CN111398993B - 一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统 - Google Patents

一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，包括：激光发射装置，用于发射激光信号；远距离测量传输模块，用于将激光信号经过反射镜的中间通孔传输至非球透镜；非球透镜，用于将激光信号进行整形，并发射至大气；反射镜，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔的远距离测量通道信号和经过环形界面反射的近距离测量通道信号；远距离测量传输模块，还用于将远距离测量通道信号输出；近距离测量传输模块，用于将近距离测量通道信号输出；采集器，用于同时对远距离测量通道信号和近距离测量通道信号进行采集处理。这样可以同时测量远距离和近距离的风场，实现脉冲相干测风激光雷达的无盲区测量。

Description

一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达探测大气领域，特别是涉及一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统。
背景技术
大气风场是气象探测中的重要观测参数，在天气、环境、交通、航空、海洋等许多领域都有着重要作用。气象探测中，提供风场的精确信息，有助于提高天气预报的精度；飞机起降过程中，提供低空风切变预警，可以保障航空飞行安全；风力发电中，精确测量来流风速并反馈风机控制系统，可以提高风机的发电效率，降低风机运行故障。
现有的测风手段多为风向标测风、微波雷达测风和测风激光雷达。其中，风向标的测量只能测量近地面的局部风速，限制较大，无法获得大气风场的信息；微波雷达测风需要在云、雾较多的情况下才能取得良好效果，晴空下测量能力较差，而且观测结果的时间分辨率和空间分辨率较差；而测风激光雷达利用大气分子和气溶胶的散射，因此可以在晴空下正常测量，并且具有很高的时间和空间分辨率。
目前，商业应用最广的测风激光雷达是相干体制的测风激光雷达，相干测风激光雷达直接测量风速的变化，具有测量精度高，实时性好的优点。相干测风激光雷达主要有连续波相干测风激光雷达和脉冲相干测风激光雷达，其中，连续波相干测风激光雷达适用于短距离的测量，一般的探测距离在10m至200m，脉冲相干测风激光雷达适用于远距离的测量，一般的测量距离在80m至5000m。当前越来越多的场合需要同时兼顾近距离和远距离的探测设备，同时满足10m至5000m的量程范围。由于连续波相干激光雷达采用连续发射的激光光源，通过改变光学聚焦位置实现距离的分辨，随着聚焦位置的变远，聚焦光束的焦深变大，出现距离分辨的模糊，导致连续波相干测风激光雷达在远距离技术上无法实现聚焦，因此技术体制上的瓶颈使它仅限于近距离的测量。而脉冲相干测风激光雷达采用脉冲调制的激光光源，由于激光脉冲的时间宽度较短，可以不通过光学聚焦直接实现探测距离的分辨，不存在远距离聚焦的技术瓶颈，但是由于激光发射脉宽时间宽度内存在近距离的探测盲区，脉冲相干测风激光雷达往往适用于远距离探测。
如图1所示，脉冲相干测风雷达一般采用收发一体的光学系统，激光源01发射的激光经过光路切换开关02实现激光器输出光纤03和发射光纤04的接通，发射光纤04将激光发射至大气中，同时发射光纤04接收大气返回的激光信号，光路切换开关02实现发射光纤04和探测器光纤05的接通，作为系统的接收光路，但是由于输出光纤03往大气辐射的末端存在介质面，一小部分的激光脉冲没有发射至大气中而是经发射光纤04末端端面反射至接收光路，由于发射激光的脉冲宽度时间为T，因此在距离雷达L＝C*T/2的距离内大气实际的回波信号会受到光纤端面返回信号的干扰，无法正常的测量大气风速，造成近场的探测盲区。
因此，如何使脉冲相干测风激光雷达突破近距离的探测盲区，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，可以实现雷达近距离和远距离的同时测量，展宽脉冲相干测风激光雷达的量程。其具体方案如下：
一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，包括：激光发射装置、远距离测量传输模块、具有中间通孔的反射镜、非球透镜、近距离测量传输模块和采集器；其中，
所述激光发射装置，用于发射激光信号；
所述远距离测量传输模块，用于将所述激光信号经过所述反射镜的中间通孔传输至所述非球透镜；
所述非球透镜，用于将所述激光信号进行整形，并发射至大气；
所述反射镜，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔传输至所述远距离测量传输模块的远距离测量通道信号和经过环形界面反射至所述近距离测量传输模块的近距离测量通道信号；
所述远距离测量传输模块，还用于将所述远距离测量通道信号输出；
所述近距离测量传输模块，用于将所述近距离测量通道信号输出；
所述采集器，用于同时对所述远距离测量通道信号和所述近距离测量通道信号进行采集处理。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述远距离测量传输模块包括光路切换开关、发射光纤、准直透镜和第一探测器；其中，
所述光路切换开关，具有发射通道和接收通道，用于经过所述发射通道将所述激光信号传输至所述发射光纤，还用于经过所述接收通道将所述远距离测量通道信号传输至所述第一探测器；
所述发射光纤，用于将所述激光信号发射至所述准直透镜，还用于将所述准直透镜发送的所述远距离测量通道信号传输至所述光路切换开关；
所述准直透镜，用于将所述发射光纤发射的激光信号进行准直，并经过所述反射镜的中间通孔传输至所述非球透镜；还用于将经过所述反射镜的中间通孔传输的所述远距离测量通道信号进行会聚，并耦合进所述发射光纤；
所述第一探测器，用于将所述远距离测量通道信号发送至所述采集器。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述光路切换开关包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口向所述第二端口传输的通道为所述发射通道，所述第二端口向所述第三端口传输的通道为所述接收通道，所述第一端口连接所述激光发射装置，所述第二端口连接所述发射光纤，所述第三端口连接所述第一探测器。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述近距离测量传输模块包括会聚透镜、接收光纤和第二探测器；其中，
所述会聚透镜，用于将经过所述反射镜的环形界面反射的所述近距离测量通道信号进行会聚，并会聚成点光源耦合进所述接收光纤；
所述接收光纤，用于将所述会聚透镜发送的所述近距离测量通道信号传输至所述第二探测器；
所述第二探测器，用于将所述近距离测量通道信号发送至所述采集器。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述激光发射装置为高功率脉冲光纤激光器。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述光路切换开关为三通道全光纤开关。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述准直透镜为平凸透镜。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述反射镜的反射角为45度，表面镀有增透膜。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述反射镜的中间通孔的形状为楔形或方形。
优选地，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，所述会聚透镜为锥形透镜。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，包括：激光发射装置、远距离测量传输模块、具有中间通孔的反射镜、非球透镜、近距离测量传输模块和采集器；其中，激光发射装置，用于发射激光信号；远距离测量传输模块，用于将激光信号经过反射镜的中间通孔传输至非球透镜；非球透镜，用于将激光信号进行整形，并发射至大气；反射镜，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔传输至远距离测量传输模块的远距离测量通道信号和经过环形界面反射至近距离测量传输模块的近距离测量通道信号；远距离测量传输模块，还用于将远距离测量通道信号输出；近距离测量传输模块，用于将近距离测量通道信号输出；采集器，用于同时对远距离测量通道信号和近距离测量通道信号进行采集处理。
本发明采用具有中间通孔的反射镜将大气后向散射激光信号分为远距离测量通道信号和近距离测量通道信号，分别通过远距离测量传输模块和近距离测量传输模块进行传输，可以同时测量远距离和近距离的风场，避免脉冲相干测风激光雷达的低空探测盲区，实现测风激光雷达的无盲区测量，进而实现了一台设备从近距离到远距离的宽量程探测，填补目前市场和技术的空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的脉冲相干测风激光雷达的原理示意图。
图2为本发明实施例提供的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统装置的具体结构示意图；
图4和图5分别为本发明实施例提供的具有中间通孔的反射镜的结构示意图。
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。
本发明提供一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，如图2所示，包括：激光发射装置1、远距离测量传输模块2、具有中间通孔的反射镜3、非球透镜4、近距离测量传输模块5和采集器6；其中，
激光发射装置1，用于发射激光信号；
远距离测量传输模块2，用于将激光信号经过反射镜3的中间通孔传输至非球透镜4；
非球透镜4，用于将激光信号进行整形，并发射至大气；
反射镜3，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔传输至远距离测量传输模块2的远距离测量通道信号和经过环形界面反射至近距离测量传输模块5的近距离测量通道信号；
远距离测量传输模块2，还用于将远距离测量通道信号输出；
近距离测量传输模块5，用于将近距离测量通道信号输出；
采集器6，具有至少两个通道，用于同时对远距离测量通道信号和近距离测量通道信号进行采集处理。
在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，采用具有中间通孔的反射镜将大气后向散射激光信号分为远距离测量通道信号和近距离测量通道信号，分别通过远距离测量传输模块和近距离测量传输模块进行传输，可以同时测量远距离和近距离的风场，避免脉冲相干测风激光雷达的低空探测盲区，实现测风激光雷达的无盲区测量，进而实现了一台设备从近距离到远距离的宽量程探测，填补目前市场和技术的空白。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，如图3所示，远距离测量传输模块2包括光路切换开关21、发射光纤22、准直透镜23和第一探测器24；其中，
光路切换开关21，具有发射通道和接收通道，用于经过发射通道将激光信号传输至发射光纤22，还用于经过接收通道将远距离测量通道信号传输至第一探测器24；光路切换开关21可以同时接通发射通道和接收通道；
发射光纤22，用于将激光信号发射至准直透镜，还用于将准直透镜发送的远距离测量通道信号传输至光路切换开关；
准直透镜23，用于将发射光纤发射的激光信号进行准直，并经过反射镜的中间通孔传输至非球透镜；还用于将经过反射镜的中间通孔传输的远距离测量通道信号进行会聚，并耦合进发射光纤；
第一探测器24，用于将远距离测量通道信号发送至采集器6。
需要说明的是，激光发射装置1、光路切换开关21、发射光纤22、准直透镜23和非球透镜4构成了激光发射天线和远场光学接收天线。激光发射通道和远距离测量通道复用光路，由光路切换开关21实现发射通道和接收通道的区分。
具体地，激光发射装置1发射激光信号，经过光路切换开关21的发射通道传输至发射光纤22，发射光纤22将激光信号发射至空间，准直透镜23将发射的激光信号进行准直，准直后的激光信号经过反射镜3的中间通孔，最后由非球透镜4进行激光信号的整形，将整形后的激光信号发射至大气，探测光束经大气中气溶胶散射，后向散射激光由激光雷达光学收发装置耦合接收，接收激光信号沿发射光路返回，返回的激光信号经过非球透镜4到达反射镜3，此时，返回的激光信号分为远距离测量通道信号(即远场光)和近距离测量通道信号(即近场光)。远距离测量通道信号包含返回的大部分激光，经过反射镜的中间通孔到达准直透镜23进行会聚，会聚后的激光耦合进发射光纤22，激光在光纤内传输至光路切换开关21，由光路切换开关21的接收通道传输至第一探测器24，采集器6的第一通道进行远距离测量通道信号的采集处理。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，如图3所示，光路切换开关21包括第一端口a、第二端口b和第三端口c，光路切换开关21具有单向通过性，第一端口a向第二端口b传输的通道为发射通道，第二端口b向第三端口c传输的通道为接收通道，第一端口a连接激光发射装置1，第二端口b连接发射光纤22，第三端口c连接第一探测器24。在具体实施时，光路切换开关21可以选用三通道全光纤开关。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，如图3所示，近距离测量传输模块5包括会聚透镜51、接收光纤52和第二探测器53；其中，
会聚透镜51，用于将经过反射镜3的环形界面反射的近距离测量通道信号进行会聚，并会聚成点光源耦合进接收光纤52；较佳地，会聚透镜51可以采用锥形透镜，可以将近场的环形光汇聚成点光源；
接收光纤52，用于将会聚透镜51发送的近距离测量通道信号传输至第二探测器53；
第二探测器53，用于将近距离测量通道信号发送至采集器6。
需要说明的是，非球透镜4、具有中间通孔的反射镜3、会聚透镜51和接收光纤52构成近场光学接收天线。
具体地，近距离测量通道信号包含返回的一小部分的激光，经过反射镜3的环形介面反射，经过会聚透镜51将环形光会聚成点光源耦合进接收光纤52，接收光纤52将近距离测量通道信号传输至第二探测器53，采集器6的第二通道进行近距离测量通道信号的采集处理。
可以理解的是，本发明利用中心通孔的反射镜3将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为近距离测量通道信号和远距离测量通道信号，近距离测量传输模块5的近距离测量通道仅仅是接收光路，不存在发射激光信号在光纤端面的反射，因此可以测量近距离的大气后向散射激光信号，同时由于近距离的回波信号能量强，因此我们只利用少部分能量即可满足系统的测量要求；远距离测量传输模块2的远距离测量通道是收发一体的光路，发射激光经过发射光纤传输至空间，因此发射时存在发射光纤的端面反射干扰，在激光脉冲发射时间宽度内无法测量大气，存在低空的测量盲区，接收时，大部分能量沿发射光路返回，收发一致的光路光学效率高适合于远距离信号的探测。利用采集器6同时采集两个通道，可以实现近距离和远距离的同步探测。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，激光发射装置1可以选用商用的光线激光器，例如高功率脉冲光纤激光器，脉冲能量为50uJ，重复频率为20KHz。发射光纤22可以采用25/300光纤，FC/APC光纤端面。准直透镜23可以选用平凸透镜，焦距为30mm。非球透镜4可以采用大口径非球，接收口径为100mm，焦距为300mm。会聚透镜51可以选择锥透镜，焦距为10mm。接收光纤52可以采用10/125光纤，FC/APC光纤端面。第一探测器和第二探测器可以选择低噪声的pin探测器。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述无盲区脉冲相干测风激光雷达系统中，反射镜3可加工定制，满足反射角为45度，表面镀有增透膜。另外，在具体实施时，如图4所示，反射镜3的中间通孔的形状为楔形；或，如图5所示，反射镜的中间通孔的形状为方形或其他异形。需要说明的是，对于反射镜的中间通孔的形状可以是多种，不仅仅限于附图中所提供的形状，还可以是其它形状，在此不做赘述。
综上，本发明实施例提供的一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，包括：激光发射装置、远距离测量传输模块、具有中间通孔的反射镜、非球透镜、近距离测量传输模块和采集器；其中，激光发射装置，用于发射激光信号；远距离测量传输模块，用于将激光信号经过反射镜的中间通孔传输至非球透镜；非球透镜，用于将激光信号进行整形，并发射至大气；反射镜，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔传输至远距离测量传输模块的远距离测量通道信号和经过环形界面反射至近距离测量传输模块的近距离测量通道信号；远距离测量传输模块，还用于将远距离测量通道信号输出；近距离测量传输模块，用于将近距离测量通道信号输出；采集器，用于同时对远距离测量通道信号和近距离测量通道信号进行采集处理。这样采用具有中间通孔的反射镜将大气后向散射激光信号分为远距离测量通道信号和近距离测量通道信号，分别通过远距离测量传输模块和近距离测量传输模块进行传输，可以同时测量远距离和近距离的风场，避免脉冲相干测风激光雷达的低空探测盲区，实现测风激光雷达的无盲区测量，进而实现了一台设备从近距离到远距离的宽量程探测，填补目前市场和技术的空白。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射装置、远距离测量传输模块、具有中间通孔的反射镜、非球透镜、近距离测量传输模块和采集器；其中，
所述激光发射装置，用于发射激光信号；
所述远距离测量传输模块，用于将所述激光信号经过所述反射镜的中间通孔传输至所述非球透镜；
所述非球透镜，用于将所述激光信号进行整形，并发射至大气；
所述反射镜，用于将由激光雷达光学收发装置耦合接收的大气后向散射激光信号分为经过中间通孔传输至所述远距离测量传输模块的远距离测量通道信号和经过环形界面反射至所述近距离测量传输模块的近距离测量通道信号；
所述远距离测量传输模块，还用于将所述远距离测量通道信号输出；
所述近距离测量传输模块，用于将所述近距离测量通道信号输出；
所述采集器，用于同时对所述远距离测量通道信号和所述近距离测量通道信号进行采集处理。
2.根据权利要求1所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述远距离测量传输模块包括光路切换开关、发射光纤、准直透镜和第一探测器；其中，
所述光路切换开关，具有发射通道和接收通道，用于经过所述发射通道将所述激光信号传输至所述发射光纤，还用于经过所述接收通道将所述远距离测量通道信号传输至所述第一探测器；
所述发射光纤，用于将所述激光信号发射至所述准直透镜，还用于将所述准直透镜发送的所述远距离测量通道信号传输至所述光路切换开关；
所述准直透镜，用于将所述发射光纤发射的激光信号进行准直，并经过所述反射镜的中间通孔传输至所述非球透镜；还用于将经过所述反射镜的中间通孔传输的所述远距离测量通道信号进行会聚，并耦合进所述发射光纤；
所述第一探测器，用于将所述远距离测量通道信号发送至所述采集器。
3.根据权利要求2所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光路切换开关包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口向所述第二端口传输的通道为所述发射通道，所述第二端口向所述第三端口传输的通道为所述接收通道，所述第一端口连接所述激光发射装置，所述第二端口连接所述发射光纤，所述第三端口连接所述第一探测器。
4.根据权利要求1所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述近距离测量传输模块包括会聚透镜、接收光纤和第二探测器；其中，
所述会聚透镜，用于将经过所述反射镜的环形界面反射的所述近距离测量通道信号进行会聚，并会聚成点光源耦合进所述接收光纤；
所述接收光纤，用于将所述会聚透镜发送的所述近距离测量通道信号传输至所述第二探测器；
所述第二探测器，用于将所述近距离测量通道信号发送至所述采集器。
5.根据权利要求1所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射装置为高功率脉冲光纤激光器。
6.根据权利要求2所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光路切换开关为三通道全光纤开关。
7.根据权利要求2所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述准直透镜为平凸透镜。
8.根据权利要求1所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述反射镜的反射角为45度，表面镀有增透膜。
9.根据权利要求1所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述反射镜的中间通孔的形状为楔形或方形。
10.根据权利要求4所述的无盲区脉冲相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述会聚透镜为锥形透镜。
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