出射激光(71)进入调制模块(3)，控制模块(4)结合检测模块(5)的检测结果以及上位机(6)的控制指令，对调制模块(3)进行控制，实现调制模块(3)从延迟、偏振、频移和衰减不同方面对出射激光(71)进行有序调制，产生信号光(91)，信号光(91)反馈到环形器(2)，环形器(2)通过光纤定向引导信号光(91)进入光学系统(1)，光学系统(1)将信号光(91)发射进入激光测风雷达(7)，激光测风雷达(7)利用流场环境模拟信号光对雷达的探测性能进行室内测试。

2.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：控制模块(4)内部集成有中央控制器(41)、调制模块各子模块的控制电路(42)以及与外部光学参数测量设备(52)和上位机通信的通讯接口(43)。

3.如权利要求2所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：控制模块(4)接收检测模块(5)中光学参数测量设备(52)反馈的测量结果，并接收上位机(6)的控制指令，对调制模块(3)进行控制；检测模块(5)检测光路节点的参数，控制模块(4)接收检测模块的测量结果和上位机(6)发出的控制指令，对调制模块(3)进行控制，上位机(6)作为人机接口提供参数显示和指令控制，并通过对调制模块(3)进行准确有序控制产生用于激光测风雷达测试的信号光。

4.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：光学系统包括：接收激光测风雷达(7)出射激光(71)的匹配镜组(11)，匹配镜组(11)由顺次排列在出射激光(71)光路上的双面凹透镜(111)、双面凸透镜(112)组成，出射激光(71)通过双面凹透镜(111)的发散后由双面凸透镜(112)汇聚到由镶嵌在镜筒(122)入口端的双凸透镜(121)及尾端光路汇聚点标准光纤转接头(123)组成的耦合天线(12)。

5.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：激光测风雷达(7)的出射激光(71)通过镶嵌在镜筒(122)入口端的双凸透镜(121)，将激光光束集中汇聚并耦合到标准光纤转接头(123)，出射激光由此进入光纤(8)，光纤(8)进一步与环形器(2)连接，实现出射激光(71)的接收，同时经过测试系统(9)调制的信号光(91)通过光学系统(1)出射到激光测风雷达(7)。

6.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：围绕环形器相连的1端口(21)、2端口(22)和3端口(23)三个端口，其中，1端口(21)通过光纤(8)连接耦合天线(12)，2端口(22)相连调制模块(3)的输入端，3端口(23)与调制模块(3)的输出端连接，1端口(21)输入的信号从2端口(22)输出，3端口(23)输入的激光从1端口(21)输出，并且环形器(2)采用光纤环形器，对出射激光(71)和信号光(91)进行定向光路引导；激光测风雷达(7)的出射激光(71)经光学系统(1)耦合进光纤后输入到1端口(21)，然后从2端口(22)输出进入调制模块(3)，经调制模块(3)调制输出的信号光(91)经3端口(23)输入，然后从1端口(21)输出到光学系统(1)进行发射。

7.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：调制模块(3)包括顺次串联的延迟模块(31)、移频器(32)、偏振调制模块(33)和衰减器(34)，其中，移频器(32)采用固定可调移频器组，固定可调移频器组包括：带有输入端(3211)、控制端(3213)和多个输出端(3212)的光开关(321)、声光移频器AOM(322)和耦合器(323)三部分，其中，声光移频器AOM(322)并联在光开关(321)与耦合器(323)之间，声光移频器AOM (322)的多个声光移频器AOM匹配光开关(321)的多个输出端(3212)和耦合器(323)的多个输入端(3231)；光开关(321)的控制端(3213)接到控制模块(4)，通过多个输出端(3212)选通不同的声光移频器AOM(322)，实现固定频率点的频移调制，耦合器(323)将多个声光移频器AOM(322)的输出集中耦合到输出端一条光路(3232)。

8.如权利要求7所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：延迟模块(31)通过数控光纤延迟线调节激光的传输延迟，并送入移频器(32)，移频器(32)调制激光频移，并输入到偏振调制模块(33)，偏振调制模块(33)采用电控偏振调制模块对光纤光路偏振态进行调节，并输入衰减器(34)，衰减器(34)采用数字可调衰减器控制透射光动态的强度对光纤光路激光强度进行调节，选择一个声-光调制器；同时测试系统(9)分别把延迟模块(31)、移频器(32)、偏振调制模块(33)和衰减器(34)对激光的调节参数传输延迟时间Δt、激光频移Δf、激光偏振态变量Δp和激光强度衰减系数α以及除衰减器(34)外的其它所有环节对激光的衰减系数β，作为调制参数(92)输出。

9.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：检测模块(5)检测光路节点参数，实现光路参数检测节点(10)的光学参数测量，为各类光学参数测量设备(52)提供一个开放式接口(51)，光学参数测量设备(52)连接到对应接口(51)来测试相应光路参数检测节点(10)的参数。

10.如权利要求1所述的激光测风雷达流场环境测试系统，其特征在于：测试系统(9)接收激光测风雷达(7)的出射激光(71)，出射激光(71)经调制产生可对激光测风雷达(7)的性能进行测试的信号光(91)，同时结合输出的调制参数(92)和激光测风雷达(7)输出的测试结果(72)得出综合测试数据(13)，对激光测风雷达(7)的综合性能进行分析，并且通过测试系统(9)输出的不同调制信号光(91)对激光测风雷达(7)的性能进行综合测试和分析，建立一套激光测风雷达的性能测试和评价标准。

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