CN111551960A - 风速测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种风速测量方法及装置，应用于激光雷达系统，激光雷达系统包括四通道的干涉仪，该干涉仪的四个通道相位差依次为π/2；所述方法包括：控制激光发射器发射激光光束；控制接收望远镜接收参考光束；获取激光光束对应的参考光束在每个通道中的第一子光束的功率；根据每个第一子光束的功率获取激光光束的参考相位；控制接收望远镜接收回波光束；获取回波光束在每个通道的第二子光束的功率；根据每个第二子光束的功率以及回波光束的功率获取回波光束的测量相位；根据参考相位、测量相位、干涉仪的光程差、激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。本方案能够采用多纵模激光来实现风速测量，降低了风速测量的复杂度。
Description
技术领域
本申请涉及大气风场遥感探测激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种风速测量方法及装置。
背景技术
在大气风速测量时，通常采用相干多普勒测风激光雷达和非相干多普勒测风激光雷达这两种雷达系统。对于非相干多普勒测风激光雷达来说，其需要采用种子注入和脉冲锁频稳频技术的单纵模激光器作为发射单元，并选择高分辨率的光谱鉴频器鉴别气溶胶米散射光谱或者大气分子瑞利散射光谱的多普勒频移，技术难度相对比较大。
发明内容
为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的之一在于提供一种风速测量方法，应用于激光雷达系统，所述激光雷达系统包括多纵模脉冲激光器、第一光束分离器、第一反射镜、接收望远镜和干涉仪，所述第一光束分离器用于将激光发射器发射的激光光束分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜用于将所述测量光束反射至待测大气中，所述接收望远镜用于接收光束，所述接收望远镜的输出端与所述干涉仪的输入端连接，所述干涉仪有四个输出光束的通道，四个所述通道的相位差依次为π/2，所述方法包括：
控制所述激光发射器发射激光光束；
控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束；
获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率；
根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位；
控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束为激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后，传播至所述接收望远镜的光束；
获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率；
根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位；
根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
可选地，所述激光雷达系统还包括分别设置在每个通道上的光电探测器件，所述光电探测器件用于检测对应通道中光束的光线强度；所述获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，包括：
获取每个所述第一子光束经过所述光电探测器件转换后的电信号；
根据所述电信号获得所述第一子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第一子光束的功率。
可选地，所述获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率，包括：
获取每个所述第二子光束经过所述光电探测器件转换后的电信号；
根据所述电信号获得所述第二子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第二子光束的功率。
可选地，根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位的步骤包括：
获取每个所述通道中第一子光束的谱线宽度；
针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道的第一子光束的谱线宽度获取该通道的第一干涉对比度，所述第一干涉对比度的计算公式为：
根据每个通道对应第一子光束的功率、每个通道的第一干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算参考相位，参考相位根据以下公式计算获得：
Q1(r)＝q11(r)+jq12(r)
其中，i为通道的序号，i＝1，2，3，4；c为光速；m1i为第一干涉对比度，即第i个通道相对参考光束的干涉对比度；r为激光与大气中微粒的距离，当激光分光后直接进入接收望远镜时，r＝0；u1i为第i个通道中第一子光束的谱线宽度，OPD为干涉仪的两个光学臂的光程差；Q1(r)为与参考光束对应的中间参数，q11(r)为Q1(r)的实部，q12(r)为Q1(r)的虚部，j为虚数，P1i(r)为第i个通道的第一子光束的功率，Φs(r)为激光光束的参考相位，ai表示第i个通道的灵敏度。
可选地，所述根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位，包括：
获取每个所述通道中第二子光束的谱线宽度；
针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道的第二子光束的谱线宽度获取该通道的第二干涉对比度，所述第二干涉对比度的计算公式为：
根据每个所述通道对应的第二子光束的功率、每个通道的第二干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算测量相位，测量相位根据以下公式计算获得：
Q2(r)＝q21(r)+jq22(r)
其中，m2i为第二干涉对比度，即第i个通道相对回波光束的干涉对比度；u2i为第i个通道中第二子光束的谱线宽度，P(r)为大气弹性散射的回波光束的总功率，P0为激光发射功率，r'为激光与大气中微粒之间的距离变量，C为激光雷达系统常数，βa为大气气溶胶后向散射系数，βm为大气分子后向散射系数，αa为大气气溶胶消光系数，αm为大气分子消光系数，R1为大气气溶胶米散射占大气回波信号的强度，R2为大气分子瑞利散射占大气回波信号的强度，R1＝1-1/Ra，R2＝1/Ra，|γa(τ)|气溶胶米散射光谱的复相干度，|γm(τ)|指大气分子瑞利散射光谱的复相干度，|γ(τ，r)|为大气弹性散射光谱的复相干度，P2i(r)为第i个通道中第二子光束的功率，δi为第i个通道的相位偏差；v为光谱频率，Q2(r)为与回波光束对应的中间参数，q21(r)为Q2(r)的实部，q22(r)为Q2(r)的虚部，Φr(r)为回波光束的测量相位，τ为干涉仪的仪器参数。
可选地，所述激光雷达系统还包括数据采集及数据处理系统，所述数据采集及数据处理系统的四个输入通道分别对应连接一个光电探测器件，用于接收对应光电探测器件输出的电信号；
所述方法还包括，通过数据采集及数据处理系统获取所述光电探测器件转换后的电信号。
可选地，所述干涉仪为马赫泽德干涉仪，所述马赫泽德干涉仪包括第二光束分离器、第二反射镜、四分之一波片、第三反射镜以及第三光束分离器，所述第三光束分离器的两个光路上分别设置有第一双折射偏振棱镜和第二双折射偏振棱镜，其中，所述干涉仪通过所述四分之一波片、所述第一双折射偏振棱镜和所述第二双折射偏振棱镜实现四通道输出。
可选地，所述激光雷达系统还包括倍频器，所述倍频器设置在所述激光发射器和所述第一光束分离器之间，所述倍频器用于调整激光发射器出射的激光光束的波长。
可选地，所述激光雷达系统还包括扩束镜，所述扩束镜设置在所述激光发射器和所述第一光束分离器之间。
本申请的另一目的还在于提供一种风速测量装置，应用于激光雷达系统，所述激光雷达系统包括多纵模的激光发射器、第一光束分离器、第一反射镜、接收望远镜和干涉仪，所述第一光束分离器用于将激光发射器发射的激光光束分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜用于将所述测量光束反射至待测大气中，所述接收望远镜用于接收光束，所述接收望远镜的输出端与所述干涉仪的输入端连接，所述干涉仪有四个输出光束的通道，四个所述通道的相位差依次为π/2，所述装置包括：
发射控制模块，用于控制所述激光发射器发射激光光束；
接收控制模块，用于控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束，以及控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束为激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后传播至所述接收望远镜的光束；
功率获取模块，用于获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，以及获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率；
相位获取模块，用于根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位，以及根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位；
计算模块，用于根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例的提供的风速测量方法及风速测量装置，在可以对激光光束进行分离的激光雷达系统中，通过激光发射器发射多纵模激光，然后分别通过干涉仪来对分离后的参考光束以及测量光束对应的回波光束进行采集，计算出参考光束的参考相位、回波光束的测量相位，从而根据参考相位和测量相位来获取目标风速，由于整个过程中，采用的是多纵模的激光光束来获取目标风速，因此，可以简化测量大气风速的技术难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1a是中心波长为1064nm的激光的光谱分布示意图；
图1b是中心波长为1064nm的激光对应的大气弹性散射的回波光谱的分布示意图；
图2a是中心波长为532nm的激光的光谱分布示意图；
图2b是中心波长为532nm的激光对应的大气弹性散射的回波光谱的分布示意图；
图3a是中心波长为355nm的激光的光谱分布示意图；
图3b是中心波长为355nm的激光对应的大气弹性散射的回波光谱的分布示意图；
图4是本申请实施例提供的激光雷达系统的结构示意图一；
图5是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；
图7是干涉仪四个通道的透过率与激光出射光源的相位之间的关系示意图；
图8是干涉仪四个通道的透过率与多纵模大气弹性散射光谱的多普勒频移之间的关系示意图；
图9是本申请实施例提供的风速测量方法的流程示意图；
图10是本申请实施例提供的风速测量装置的结构示意框图。
图标：100-电子设备，110-风速测量装置，111-发射控制模块；112-接收控制模块；113-功率获取模块；114-相位获取模块；115-计算模块；120-存储器；130-处理器。
具体实施方式
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。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
大气风场是大气对流、水循环、碳循环、海陆水汽交换、气溶胶输送、污染气体或雾霾扩散以及天气形成的主要动力，其是研究大气的活动规律以及太阳活动过程中各大气层之间耦合情况的重要气象观测要素和大气动力学表征参数。
激光雷达的多普勒测风技术主要是利用大量气溶胶、云粒子和大气分子运动的多普勒效应来测量风速，通常分为相干探测(外差探测)和非相干探测(直接探测)。相干多普勒测风激光雷达是通过光学混频技术测量激光光束在传输过程中，与气溶胶粒子相互作用产生的后向散射信号的相位和频率获取风场信息。因多普勒展宽较窄，主要用于大气边界层高度内风场的探测。而对于非相干多普勒测风激光雷达来说，其需要采用种子注入和脉冲锁频稳频技术的单纵模激光器作为发射单元，并选择高分辨率的光谱鉴频器鉴别气溶胶米散射光谱或者大气分子瑞利散射光谱的多普勒频移，技术难度相对比较大。
弹性散射是激光与大气散射粒子(气溶胶和大气分子)发生散射作用的主要形式，弹性散射的散射强度远远大于拉曼散射等非弹性散射效应。大气弹性散射包括大气气溶胶的米散射和大气分子的瑞利散射，米散射效应的谱线宽度是由大气气溶胶粒子布朗运动造成的多普勒展宽，其光谱的半高全宽与激光器线宽有关，约为百兆赫兹。大气分子瑞利散射光谱是由大气分子热运动造成的多普勒展宽，其谱线宽度Δvm与激光中心频率对应的波长λ0和大气温度T密切相关。单频激光的大气弹性散射回波光谱分布Sx可以表示如下：
式中，当x＝a时，Sx表示气溶胶米散射的光谱分布函数，当x＝m时，Sx表示大气分子瑞利散射的光谱分布函数。v代表光谱的频率，v是Sx的自变量。Δνx(x＝a)和Δνx(x＝m)分别代表大气气溶胶米散射谱线宽度和大气分子瑞利散射谱线宽度。多纵模激光的大气弹性散射回波光谱的分布函数MSx(ν-ν0)是多纵模激光纵模分布函数Gm(ν-v0)与单频激光的大气米-瑞利弹性散射回波光谱Sx(ν)卷积的结果：
当弹性散射是气溶胶米散射的对应的多纵模激光纵模分布函数时，x＝a，MSx(ν-ν0)的计算公式为：
当弹性散射是大气分子瑞利散射对应的多纵模激光纵模分布函数时，x＝m，MSx(ν-ν0)的计算公式为：
考虑到激光回波信号是大气气溶胶米散射信号和大气分子瑞利散射信号的叠加，则激光雷达接收系统所接收到的多纵模激光脉冲回波光束的光谱(以下简称回波光谱)MS(ν-v0)可以表示为：
式中Ra(＝1+βa/βm)是后向散射比，v0为激光发射器的中心频率，多纵模激光的大气弹性散射回波光谱不仅与激光中心频率以及大气温度有关，还受到激光纵模间隔的影响。如图1a、图2a、图3a分别为Nd:YAG激光器基频(中心波长为近红外光1064nm)、二倍频(中心波长为可见光532nm)和三倍频(中心波长为紫外光355nm)的纵模分布情况，图1b、图2b、图3b分别为Nd:YAG激光器基频(中心波长为近红外光1064nm)、二倍频(中心波长为可见光532nm)和三倍频(中心波长为紫外光355nm)的多纵模脉冲激光激励的大气米-瑞利弹性散射回波光谱。在图1a-图3b中，横轴代表代表频移(Frequency shift)，纵轴代表强度，不难看出单频激光的模数为5(Mode number)时，单频激光对应的回波光束的回波光谱模数为41。βa、βm分别是大气气溶胶后向散射系数和大气分子后向散射系数。
为了解决现有技术中非相干多普勒测风存在的技术难度大的问题，本申请实施例提供了一种激光雷达系统。请参照图4所示，所述激光雷达系统包括多纵模脉冲激光器(后续均简称激光发射器)、第一光束分离器BS1、第一反射镜M1、接收望远镜(望远镜)和干涉仪。第一光束分离器位于激光发射器所发射的激光光束的光路上，其中，望远镜可以是，但不限于，卡塞格林望远镜。第一光束分离器可以是45°反射镜。第一光束分离器用于将激光发射器发射的激光光束分为参考光束(反射)和测量光束(透射)。第一反射镜位于测量光束的光路上，用于将所述测量光束反射至待测大气中，接收望远镜用于接收光束(参考光束，或者测量光束经过大气弹性散射后射入望远镜的光束)，所述接收望远镜的输出端与所述干涉仪的输入端连接，干涉仪为四通道干涉仪，也就是说所述干涉仪有四个输出光束的通道，四个所述通道的相位差依次为π/2。其中，参考光束可以通过光纤耦合至接收望远镜，接收望远镜与干涉仪之间可以通过光纤连接。
所述激光雷达系统中包括电子设备100，请参见图5，图5是本申请实施例提供的电子设备100的结构示意框图，所述电子设备100包括风速测量装置110，存储器120和处理器130，存储器120和处理器130相互之间直接或间接电性连接，用于实现数据交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述风速测量装置110包括至少一个可以软件或固件(Firmware)的形式存储于所述存储器120中或固化在所述电子设备100的操作系统(Operating System，OS)中的软件功能模块。所述处理器130用于执行所述存储器120中存储的可执行模块，例如所述风速测量装置110所包括的软件功能模块及计算机程序等。
请参照图6，在一种可选的实施方式中，激光发射器与第一光束分离器之间的光路上，可以设置倍频器，所述倍频器用于调整激光发射器出射的激光光束的波长，换句话说，本实施例中可以采用多种波长的激光光束来测量风速。例如，在激光发射器与第一光束分离器之间的光路上，可以依次设置二倍频晶体SHG(Second Harmonic Generation)和三倍频晶体THG(Third Harmonic Generation)。二倍频晶体和三倍频晶体用于对激光光束的波长进行变换。例如，当激光发射器发射的激光光束为1064nm的多纵模激光时，该激光光束通过二倍频晶体和三倍频晶体后，转变为355nm的紫外光。
请继续参照图4或者图6，本实施例中，激光雷达系统还可以包括扫描镜，扫描镜设置于第一反射镜所反射的光束的光路上，用于将第一反射镜反射的光束反射至大气中，以及将从大气射入其的光束反射至接收望远镜。例如，扫描镜反射的激光方向可以与水平风速的方向呈角θ。
在另一种可选的实施方式中，第一光束分离器与激光发射器之间的光路上，还可以设置扩束镜。当第一光束分离器与激光发射器之间的光路上，设置倍频器时，扩束镜可以设置在倍频器和第一光束分离器之间的光路上。例如，当第一光束分离器与激光发射器之间的光路上，设置二倍频晶体和三倍频晶体时，扩束镜可以设置在三倍频晶体和第一光束分离器之间的光路上。扩束镜可以扩大透过其的激光光束从而减小激光光束的发散角。干涉仪是具有四通道输出的干涉仪，例如，干涉仪可以采用迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗标准具干涉仪、马赫-泽德干涉仪等等。需要说明的是，本实施例中，干涉仪的透过率函数的周期与激光多纵模模式之间匹配。
当干涉仪是四通道的马赫-泽德干涉仪时，干涉仪中包括第二光束分离器BS2、第二反射镜M2、四分之一波片QWP(Quarter Wave Plate)、第三反射镜M3和第三光束分离器BS3，使得该干涉仪形成两条光学臂。第二光束分离器与接收望远镜中出射光束所在光路呈45°夹角，第二反射镜位于第二光束分离器反射光束的光路上并与第二光束分离器平行，第二反射镜反射光束的光路上设置第三光束分离器，第三反射镜与第二反射镜轴对称，第二反射镜和第三反射镜之间的光路还设置四分之一波片。第二光束分离器的透射光束所在光路上设置第三光束分离器，第三光束分离器与第二光束分离器轴对称。入射至第二光束分离器上的光束的反射光束和透射光束经过干涉仪的两条光学臂后在第三光束分离器上相交并发生干涉，得到两束干涉光信号。四分子一波片可以使两条光学臂上的两束光存在1/4(波长π/2)的相位差。
本实施例中，可以在两束干涉光信号的光路上分别设置一个偏振棱镜，例如，可以设置第一双折射偏振棱镜GP1和第二双折射偏振棱镜GP2，每个偏振棱镜都能够将入射至其上的光束分为相位差为π/2的两束光束。需要说明的是，本实施例中，偏振棱镜是双折射晶体，双折射晶体该会使入射光分解为o光(寻常光)和e光(非寻常光)，因在晶体内垂直于光轴传播，所以o光和e光的传播速度不同，这样出射方向不同的o光和e光就有了附加相位差，最终由两个偏振棱镜的光束的出射方向上形成四个通道，四个通道上光束的相位差为π/2。偏振棱镜可以是格兰偏振棱镜(Glan Polarizer，GP)、尼科耳棱镜、沃拉斯顿棱镜以及其他形式的偏振棱镜。
在马赫-泽德干涉仪中，第二反射镜和第三反射镜可以分别设置在压电陶瓷上，从而通过压电陶瓷来调整干涉仪的光程差，使马赫-泽德干涉仪的光程差等于激光谐振腔长度的两倍，这样就可以满足马赫-泽德干涉仪透过率函数的周期与激光多纵模模式之间的匹配关系。
本实施例中，还可以在干涉仪和接收望远镜之间设置窄带干涉滤光片IF(Interference Filter)，窄带干涉滤光片可以在白天探测时有效抑制太阳背景光以减少回波信号(回波光束)中的背景噪声，提高系统探测的信噪比。
所述激光雷达系统还可以包括分别设置在各个通道上的光电探测器件PD(PhotonDetector)，光电探测器件包括，但不限于，包含光电倍增管PMT(Photomultiplier)，还包含雪崩光电二极管APD、光电二极管PD(Photo-Diode)等光电转换器件等。光电探测器件的具体类型可以根据激光雷达系统所采用的波长进行选择。所述光电探测器件可以检测每个通道上的光线强度，从而得到表征光线强度的电信号。其中，第一个通道上可以设置光电探测器件PD1，第二个通道上可以设置光电探测器件PD2，第三个通道上可以设置光电探测器件PD3，第四个通道上可以设置光电探测器件PD4。
例如，第一个通道上可以设置光电倍增管PMT1，第二个通道上可以设置光电倍增管PMT2，第三个通道上可以设置光电倍增管PMT3，第四个通道上可以设置光电倍增管PMT4。
所述激光雷达系统还可以包括数据采集及数据处理系统，所述数据采集系统包含模拟探测方式的A/D数据采集卡以及光子计数探测方式的光子计数系统。数据采集及数据处理系统的四个输入通道分别对应连接一个光电探测器件，用于接收对应光电探测器件输出的电信号。例如，数据采集及数据处理系统可以是示波器，所述示波器的四个输入通道分别对应连接一个光电倍增管，用于接收对应光电倍增管输出的电信号。多纵模脉冲激光器多纵模脉冲激光器多纵模脉冲激光器。
本实施例中，还可以在第一光束分离器的反射光束与耦合该光束的光纤之间设置聚焦透镜L1，还可以在接收望远镜与干涉仪之间设置聚焦透镜L2，在第一个通道上设置聚焦透镜L3，在第二个通道上设置聚焦透镜L4，在第三个通道上设置聚焦透镜L5，在第四个通道上设置聚焦透镜L6。各个聚焦透镜的作用都是用于将平行光汇聚至一点。
在上述的激光雷达系统中，当激光发射器出射的光束为1064nm时，多纵模脉冲激光器的三倍频晶体输出355nm，马赫-泽德干涉仪四个通道的透过率函数与激光出射的激光光束的相位、多纵模大气弹性散射光谱的多普勒频移之间的关系分别如图7和图8所示。
本实施例中，多纵模脉冲激光器的三倍频输出355nm作为激励波长，可以抑制太阳背景光以实现全天时大气风场测量，例如，可以采用光学抑制与算法滤噪相结合的方法来抑制太阳背景光。此时，在激光发射器线宽为1cm-1(30GHz)和谐振腔长度为50cm的条件下，辐射线宽内的纵模个数为101。
为了解决现有技术存在的问题，本申请实施例还提供一种应用于上述激光雷达系统的风速测量方法。
请参照图9所示，图9是本申请实施例提供的风速测量方法的流程示意图，所述方法包括步骤S110-步骤S180。
步骤S110，控制所述激光发射器发射激光光束。其中，所述激光光束可以是脉冲激光。
步骤S120，控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束。
步骤S130，获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率。
步骤S140，根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位。
步骤S150，控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束包括激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后，传播至所述接收望远镜的光束。
步骤S160，获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率。
步骤S170，根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位。
回波光束的功率是回波光束中的大气弹性散射部分的光束的功率。
步骤S180，获取大气的目标风速。
具体地，根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
本申请实施例的提供的风速测量方法及风速测量装置110，在可以对激光光束进行分离的激光雷达系统中，通过激光发射器发射多纵模激光，然后分别通过干涉仪来对分离后的参考光束以及测量光束对应的回波光束进行采集，计算出参考光束的参考相位、回波光束的测量相位，从而根据参考相位和测量相位来进行获取目标风速，由于整个过程中，采用的是多纵模的激光来获取目标风速，可以采用包含不同成分的大气弹性散射光束进行风速测量，因此，不需要采用高精度的鉴频器来鉴别大气弹性散射光谱中的米散射光谱和瑞利散射光谱，因此，同样能够使得整个风速测量的过程更加简单，可以简化测量大气风速的技术难度。
此外，脉冲激光器的单纵模输出只有单个纵模的能量输出，多纵模输出则具备多个纵模的能量输出。当单纵模和多纵模激光光束与大气中的气溶胶和分子微粒发生弹性碰撞产生回波能量被望远镜接收时，单纵模情况下的回波能量是单个纵模的弹性散射光谱，多纵模则是多个单纵模的弹性散射光谱的叠加，在系统噪音一定的情况下，多纵模激光的大气弹性散射回波信号增强，可以极大的提高信噪比。
可以理解的是，本实施例中，步骤S150中，与回波光束一同被望远镜接收的还包括太阳光背景光束，太阳光背景光束相对回波光束而言属于噪声信号。本实施例中，射入第一光束分离器的激光光束可以是近红外光、可见光或者紫外光中的任何一种。
本实施例中，当激光雷达系统中设置有二倍频晶体和三倍频晶体时，脉冲激光器的三倍频输出355nm作为激励波长，从而可以有效抑制太阳光，提高测量系统的信噪比，具体地，可以采用光学抑制与算法滤噪相结合的方法抑制太阳背景光，从而可以实现全天时大气风场测量。
可选地，当激光雷达系统中包括有光电探测器件时，所述获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，包括，获取每个所述第一子光束经过所述光电倍增管转换后的电信号；根据所述电信号获得所述第一子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第一子光束的功率。
本实施例用于具体获取参考光束在每个通道中的功率大小。
可选地，本实施例中，所述获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率，包括，获取每个所述第二子光束经过所述光电倍增管转换后的电信号；根据所述电信号获得所述第二子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第二子光束的功率。
本实施例用于获取各个通道中回波光束的功率大小，即第二子光束的功率。
可选地，本实施例中，根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位的步骤包括，获取每个所述通道中第一子光束的谱线宽度；针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道第一子光束的谱线宽度获取该通道的第一干涉对比度，所述第一干涉对比度的计算公式为：
根据每个通道对应第一子光束的功率、每个通道的第一干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算参考相位，参考相位根据以下公式计算获得：
Q1(r)＝q11(r)+jq12(r)
其中，i为通道的序号，i＝1，2，3，4；c为光速；m1i为第一干涉对比度，即第i个通道相对参考光束的干涉对比度；r为激光与大气中微粒的距离，当激光分光后直接进入大气时，r＝0；u1i为第i个通道中第一子光束的谱线宽度，OPD为干涉仪的两个光学臂的光程差；Q1(r)为与参考光束对应的中间参数，q11(r)为Q1(r)的实部，q12(r)为Q1(r)的虚部，j为虚数，P1i(r)为第i个通道的第一子光束的功率，Φs(r)为激光光束的参考相位，即没有多普勒信息的多纵模激光光束的相位，也是参考光束的相位。ai表示第i通道的灵敏度，ai将对四个通道的能量与参考光束对比可求得。
可选地，本实施例中，所述根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位，包括，获取每个所述通道中第二子光束的谱线宽度；针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道的第二子光束的谱线宽度获取该通道的第二干涉对比度，所述第二干涉对比度的计算公式为：
根据每个所述通道对应的第二子光束的功率、每个通道的第二干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算测量相位，测量相位根据以下公式计算获得：
Q2(r)＝q21(r)+jq22(r)
其中，m2i为第二干涉对比度，即第i个通道相对回波光束的干涉对比度；u2i为第i个通道中第二子光束的谱线宽度，P(r)为大气弹性散射的回波光束的总功率，P0为激光发射功率，r'为激光与大气中微粒之间的距离变量，C为激光雷达系统常数，βa为大气气溶胶后向散射系数，βm为大气分子后向散射系数，αa为大气气溶胶消光系数，αm为大气分子消光系数，R1为大气气溶胶米散射占大气回波信号的强度R2为大气分子瑞利散射占大气回波信号的强度，R1＝1-1/Ra，R2＝1/Ra，|γa(τ)|为气溶胶米散射光谱的复相干度，|γm(τ)|为大气分子瑞利散射光谱的复相干度，|γ(τ，r)|为大气弹性散射光谱的复相干度，P2i(r)为第i个通道中第二子光束的功率，δi为第i个通道的相位偏差；v为光谱频率，Q2(r)为与回波光束对应的中间参数，q21(r)为Q2(r)的实部，q22(r)为Q2(r)的虚部，j为虚数，Φr(r)为回波光束的测量相位，即包含多普勒信息的大气弹性散射光谱的相位，τ为干涉仪的仪器参数。
本实施例中，充分利用了在多纵模激光光束作为激励光束的情况下，回波光束在各个通道中的分布与大气弹性散射回波光束的总功率之间的关系，巧妙地计算出了回波光束的相位。
由于光学器件存在一定的瑕疵，以及偏振镜分离产生的光束的相位并不是严格的π/2，所以可能存在一定的相位偏差，第i个通道的相位偏差就是δi。因此，本实施例中，在计算各个通道中的功率时，加上通道的相位偏差，能够提高数据反演精度，进而提高风速测量结果的精度。
当不考虑通道中的相位偏差时，可以将每个通道对应的δi取0。
可选地，本实施例中，当激光雷达系统还包括数据采集及数据处理系统时，所述方法还包括，通过数据采集及数据处理系统获取所述光电倍增管转换后的电信号。
数据采集及数据处理系统是示波器时，还可以根据所述电信号显示对应的波形。
请参照图10所示，本申请的实施例还提供一种可应用于上述激光雷达系统的风速测量装置110，所述风速测量装置110包括发射控制模块111、接收控制模块112、功率获取模块113、相位获取模块114和计算模块115。风速测量装置110包括一个可以软件或固件的形式存储于所述存储器120中或固化在所述电子设备100的操作系统(Operating System，OS)中的软件功能模块。
发射控制模块111，用于控制所述激光发射器发射激光光束。
本实施例中的发射控制模块111用于执行步骤S110，关于所述发射控制模块111的具体描述可参照对所述步骤S110的描述。
接收控制模块112，用于控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束，以及控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束为激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后传播至所述接收望远镜的光束。
本实施例中的接收控制模块112用于执行步骤S120、步骤S150，关于所述接收控制模块112的具体描述可参照对所述步骤S120、步骤S150的描述。
功率获取模块113，用于获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，以及获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率。
本实施例中的功率获取模块113用于执行步骤S130、步骤S160，关于所述功率获取模块113的具体描述可参照对所述步骤S130、步骤S160的描述。
相位获取模块114，用于根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位，以及根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位。
本实施例中的相位获取模块114用于执行步骤S140、步骤S170，关于所述相位获取模块114的具体描述可参照对所述步骤S140、步骤S170的描述。
计算模块115，用于根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
本实施例中的计算模块115用于执行步骤S180，关于所述计算模块115的具体描述可参照对所述步骤S180的描述。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种风速测量方法，其特征在于，应用于激光雷达系统，所述激光雷达系统包括多纵模脉冲激光器、第一光束分离器、第一反射镜、接收望远镜和干涉仪，所述第一光束分离器用于将激光发射器发射的激光光束分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜用于将所述测量光束反射至待测大气中，所述接收望远镜用于接收光束，所述接收望远镜的输出端与所述干涉仪的输入端连接，所述干涉仪有四个输出光束的通道，四个所述通道的相位差依次为π/2，所述方法包括：
控制所述激光发射器发射激光光束；
控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束；
获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率；
根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位；
控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束为激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后，传播至所述接收望远镜的光束；
获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率；
根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位；
根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光雷达系统还包括分别设置在每个通道上的光电探测器件，所述光电探测器件用于检测对应通道中光束的光线强度；所述获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，包括：
获取每个所述第一子光束经过所述光电探测器件转换后的电信号；
根据所述电信号获得所述第一子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第一子光束的功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率，包括：
获取每个所述第二子光束经过所述光电探测器件转换后的电信号；
根据所述电信号获得所述第二子光束的光线强度，根据所述光线强度获得所述第二子光束的功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位的步骤包括：
获取每个所述通道中第一子光束的谱线宽度；
针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道的第一子光束的谱线宽度获取该通道的第一干涉对比度，所述第一干涉对比度的计算公式为：
根据每个通道对应第一子光束的功率、每个通道的第一干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算参考相位，参考相位根据以下公式计算获得：
Q1(r)＝q11(r)+jq12(r)
其中，i为通道的序号，i＝1，2，3，4；c为光速；m1i为第一干涉对比度，即第i个通道相对参考光束的干涉对比度；r为激光与大气中微粒的距离，当激光分光后直接进入接收望远镜时，r＝0；u1i为第i个通道中第一子光束的谱线宽度，OPD为干涉仪的两个光学臂的光程差；Q1(r)为与参考光束对应的中间参数，q11(r)为Q1(r)的实部，q12(r)为Q1(r)的虚部，j为虚数，P1i(r)为第i个通道的第一子光束的功率，Φs(r)为激光光束的参考相位，ai表示第i个通道的灵敏度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位，包括：
获取每个所述通道中第二子光束的谱线宽度；
针对每个通道，根据光速、干涉仪的光程差以及对应该通道的第二子光束的谱线宽度获取该通道的第二干涉对比度，所述第二干涉对比度的计算公式为：
根据每个所述通道对应的第二子光束的功率、每个通道的第二干涉对比度以及每个所述通道的灵敏度计算测量相位，测量相位根据以下公式计算获得：
Q2(r)＝q21(r)+jq22(r)
其中，m2i为第二干涉对比度，即第i个通道相对回波光束的干涉对比度；u2i为第i个通道中第二子光束的谱线宽度，P(r)为大气弹性散射的回波光束的总功率，P0为激光发射功率，r'为激光与大气中微粒之间的距离变量，C为激光雷达系统常数，βa为大气气溶胶后向散射系数，βm为大气分子后向散射系数，αa为大气气溶胶消光系数，αm为大气分子消光系数，R1为大气气溶胶米散射占大气回波信号的强度，R2为大气分子瑞利散射占大气回波信号的强度，R1＝1-1/Ra，R2＝1/Ra，|γa(τ)|气溶胶米散射光谱的复相干度，|γm(τ)|指大气分子瑞利散射光谱的复相干度，|γ(τ，r)|为大气弹性散射光谱的复相干度，P2i(r)为第i个通道中第二子光束的功率，δi为第i个通道的相位偏差；v为光谱频率，Q2(r)为与回波光束对应的中间参数，q21(r)为Q2(r)的实部，q22(r)为Q2(r)的虚部，Φr(r)为回波光束的测量相位，τ为干涉仪的仪器参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光雷达系统还包括数据采集及数据处理系统，所述数据采集及数据处理系统的四个输入通道分别对应连接一个光电探测器件，用于接收对应光电探测器件输出的电信号；
所述方法还包括，通过数据采集及数据处理系统获取所述光电探测器件转换后的电信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉仪为马赫泽德干涉仪，所述马赫泽德干涉仪包括第二光束分离器、第二反射镜、四分之一波片、第三反射镜以及第三光束分离器，所述第三光束分离器的两个光路上分别设置有第一双折射偏振棱镜和第二双折射偏振棱镜，其中，所述干涉仪通过所述四分之一波片、所述第一双折射偏振棱镜和所述第二双折射偏振棱镜实现四通道输出。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光雷达系统还包括倍频器，所述倍频器设置在所述激光发射器和所述第一光束分离器之间，所述倍频器用于调整激光发射器出射的激光光束的波长。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光雷达系统还包括扩束镜，所述扩束镜设置在所述激光发射器和所述第一光束分离器之间。
10.一种风速测量装置，其特征在于，应用于激光雷达系统，所述激光雷达系统包括多纵模的激光发射器、第一光束分离器、第一反射镜、接收望远镜和干涉仪，所述第一光束分离器用于将激光发射器发射的激光光束分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜用于将所述测量光束反射至待测大气中，所述接收望远镜用于接收光束，所述接收望远镜的输出端与所述干涉仪的输入端连接，所述干涉仪有四个输出光束的通道，四个所述通道的相位差依次为π/2，所述装置包括：
发射控制模块，用于控制所述激光发射器发射激光光束；
接收控制模块，用于控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的参考光束，以及控制所述接收望远镜接收所述激光光束对应的回波光束，其中，所述回波光束为激光光束对应的测量光束经大气弹性散射后传播至所述接收望远镜的光束；
功率获取模块，用于获取所述激光光束对应的参考光束在每个所述通道中的第一子光束的功率，以及获取所述回波光束在每个所述通道的第二子光束的功率；
相位获取模块，用于根据每个所述第一子光束的功率获取所述激光光束的参考相位，以及根据每个所述第二子光束的功率以及所述回波光束的功率获取所述回波光束的测量相位；
计算模块，用于根据所述参考相位、所述测量相位、所述干涉仪的光程差、所述激光光束的中心频率以及光速获得大气的目标风速。
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-
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