CN111624581A - 一种相干测风激光雷达径向风速校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，包括雷达发射装置、光线调整器、探测器、数据采集卡和光纤耦合器；雷达发射装置用于发射参考激光，光线调整器用于接收第一预设强度的参考激光；光线调整器包括光纤衰减器和光移频器，参考激光依次经过光纤衰减器和光移频器以将参考激光调制成预设的模拟激光；光纤耦合器的一路输入光纤用于输入模拟激光；另一路输入光纤用于输入第二预设强度的参考激光；光纤耦合器用于将参考激光和模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至探测器；探测器用于将待检测激光转换为电信号。光移频器与光纤衰减器可以模拟不同的探测距离和不同的天气条件下以及不同风况的大气回波信号，从而测量雷达精度。

Description

一种相干测风激光雷达径向风速校准装置

技术领域

本发明涉及测风激光雷达技术领域，特别是涉及一种相干测风激光雷达径向风速校准装置。

背景技术

相干测风激光雷达通过检测移动目标对于探测激光的多普勒频移进行径向风速的测量，径向风速的测量精度与信噪比和移动目标的速度都有关系，目标与雷达的相对距离以及天气情况都会引起信噪比的变化，同时不同目标物体的移动速度也不同。

目前相干测风激光雷达的测速精度主要是由于雷达对于不同能量和不同频率的回波信号的频谱分析得到的，不同能量的回波信号会造成雷达探测的信噪比下降造成测速精度的降低，不同的频移回波信号，检验系统的检频带宽，不同的风速对应不同的频谱，就要求不同的系统带宽，想要全部模拟真实的雷达测速精度和性能需要对于回波进行不同的衰减以及回波的频率进行相应的移动。

传统的方法往往采用整机测量硬靶的方式，首先需要选择不同位置和不同反射率的硬靶信号，同时需要不同运动速度的硬靶信号，因此，校准的流程和设施非常的复杂，一种简单可靠的测量方式的需求十分迫切，所以如何提供一种快速精准的测量相干测风激光雷达精度的方式是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，可以快速精准的测量相干测风激光雷达的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，包括雷达发射装置、光线调整器、探测器、数据采集卡和光纤耦合器；

所述雷达发射装置用于发射参考激光，所述光线调整器用于接收第一预设强度的所述参考激光；所述光线调整器包括光纤衰减器和光移频器，所述参考激光依次经过所述光纤衰减器和所述光移频器以将所述参考激光调制成预设的模拟激光；

所述光纤耦合器包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路所述输入光纤与所述光线调整器连接以输入所述模拟激光；另一路所述输入光纤与所述雷达发射装置连接以输入第二预设强度的所述参考激光；所述光纤耦合器的输出光纤与所述探测器连接，所述光纤耦合器用于将所述参考激光和所述模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至所述探测器；

所述探测器用于将所述待检测激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述数据采集卡；所述数据采集卡用于将所述电信号转换为风场回波数据。

可选的，还包括雷达发射望远镜和耦合透镜组；

所述雷达发射装置用于向所述雷达发射望远镜发射所述参考激光；所述耦合透镜组用于将所述雷达发射望远镜输出的所述参考激光中，强度为第一预设强度的参考激光耦合进所述光线调整器。

可选的，还包括控制器，所述控制器与所述光纤衰减器连接；

所述控制器用于调节所述光纤衰减器的衰减系数。

可选的，还包括信号发生器，所述控制器与所述信号发生器连接，所述信号发生器与所述光移频器连接；

所述控制器用于通过所述信号发生器向所述光移频器发送预设频率的控制电信号，以通过所述控制电信号调节所述光移频器内传输激光的频率。

可选的，所述光移频器为光学晶体调制器，所述信号发生器为波型发生器。

可选的，所述数据采集卡与所述控制器连接；

所述控制器用于：

通过所述数据采集卡获取所述风场回波数据；

对比所述风场回波数据与历史回波数据，以获取相干测风激光雷达的平均偏差值和标准偏差值。

本发明所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，包括雷达发射装置、光线调整器、探测器、数据采集卡和光纤耦合器；雷达发射装置用于发射参考激光，光线调整器用于接收第一预设强度的参考激光；光线调整器包括光纤衰减器和光移频器，参考激光依次经过光纤衰减器和光移频器以将参考激光调制成预设的模拟激光；光纤耦合器包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路输入光纤与光线调整器连接以输入模拟激光；另一路输入光纤与雷达发射装置连接以输入第二预设强度的参考激光；光纤耦合器的输出光纤与探测器连接，光纤耦合器用于将参考激光和模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至探测器；探测器用于将待检测激光转换为电信号，并将电信号发送至数据采集卡；数据采集卡用于将电信号转换为风场回波数据。

通过光移频器可以调节内部传输激光的频率，从而模拟不同风速的大气回波信号；再通过调节光纤衰减器的参数可以将传输的激光进行定量的衰减，从而模拟不同的探测距离和不同的天气条件下以及不同风况的大气回波信号。整套装置可以实现不同大气回波强度的模拟以及不同风速移频的模拟，避免了雷达整机系统在进行校准时需要将雷达的整机发射光束照射不同位置硬目标的繁琐操作，可以快速精准的测量相干测风激光雷达的精度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置的结构框图；

图2为本发明实施例所提供的一种具体的相干测风激光雷达径向风速校准装置的结构框图。

图中：1.雷达发射装置、2.光线调整器、21.光纤衰减器、22.光移频器、3.光纤耦合器、4.探测器、5.数据采集卡、6.雷达发射望远镜、7.耦合透镜组、8.控制器、9.信号发生器。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种相干测风激光雷达径向风速校准装置。在现有技术中，往往采用整机测量硬靶的方式，首先需要选择不同位置和不同反射率的硬靶信号以模拟不同的探测距离和不同的天气条件；同时需要不同运动速度的硬靶信号以模拟不同的风速。因此，校准的流程和设施非常的复杂。

而本发明所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，包括雷达发射装置、光线调整器、探测器、数据采集卡和光纤耦合器；雷达发射装置用于发射参考激光，光线调整器用于接收第一预设强度的参考激光；光线调整器包括光纤衰减器和光移频器，参考激光依次经过光纤衰减器和光移频器以将参考激光调制成预设的模拟激光；光纤耦合器包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路输入光纤与光线调整器连接以输入模拟激光；另一路输入光纤与雷达发射装置连接以输入第二预设强度的参考激光；光纤耦合器的输出光纤与探测器连接，光纤耦合器用于将参考激光和模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至探测器；探测器用于将待检测激光转换为电信号，并将电信号发送至数据采集卡；数据采集卡用于将电信号转换为风场回波数据。

通过光移频器可以调节内部传输激光的频率，从而模拟不同风速的大气回波信号；再通过调节光纤衰减器的参数可以将传输的激光进行定量的衰减，从而模拟不同的探测距离和不同的天气条件下以及不同风况的大气回波信号。整套装置可以实现不同大气回波强度的模拟以及不同风速移频的模拟，避免了雷达整机系统在进行校准时需要将雷达的整机发射光束照射不同位置硬目标的繁琐操作，可以快速精准的测量相干测风激光雷达的精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置的结构框图。

参见图1，在本发明实施例中，相干测风激光雷达径向风速校准装置包括雷达发射装置1、光线调整器2、探测器4、数据采集卡5和光纤耦合器3；所述雷达发射装置1用于发射参考激光，所述光线调整器2用于接收第一预设强度的所述参考激光；所述光线调整器2包括光纤衰减器21和光移频器22，所述参考激光依次经过所述光纤衰减器21和所述光移频器22以将所述参考激光调制成预设的模拟激光；所述光纤耦合器3包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路所述输入光纤与所述光线调整器2连接以输入所述模拟激光；另一路所述输入光纤与所述雷达发射装置1连接以输入第二预设强度的所述参考激光；所述光纤耦合器3的输出光纤与所述探测器4连接，所述光纤耦合器3用于将所述参考激光和所述模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至所述探测器4；所述探测器4用于将所述待检测激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述数据采集卡5；所述数据采集卡5用于将所述电信号转换为风场回波数据。

上述雷达发射装置1为相干测风激光雷达中用于产生激光的装置，即相干测风激光雷达向外界发射激光的装置，该雷达发射装置1可以向外界发射初始的参考激光。有关雷达发射装置1的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述光线调整器2会接收第一预设强度的参考激光，即部分参考激光，以对该部分参考激光的强度及其频率进行调整。具体的，在本发明实施例中光线调整器2包括光纤衰减器21和光移频器22，其中光纤衰减器21可以定量的调节光束通过该装置的衰减，定制透过率，从而对探测距离进行模拟；而光移频器22可以对内部传输的激光进行频率调制，可以精确产生已知速度的多普勒频移激光信号，从而对风速进行模拟。

通常情况下，在使用过程中上述进入光线调整器2的参考激光会依次经过上述光纤衰减器21和光移频器22，例如先经过光纤衰减器21对其参考激光进行定量衰减，以模拟不同信噪比的回波信号；再经过光移频器22对参考激光进行频率的模拟，以模拟不同高精度已知频率的回波信号，从而实现对参考激光的调制，将该参考激光调制成模拟激光，该模拟激光具体可以模拟不同的探测距离和不同的天气条件下的大气回波信号，从而避免在实际场景中通过移动硬靶的方式模拟不同的探测距离和不同的天气条件下的大气回波信号。

需要说明的是，对于上述光纤衰减器21和光移频器22来说，其在使用过程中具体调节的参数需要根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。

上述光纤耦合器3包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，该两路输入光纤的一路用于输入上述模拟激光，而另一路输入光纤会与雷达发射装置1来接，来导入第二预设强度的参考激光。在光纤耦合器3内，参考激光会与模拟激光进行混频，从而使得参考激光可以携带上述模拟激光所模拟的不同距离、不同天气情况的信息，使得该光纤耦合器3的输出光纤所输出的待检测激光为相干测风激光雷达在不同气相条件、不同探测距离下所接收的激光信号。

在本发明实施例中，光纤耦合器3的输出光纤以探测器4连接，该探测器4可以将上述待检测激光转换为电信号，有关探测器4的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。上述探测器4会与数据采集卡5连接，该数据采集卡5会对探测器4生成的电信号进行采集分析，从而形成初步的风场回波数据，以便工作人员可以根据该风场回波数据对相干测风激光雷达进行校准。

本发明实施例所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，包括雷达发射装置1、光线调整器2、探测器4、数据采集卡5和光纤耦合器3；雷达发射装置1用于发射参考激光，光线调整器2用于接收第一预设强度的参考激光；光线调整器2包括光纤衰减器21和光移频器22，参考激光依次经过光纤衰减器21和光移频器22以将参考激光调制成预设的模拟激光；光纤耦合器3包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路输入光纤与光线调整器2连接以输入模拟激光；另一路输入光纤与雷达发射装置1连接以输入第二预设强度的参考激光；光纤耦合器3的输出光纤与探测器4连接，光纤耦合器3用于将参考激光和模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至探测器4；探测器4用于将待检测激光转换为电信号，并将电信号发送至数据采集卡5；数据采集卡5用于将电信号转换为风场回波数据。

通过光移频器22可以调节内部传输激光的频率，从而模拟不同风速的大气回波信号；再通过调节光纤衰减器21的参数可以将传输的激光进行定量的衰减，从而模拟不同的探测距离和不同的天气条件下以及不同风况的大气回波信号。整套装置可以实现不同大气回波强度的模拟以及不同风速移频的模拟，避免了雷达整机系统在进行校准时需要将雷达的整机发射光束照射不同位置硬目标的繁琐操作，可以快速精准的测量相干测风激光雷达的精度。

有关本发明所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种具体的相干测风激光雷达径向风速校准装置的结构框图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对相干测风激光雷达径向风速校准装置的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，还包括雷达发射望远镜6和耦合透镜组7；所述雷达发射装置1用于向所述雷达发射望远镜6发射所述参考激光；所述耦合透镜组7用于将所述雷达发射望远镜6输出的所述参考激光中，强度为第一预设强度的参考激光耦合进所述光线调整器2。

在本发明实施例中不仅仅可以对相干测风激光雷达中用于产生激光的雷达发射装置1进行校准，还可以进一步对整个相干测风激光雷达进行校准。具体的，相干测风激光雷达通常需要设置雷达发射望远镜6，雷达发射装置1具体会向雷达发射望远镜6发射参考激光，此时雷达发射望远镜6相当于相干测风激光雷达的激光出光口，该雷达发射望远镜6会将参考激光变换为平行光。上述耦合透镜组7可以将部分参考激光，即强度为第一预设强度的参考激光进行聚焦耦合，当该部分参考激光耦合进光线调整器2以生成模拟激光。有关雷达发射望远镜6以及耦合透镜组7的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。通过耦合透镜组7从雷达发射望远镜6处耦合出部分参考激光，相当于耦合出部分从整个相干测风激光雷达向外界射出的参考激光，从而实现对整个相干测风激光雷达进行校准。

在本发明实施例中，还包括控制器8，所述控制器8与所述光纤衰减器21连接；所述控制器8用于调节所述光纤衰减器21的衰减系数。

在本发明实施例中，具体可以通过控制器8向光纤衰减器21输入特定的电信号以精确控制光纤衰减器21的衰减系数，从而可以精确模拟出不同探测距离对激光的影响。

进一步的，在本发明实施例中，还包括信号发生器9，所述控制器8与所述信号发生器9连接，所述信号发生器9与所述光移频器22连接；所述控制器8用于通过所述信号发生器9向所述光移频器22发送预设频率的控制电信号，以通过所述控制电信号调节所述光移频器22内传输激光的频率。

上述控制器8除了可以控制光纤衰减器21的衰减系数之外，可以通过信号发生器9控制光移频器22内激光具体的频率。上述控制器8可以通过信号发生器9向光移频器22发送预设频率的控制电信号，而光移频器22会根据控制电信号精确的调节光移频器22内传输激光的频率。通常情况下，上述光移频器22为光学晶体调制器，而信号发生器9为波型发生器。控制器8可以控制波型发生器输出不同频率的微波信号驱动光学晶体进行移频，而光学晶体调制器则可以根据输入微波频率的变化对内部传输的激光进行相应的频率调制。

在本发明实施例中，处理器同时还可以与数据采集卡5连接，即所述数据采集卡5与所述控制器8连接；所述控制器8用于：通过所述数据采集卡5获取所述风场回波数据；对比所述风场回波数据与历史回波数据，以获取相干测风激光雷达的平均偏差值和标准偏差值。

上述数据采集卡5可以将探测器4所测得的电信号转换为风场回波信号，而控制器8可以分析该风场回波信号，具体的会对比本次获取的风场回波数据与预先存储的历史回波数据，以获取相干测风激光雷达的平均偏差值和标准偏差值。有关平均偏差值和标准偏差值具体的计算过程可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

在实际测量之前，操作人员需要预先确定多个光纤衰减器21的衰减系数以模拟多种距离下获取的激光信号；同时预先确定多种风速所对应的多普勒频移激光信号，并确定上述信号发生器9所对应控制电信号的频率。在实际测量过程汇总，操作人员会通过控制器8，依据上述衰减系数以及控制电信号的频率分别对光纤衰减器21以及光移频器22进行控制，以输出预设频率，预设强度的模拟激光，并最终实现对相干测风激光雷达性能的校正。

本发明实施例所提供的一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，通过控制器8可以方便快捷的调整光纤衰减器21和光移频器22的参数，从而可以快速的实现相干测风激光雷达精度的测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

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一种种相干测风激光雷达径向风速校准装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种相干测风激光雷达径向风速校准装置，其特征在于，包括雷达发射装置、光线调整器、探测器、数据采集卡和光纤耦合器；

所述雷达发射装置用于发射参考激光，所述光线调整器用于接收第一预设强度的所述参考激光；所述光线调整器包括光纤衰减器和光移频器，所述参考激光依次经过所述光纤衰减器和所述光移频器以将所述参考激光调制成预设的模拟激光；

所述光纤耦合器包括至少两路输入光纤以及至少一路输出光纤，一路所述输入光纤与所述光线调整器连接以输入所述模拟激光；另一路所述输入光纤与所述雷达发射装置连接以输入第二预设强度的所述参考激光；所述光纤耦合器的输出光纤与所述探测器连接，所述光纤耦合器用于将所述参考激光和所述模拟激光混频，并将混频后的待检测激光传输至所述探测器；

所述探测器用于将所述待检测激光转换为电信号，并将所述电信号发送至所述数据采集卡；所述数据采集卡用于将所述电信号转换为风场回波数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括雷达发射望远镜和耦合透镜组；

所述雷达发射装置用于向所述雷达发射望远镜发射所述参考激光；所述耦合透镜组用于将所述雷达发射望远镜输出的所述参考激光中，强度为第一预设强度的参考激光耦合进所述光线调整器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述光纤衰减器连接；

所述控制器用于调节所述光纤衰减器的衰减系数。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括信号发生器，所述控制器与所述信号发生器连接，所述信号发生器与所述光移频器连接；

所述控制器用于通过所述信号发生器向所述光移频器发送预设频率的控制电信号，以通过所述控制电信号调节所述光移频器内传输激光的频率。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光移频器为光学晶体调制器，所述信号发生器为波型发生器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据采集卡与所述控制器连接；

所述控制器用于：

通过所述数据采集卡获取所述风场回波数据；

对比所述风场回波数据与历史回波数据，以获取相干测风激光雷达的平均偏差值和标准偏差值。

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