CN113447955B - 一种气象探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种基于相位移频器和相干外差检测技术的瑞利散射气象激光雷达，包括种子激光器、脉冲开关、光放大器、倍频器、光学收发天线、IQ调制器、光纤合束器、平衡探测器、移频控制电路、采集处理电路，本发明采用相干外差检测方式来检测信号且外差检测的本振光信号由相位移频器输出，具备可变化的频移量，从而可对瑞利散射的多普勒频移谱进行精密测量，最终可同时得到目标大气的径向速度、温度、密度信息。

Description

一种气象探测激光雷达

技术领域

本发明属于气象激光雷达领域，特别涉及一种气象探测激光雷达。

背景技术

气象激光雷达是指通过发射激光能量来主动探测大气的温度、湿度、风场等气象要素的遥感探测设备，激光与大气的相互作用过程非常多，在低能级条件下主要有以下几个类型：布里渊散射、气溶胶米散射、分子拉曼散射、分子瑞利散射，利用不同的作用过程进行探测可获得丰富的大气要素信息。例如米散射可用来获得能见度、风速等信息，拉曼散射可用来获得大气成分、温度等信息。此处讨论的是分子瑞利散射。

由于空气分子的运动速度分布符合麦克斯韦—玻尔兹曼速度分布律，因此光子与分子的弹性碰撞过程也存在符合该分布律的多普勒频移分布，故而气体速度的分布是直接与气体温度相关联的，亦即瑞利散射的多普勒频移呈现钟形。瑞利谱反应了多个大气参数，其中心位置反应了径向风速的信息；面积反应了密度信息；形状还反应了温度信息，温度变化时钟形分布的面积不变，高温时钟形会变宽变低，低温时钟形会变窄变高。因此如果能够获得完备的瑞利谱，就可获得多种大气参数。

由于分子运动的平均速度达到近500米/秒，因此瑞利散射的谱宽会比较宽，在532nm波长激光照射下，常温气体的FWHM会有3GHz左右的宽度。用F-P干涉仪扫描得到瑞利散射的多普勒谱形状后就可以得到气体的多种信息。但在大气低层，由于存在气溶胶，瑞利谱往往叠加有高出瑞利散射能量2-3个数量级的米散射信号，这就使得直接用F-P干涉仪进行扫描检测仅仅能适用于3万米以上的高空，因为只有在这一高度以上才一般不存在气溶胶干扰。为了能够在低空使用瑞利散射来进行测温，目前已有的尝试是设计极窄的陷波方案来滤除位于发射波长附近的气溶胶信号。例如使用碘分子超精细吸收线来设计吸收池，并调谐发射波长与之匹配，使得只剩下两翼的边频用于测温。然而即使不考虑F-P干涉仪的技术复杂性和成本问题，这一方法的缺点也是明显的：速度谱的整体形状严重变形，已无法恢复出中心频移(对应于风场)、谱面积(对于于大气密度)等其它要素。

由以上分析可见，由于巨大的米散射能量的叠加，使得低空的瑞利信号的分离和检测都面临极大的困难，严重制约了瑞利散射激光探测的发展。

发明内容

为了克服现有不足，本发明的目的在于提出一种基于IQ调制器进行相位移频的相干外差接收方法对瑞利散射信号进行测量，从而可得到完备的瑞利散射信息的气象激光探测雷达。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种气象探测激光雷达，所述激光雷达采用相干外差检测方式来检测信号，包括

种子激光器：用于产生激光信号，所述种子激光器包括激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光信号通过激光器第一输出端传输至脉冲开关、通过激光器第二输出端传输至IQ调制器；

脉冲开关：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行脉冲整形并将脉冲整形后的激光信号传输至光放大器；

光放大器：用于对从脉冲开关传输过来的激光信号进行放大并将放大后的激光信号传输至第一倍频器；

第一倍频器：用于对从光放大器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的激光信号传输至光学天线；

光学收发天线：用于接收从第一倍频器传输过来的激光信号并将信号传输至光纤合束器；

IQ调制器：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行相位移频并将移频后的信号传输至第二倍频器；

第二倍频器：用于对从IQ调制器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的信号传输至光纤合束器，通过IQ调制器进行相位移频的激光信号在第二倍频器的作用下进行信号倍频后得到连续的本振光信号，本振光信号具备可变化的频移量；

光纤合束器：用于将从光学收发天线和第二倍频器传输过来的两路激光信号合束到一根光纤中并将合束后的信号传输至平衡探测器；

平衡探测器：用于对从光纤合束器传输过来的信号进行处理得到电学差拍信号并将电学差拍信号输出至采集处理电路；

采集处理电路：用于采集给定带宽内的信号能量。

进一步的，种子激光器产生的信号为窄线宽且频率稳定的连续激光信号。

进一步的，从种子激光器第一输出端输出的激光信号依次通过脉冲开关、光放大器、第一倍频器，光学收发天线进行整形、放大、倍频后形成能量脉冲。

进一步的，激光能量输出为脉冲方式，从而可以获得待测参数随路径的分布。

借由上述技术方案，本发明的优点是：本发明的气象探测激光雷达同时获得完备的瑞利散射信息，并计算出径向风速、大气温度和大气密度这三个关键要素，且米散射能量不会影响测量精度，可以在大气低层进行探测。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一种气象探测激光雷达的结构示意图。

图2是本发明一种气象探测激光雷达的结构方案框图。

图3是本发明中的多普勒回波频谱图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种气象探测激光雷达其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1和图2，一种气象探测激光雷达，包括种子激光器、脉冲开关、光放大器、倍频器、光学收发天线、IQ调制器、光纤合束器、平衡探测器、移频控制电路、采集处理电路。

IQ调制器包括多个并接的相位调制器，IQ调制器具体原理如下：

相位调制器是一种电光调制器件，可通过电压控制平面光波导的折射率变化来控制光场的相位；将两个相位调制器并接时就构成了马赫曾德干涉仪(MZI)；将两个子MZI并接构成一个母MZI且在一条支路上添加附加的π/2相移后就构成了IQ调制器。

IQ调制器的驱动信号包括三个直流偏置和两个交流驱动，在适当的驱动信号配合下，IQ调制器的输出频谱可以变为只含有移动了基频步长的主频和少量的3倍频，从而完成相位移频的功能。本发明采用基于IQ调制器进行相位移频的相干外差接收方法对瑞利散射信号进行测量，从而可得到完备的瑞利散射信息

种子激光器产生一个窄线宽且频率稳定的连续激光信号，种子激光器有两个输出端，分别为激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光器第一输出端和激光器第二输出端将种子激光器产生的激光信号分为两路；激光器第一输出端与脉冲开关的输入端相连，其中一路激光信号通过第一输出端进入脉冲开关，脉冲开关将激光进行脉冲整形；脉冲开关的输出端与光放大器的输入端相连，从脉冲开关输出的激光信号进入光放大器内进行信号放大；放大器的输出端与第一倍频器的输入端相连，从放大器输出的激光信号进入第一倍频器并在倍频器内进行信号倍频，该路激光信号进行整形、放大、倍频后形成能量脉冲；第一倍频器的输出端与光学收发天线相连，光学收发天线的输出端与自由空间相连，从第一倍频器输出的激光信号通过光学天线进入自由空间，自由空间即为大气，从自由空间后向散射回来的激光信号为回波信号。

IQ调制器内设置有两个输入端，分别为调制器第一输入端和调制器第二输入端，IQ调制器的第二输入端与移频控制电路相连，移频控制电路和采集处理电路构成本发明的电学部分，移频控制电路产生IQ调制器正常工作所需的各个驱动和控制信号并且还能够调整移频方向和数值；IQ调制器的第一输入端与激光器的第二输出端相连，从种子激光器输出另一路激光信号进入IQ调制器内，IQ调制器对发射激光信号的波长进行相位移频，IQ调制器的输出端与第二倍频器的输入端相连，激光信号在第二倍频器进行信号倍频，得到连续的本振光信号。

光纤合束器有两个输入端，分别为光纤合束器第一输入端和光纤合束器第二输入端，第二倍频器的输出端与光纤合纤器第一输入端相连，从第二倍频器输出的本振光信号进入光纤合束器内；光学天线的输出端与光纤合束器第二输入端相连，回波信号经过耦合后进入光纤合束器内，本振光信号与回波信号在光纤合束器的作用下合束到一根光纤中；光纤合束器的输出端与平衡探测器的输入端相连，合束后的本振光信号和回波信号从光纤合束器输出后进入平衡探测器内并在平衡探测器内进行处理得到电学差拍信号；平衡探测器的输出端与采集处理电路的输入端相连，从平衡探测器输出的电学差拍信号进入采集处理电路内，采集与处理电路用于采集给定带宽内的信号能量。

本发明涉及光学相干外差检测，光学相干外差检测的原理如下：

一束本振光和一束信号光都照射在探测器上，当两者频率接近且偏振方向相同时会由于光混频效应在探测器的表面产生差拍电场，从而输出差拍电信号，该信号的大小正比例于信号光的强度。由于探测器的电学带宽远远小于光信号的带宽，光学外差相干检测可以具有非常高的波长选择性，在微弱信号的光电探测方面具有非常广泛的应用。实际应用时往往会使用平衡探测器来进行相干外差检测以去除直流项和其它干扰。

外差相干接收的特点是选频特性极其尖锐，只有带宽内的信号才会有响应，带宽之外的高频信号是无法干扰接收的，由此可见，移频输出后的波长位置就是在瑞利谱形上开的一条观察窄缝的位置，米散射能量不会扩散到瑞利谱上，调整相位移频器的移频方向和移频数值就可以对瑞利谱形的任意位置进行精密测量，既可以扫描出整个谱的形状也可以在所关心的几个位置进行数据采集，从而完备地得到分子散射多普勒谱的全部信息。例如：首先可以方便地找到谱形中心的位置，这一位置所对应的频移就是径向风速。然后可以对谱形进行分析从而得到温度信息，可以有多种方式得到温度信息：可通过不断调整标准分布函数的温度参数并与实际形状比较得到温度值，也可以仅仅测量低频移和高频移的数据比值并通过该数值与温度的关系得到温度值。更进一步，如果对发射能量和系统增益有精密的监控，从瑞利散射能量也可以直接得到大气密度信息。

激光能量输出为脉冲方式，从而可以获得待测参数随路径的分布，图1为一个径向速度为正，即光束方向为迎风方向时的多普勒回波频谱，呈钟形形状且分布较宽的的就是分子瑞利光谱，在中间能量很高的尖峰是气溶胶米散射信号；纵坐标所在位置为发射频率υ0，由于径向速度不为零故而频谱存在一个整体的频移，这一整体的频移直接对应了径向风速信息。而2、3位置所对应的能量比值就对应了空气的温度信息。

请参阅图3，由移频控制电路驱动相位移频器产生3个移频频率，然后由采集处理电路采集电学差拍信号并进行FFT变换(快速傅里叶变换)，在频率域上截取所需要的带宽并计算带内能量就得到了当前移频位置的信号大小P1、P2、P3。工作过程中1、2、3三个位置的频率均可变动，但要保持1、2间的频率间隔D1不变，2、3间的频率间隔D2不变。即为：

υ2＝υ1+D1；

υ3＝υ1+D1+D2；

由P1、P2的大小可决定下一步移频微调的方向。P1>P2时说明频移量偏大，P1<P2时说明频移量偏小。

当1、2位置的信号强度一致时，由(υ1+υ2)/2可解算风速，由P2/P3可解算温度，经过系统增益订正后的P1、P2值可解算大气密度。

本例中用了两个低频移信号作比较来确定下一步移频微调方向，当信噪比较高时也可以采用两个高频移信号来比较，由于两翼的陡度较大，此时会有更高的灵敏度。

当时间足够充裕时，也可以对频移量进行精细扫描，得到高分辨的全部谱形，从而达到更精细解算的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种气象探测激光雷达，其特征在于：所述激光雷达采用基于IQ调制器进行相位移频的相干外差接收方法对瑞利散射信号进行测量，包括

种子激光器：用于产生激光信号，所述种子激光器包括激光器第一输出端和激光器第二输出端，激光信号通过激光器第一输出端传输至脉冲开关、通过激光器第二输出端传输至IQ调制器；

脉冲开关：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行脉冲整形并将脉冲整形后的激光信号传输至光放大器；

光放大器：用于对从脉冲开关传输过来的激光信号进行放大并将放大后的激光信号传输至第一倍频器；

第一倍频器：用于对从光放大器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的激光信号传输至光学收发天线；

光学收发天线：用于接收从第一倍频器传输过来的激光信号并将回波信号传输至光纤合束器；

IQ调制器：用于对从种子激光器传输过来的激光信号进行相位移频并将移频后的信号传输至第二倍频器；

第二倍频器：用于对从IQ调制器传输过来的激光信号进行倍频并将倍频后的本振光信号传输至光纤合束器，本振光信号具备可变化的频移量；

光纤合束器：用于将从光学收发天线传输过来的回波信号和第二倍频器传输过来的本振光信号合束到一根光纤中并将合束后的信号传输至平衡探测器；

平衡探测器：用于对从光纤合束器传输过来的信号进行处理得到电学差拍信号并将电学差拍信号输出至采集处理电路；

采集处理电路：用于采集给定带宽内的信号能量。

2.根据权利要求1所述的一种气象探测激光雷达，其特征在于：种子激光器产生的信号为窄线宽且频率稳定的连续激光信号。

3.根据权利要求1所述的一种气象探测激光雷达，其特征在于：从种子激光器第一输出端输出的激光信号依次通过脉冲开关、光放大器、第一倍频器、光学收发天线进行整形、放大、倍频后形成能量脉冲。

4.根据权利要求1所述的一种气象探测激光雷达，其特征在于：激光能量输出为脉冲方式，从而可以获得待测参数随路径的分布。