CN113885048A - 基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统，双波长激光器系统交替发射锁定在碘分子吸收谱线左右边沿上的高能脉冲激光，经激光发射系统发射进入大气；光学接收天线系统接收大气后向散射回波信号后，依次通过光纤、光纤准直器、窄带滤光片、FP窄带滤波器、机械斩波器，经过分光镜分成两路信号，一路为能量监测通道，该路信号直接进入光电倍增管，另外一路为碘池测量通道，该路信号经过碘分子吸收池后，通过汇聚镜进入光电倍增管；数据采集处理及控制系统中的光子计数卡模块记录能量监测通道和碘池测量通道采集所得光子数，PC机进行相关风场反演。本发明基于碘分子吸收池的双边沿多普勒频移测量，可以有效增大系统测量灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于大气科学领域，特别涉及激光雷达探测技术领域。
背景技术
由于激光雷达是一种方向性好、时空分辨率高和非接触式的大气遥感探测工具，可以通过激光与大气成分相互作用所产生的后向散射信号的各种物理特性，实现探测大气温度、密度、化学成分以及风向和风速。使用激光雷达对中高空大气的风速和风向进行高时空分辨率探测，能有效提高中短期数值天气预报的准确性，同时对促进空间天气研究发展和保障航空器与航天器安全运行具有重大意义。
目前中高空大气风速的直接探测方法主要是由激光器向大气发射高能脉冲激光，利用高分辨率光谱器件陡峭的光谱边沿检测大气回波信号的多普勒频移，进而根据多普勒频移与速度的关系公式反演得出。目前的主流工程实现方案是使用两个Fabry-Perot标准具进行双边沿多普勒频移检测和使用一个碘分子吸收池进行单边沿多普勒频移检测。双边沿多普勒频移检测的系统灵敏度高于单边沿的方法，因此使用两个Fabry-Perot标准具进行双边沿多普勒频移检测的系统整体探测性能明显优于使用一个碘池进行单边沿多普勒频移检测。但是Fabry-Perot标准具的高造价、严苛的光路质量要求限制了其应用推广。碘分子吸收池具有较低造价的优势，同时对工作环境的适应性更强，光路质量的要求更低，但是目前主流方案是使用单边沿进行多普勒频移检测，其系统灵敏度仍有待提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种灵敏度更高的高空大气风场垂直轮廓线探测技术。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统，包括双波长激光器系统、激光发射系统、光学接收天线系统和数据采集处理及控制系统；激光发射系统包括电控可旋转半波片、偏振分束器、全反射镜、扩束单元；光学鉴频系统包括光纤准直镜、窄带滤波片、FP干涉仪、机械斩波器、分光镜、汇聚镜、碘分子吸收池、光电倍增管；数据采集处理及控制系统包括光子计数卡模块和PC机；双波长激光器系统交替发射锁定在碘分子吸收谱线左右边沿上的高能脉冲激光，经电控可旋转半波片和偏振分束器进行发射通道选择，最后经过扩束镜单元和全反射镜发射进入大气；光学接收天线系统接收大气后向散射回波信号后，依次通过光纤、光纤准直器、窄带滤光片、FP窄带滤波器、机械斩波器，经过分光镜分成两路信号，一路为能量监测通道，该路信号直接进入该通道的光电倍增管，另外一路为碘池测量通道，该路信号经过碘分子吸收池后，通过汇聚镜进入该通道的光电倍增管；所述数据采集处理及控制系统中的光子计数卡模块记录能量监测通道和碘池测量通道采集所得光子数，PC机进行相关风场反演。
本发明基于碘分子吸收池的双边沿多普勒频移测量，可以有效增大系统测量灵敏度，获得更小的测量误差和更好的系统可靠性和可维护性；同时双波长激光器系统进行高效持续的高能激光输出，有效提升了测量范围。并利用光学鉴频系统的窄带滤波片和FP干涉仪组成的双级超窄滤光器，仅允许激光波长两边小范围的光回波信号通过，让激光雷达系统具有昼夜观测的能力。
进一步的，双波长激光器系统包括两台分别发出两种脉冲种子光的DFB种子光激光器、偏振无关光纤隔离器、2x1光纤合束器、激光功率放大模块、PPLN倍频晶体；两台DFB种子光激光器发出连续种子光，通过设定次序交替打开和关闭的光纤耦合声光调制器将双波长连续种子光调制成交替发出的脉冲种子光，两路脉冲种子光分别经过偏振无关光纤隔离器将菲尼尔反射隔离后再通过2x1光纤合束器合成一路光信号，再经过激光功率放大模块获得600mJ高能激光，通过PPLN倍频晶体倍频为532nm波段的激光后出射。
其中，DFB种子光激光器的输出波长通过改变DFB激光器的控制电流进行调整；所述DFB激光器出射激光经过分光镜分出一路进入DFB控制器，分光镜将信号光分成两路，一路进入碘分子吸收池的检测通道，另外一路进入参考通道，两路信号进入FPGA控制器后，首先进行出发比值运算获得相对光强，然后反解出频率值并与设定频率值相减获得频率误差，最后经过控制算法计算出DFB控制电流。以此构成闭环控制，达到稳定DFB种子光基频的目的。
进一步的，DFB种子光激光器包括DFB激光器、1x2光纤分束器、FCAOM光纤耦合声光调制器、PPLN倍频晶体和DFB控制器模块；所述DFB控制模块包括分光镜、全反射镜、碘分子吸收池、光电二极管、AD模块、FPGA控制器、DA模块；所述DFB激光器发出的连续种子光通过光纤耦合的方式接入到分光比为1：9的1x2光纤分束器中分成10％和90％的两路光信号：一路10％的光信号通过PPLN倍频晶体倍频至532nm波段，随后经过分光比为1：1的分光镜分出两路强度相同的光信号，分别进入到参考通道和具有碘分子吸收池的检测通道，两个通道的光信号分别经过光电二极管1转换成两个电压信号，通过AD模块转换成数字量后，进入FGPA控制器进行除法计算获得两路光信号的相对光强；另一路90％的光信号通过光纤传输至FCAOM光纤耦合声光调制器将连续的种子光转换成脉冲种子光出射。
进一步的，两台DFB种子光激光器交替发出波长分别稳定在1064.518nm和1064.522nm的脉冲种子光；双波长激光器系统输出激光的设计脉宽为10ns，重复频率为200Hz，交替发射532.259nm和532.261nm两种波长激光。
进一步的，光学鉴频系统的窄带滤波片带宽1nm，FP窄带滤波器的半高宽30Ghz峰值透过率90％。
本发明还提供了采用上述激光雷达系统进行风速测量的方法，包括以下步骤：
(1)各系统上电自检，等待双波长激光器系统出光并频率稳定；
(2)双波长激光器系统发出门控触发信号后光学鉴频系统和光子计数卡模块开始工作，双波长激光器系统按设定通道次序经过激光发射系统发射进入大气中；
(3)光学接收天线系统接收大气分子后向散射信号，通过光纤将接收到光信号传输至光学鉴频系统；
(4)光信号通过光学鉴频系统中的窄带滤波片和FP干涉仪将天空背景光过滤；
(5)过滤后的光信号通过分光镜分光后，分别进入能量监测通道和碘分子吸收池测量通道进行光子数检测；
(6)光子计数卡模块采集光电倍增管检测到的光子信号；
(7)PC机将光子计数卡模块采集到的光子信号进行大气风场廓线反演。
本发明通过双波长激光器系统以时分复用发出的方式，将锁定在碘分子1109吸收谱线左右边沿上的脉冲激光发射进入大气，通过光学接收天线系统接收大气回波信号后经过分光，分别进入能量监测通道和碘分子吸收池测量通道，能量监测通道用于监测时分复用发出激光脉冲的能量抖动，碘分子吸收池测量通道用于检测时分复用发出激光脉冲的大气回波系统响应值，两个不同激光频率的大气回波系统响应值之比与多普勒频移存在固定关系，进而可以反演出大气风场中的风速。
进一步的，步骤(7)进行大气风场廓线反演时，通过以下公式计算视线风速：
式中，Δv为多普勒频移，VLOS为视线速度，v为脉冲激光频率，c为光速，R(Δv)为系统响应函数；F(v1)、F(v2)为出射激光频率v1和v2的碘池透过率。
本发明相比现有技术具有以下优点：
在基于碘分子吸收池单边沿瑞利多普勒频移测量大气风场方法中，存在系统测量灵敏度较低的缺点，相比基于双Fabry-Perot标准具的双边沿瑞利多普勒频移测量大气风场方法，明显具有更大的风速测量误差。本发明基于碘分子吸收池双波长瑞利多普勒频移测量大气风场的方法，通过发出双波长的激光器实现基于碘分子吸收池的双边沿多普勒频移测量，可以有效增大系统测量灵敏度，获得更小的测量误差和更好的系统可靠性和可维护性；其次通过所述激光能量放大技术可以高效持续输出高能激光，有效提升了测量范围；通过所述双级滤光器让激光雷达具有昼夜观测能力。
附图说明
图1为本发明基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统结构示意图；
图2为图1中双波长激光器系统的结构示意图；
图3为图2中DFB种子光激光器的结构示意图；
图4为碘分子吸收谱线透过率图；
图5为本发明采用的双波长激光锁频点与碘分子1109吸收谱线相对位置图；
图6为单边沿和双边沿测量方法的系统灵敏度对比图；
图7为单边沿和双边沿测量方法的视线风速误差对比图。
具体实施方式
为了更好说明本发明涉及的具体方案及算法，下面将结合附图对本发明作详细说明。
本发明一种基于双波长的瑞利多普勒测风激光雷达系统，使用时分复用发出双波长的激光器和碘池光学多普勒鉴频系统探测中高空大气的风速和风向。
本发明基于双波长的瑞利多普勒测风激光雷达系统主要由频率可调的双波长激光器系统1，激光发射系统2，光学接收天线系统3，光学鉴频系统4和数据采集处理及控制系统5组成，如图1所示。
其中双波长激光器系统1的系统结构如图2所示，包括DFB种子光激光器11、12，偏振无关光纤隔离器13、14，2x1光纤合束器15，激光功率放大模块16，PPLN倍频晶体17。双波长激光器系统1，使用两台DFB种子光激光器11、12交替发出波长分别稳定在1064.518nm和1064.522nm的脉冲种子光。同时为了防止两路不同频率的种子脉冲光在2x1光纤合束器15器件连接端面产生的菲尼尔反射光进入另一台DFB种子光激光器的稳频闭环控制光路中，使用偏振无关光纤隔离器13、14分别对两台DFB种子光激光器的输出脉冲光进行单向隔离后再进入2x1光纤合束器15将两路脉冲种子光合并到一路光纤，随后通过光纤输入到激光功率放大模块16进行功率放大，最后经过PPLN倍频晶体17倍频成波长为532.259nm和532.261nm的两种高能脉冲激光。
DFB种子激光器11、12的系统结构如图3所示，发出1064.518nm和1064.522nm两种不同波长脉冲种子光的DFB种子光激光器的结构是一致的。DFB种子激光器包括DFB激光器18，1x2光纤分束器19，FCAOM光纤耦合声光调制器110，PPLN倍频晶体111和DFB控制器模块。DFB频率控制模块包括分光镜112，全反射镜113，碘分子吸收池114，光电二极管115、116，AD模块117，FPGA控制器118，DA模块119。
DFB激光器18，用于发出频段在1064nm附近的可调连续种子光，输出波长可以通过改变控制电流和工作温度进行调节。DFB激光器18发出的连续种子光通过光纤耦合的方式接入到分光比为1：9的1x2光纤分束器12中分成10％和90％的两路光信号，一路10％的光信号通过光纤传输至DFB频率控制模块进行频率锁定，另一路90％的光信号通过光纤传输至FCAOM光纤耦合声光调制器13将连续的种子光转换成脉冲种子光。
DFB连续种子光的频率稳定，由于碘分子吸收谱线在工作条件稳定的情况下谱线线性也固定不变，只要检测碘池入射光的相对光强即可反演出入射光的频率，基于上述原理DFB激光器频率的闭环控制如下所述：首先将1x2分束器19分出的10％连续种子光通过倍频晶体倍频为波长532nm，随后经过分光比为1：1的分光镜112分出两路强度相同的光信号，分别进入到碘分子吸收池114的检测通道和参考通道，两个通道的光信号分别经过光电二极管115和116转换成两个电压信号uc(k)和
通过AD模块117转换成数字量后，进入FGPA控制器118进行除法计算获得两路光信号的相对光强。如图4所示在已知的碘分子透过率谱线的数值函数关系K(f,T)后，通过求解碘分子吸收谱线透过率-频率函数的反函数，即可通过相对透光强计算出入射光信号频率f。
将测量得到的入射光信号频率f与设定中心频率vc相减获得误差值Δv：
通过增量型PID控制算法计算得DFB控制电流的控制增量，进而进行出射激光频率的闭环控制：
Δi(k)＝Kp[Δv(k)-Δv(k-1)]+KiΔv(k)
+Kd[Δv(k)-2Δv(k-1)+Δv(k-2)]
其中，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kd为微分控制系数。
如图5所示，最终输出到大气的激光中心频率锁定点分别为532.259nm和532.261nm，因此两台DFB种子光激光器的的输出激光中心频率锁定点分别为1064.518nm和1064.522nm。
FCAOM光纤耦合声光调制器13，主要用于将连续的种子光转换成脉冲光，输入周期、幅值、脉宽可控的周期脉冲信号令声光调制器内的换能器部件产生声波，位于电声换能器和吸收器中间的晶体由于声波的光衍射效应产生衍射光栅，输出光强将随着输入周期信号功率发生改变，由此实现人为可控频率打开和关闭光通路，输出脉冲光频率与输入周期脉冲信号的周期相等，输出脉冲光脉宽与输入周期脉冲信号的脉宽时间相等。
双波长激光器通过时分复用的方式在同一个出射端面交替发射两种波长的高能激光，主要使用调制信号控制两台DFB种子光激光器中的FCAOM光纤耦合声光调制器按一定顺序打开和关闭实现。在发明的应用实例中，双波长激光器系统输出激光的设计脉宽为10ns，重复频率为200Hz，交替发射532.259nm和532.261nm两种波长激光。为实现上述目的，将因使用信号发生器发出两路脉冲信号分别输入到DFB种子激光器11和DFB种子激光器12中的FCAOM光纤耦合声光调制器中，其中脉冲信号脉宽为10ns，频率为400Hz，在信号发生器发出第一路脉冲信号发出后，触发另一路脉冲信号延时5ms后发出，令两路FCAOM光纤耦合声光调制器交替开关，实现双波长激光以设定次序和频率进入2x1光纤合束器15。
偏振无关光纤隔离器13、14，工作在正向模式下的光信号首先被双折射晶体分为两路光信号，经过中间级法拉第旋光器和半波片改变两束光的偏振方向，最后在输出端经过对准后通过第二个双折射晶体再次合并输出，在隔离器的输入端进入的反射光信号经过第二个双折射晶体后同样分成两束光，偏振方向与正向模式对齐，由于光信号经过法拉第旋光器后的偏振态不可逆，所以将会抵消半波片产生的偏振旋转，当光信号通过第一个双折射晶体后将会偏离准直透镜，并出射到隔离器的外壳壁上并被吸收，实现比单级隔离器更大的隔离效率。其中，偏振无关光纤隔离器为全光纤固体结构。
激光功率放大模块16，使用五级端泵放大器将输出能量放大至15mJ，使三级板条放大器将输出能量放大至600mJ。
PPLN倍频晶体17，主要用于将功率放大模块功率放大后的输出脉冲激光倍频成，能量为300mJ、波长为532.259nm和532.261nm的两种波长激光。
激光发射系统2，使用全固定光学镜组结构控制激光出射通道，以分时复用的方式切换到两个指向不同的接收天线方向，分别经过两个通道中的扩束单元24、25和全反射镜26、27发射进入大气。激光发射系统包括电控可旋转半波片21，偏振分束器22，扩束单元24、25和全反射镜26、27。在本发明的应用实例中频率可调激光器发出的是水平线偏振光，当入射线偏振光的偏振面与半波片主轴以夹角θ通过半波片后，入射线偏振光的偏振面将会旋转2θ，控制电控可旋转半波片在主轴与水平面夹角0°和45°之间切换，即可使用以分时复用的方式调制出两个正交的线偏振光，再经过PBS偏振分束器对线偏振光偏振态通道选择性通过，实现输出通道的选择。
其中，扩束单元24和25为伽利略式结构，由一片凹透镜和一片凸透镜组成，用于扩大输入激光的光斑直径和压缩出射激光的发散角。经过PBS偏振分束器分出的两个通道脉冲光，正北向通道经过全反射镜后进入扩束单元扩束后再次经过全反射镜进入大气，正东向探测通道直接进入扩束单元扩束后经过全反射镜进入大气。
光学接收天线系统3，用于接收激光信号与大气相互作用后产生的后向散射回波信号。在发明的应用实例中，光学接收天线系统包括两个卡塞格林式望远镜31、32，光纤33、2x1光纤合束器34。望远镜以天顶角30°放置在地面，分别指向正东向和正北向。回波信号以光纤耦合的方式，通过放置在接收天线焦平面上工作在532nm波段的光纤所接收，通过2x1光纤合束器合并成一条光纤通道后传输至光学鉴频系统4。
光学鉴频系统4，用于对光学接收天线系统3接收到的大气后向散射回波信号进行多普勒频移检测。光学鉴频系统包括光纤41，光纤准直镜42，窄带滤波片43，FP干涉仪44，机械斩波器45，分光镜46，汇聚镜47、48，碘分子吸收池49和光电倍增管410、411。接收到的大气回波散射信号通过光纤41传输至光纤准直镜42进入光学鉴频系统4，首先经过双级滤光器组成的超窄带滤光器过滤大气背景噪声光，第一级为带宽为1nm的窄带滤波片43，第二级为半高宽30Ghz峰值透过率为90％的FP干涉仪44，双级滤光器将大部分大气背景噪声光截止，允许激光波长两边小范围的光回波信号通过，令激光雷达系统具有昼夜观测的能力。随后通过机械斩波器45将低空强回波光信号截至，防止光电倍增管进入饱和状态。经过斩波器后的大气回波光信号通过分光比为1：9的分光镜46分成两路，10％的大气回波信号通过汇聚镜47汇聚进入能量监测通道的光电倍增管，90％的大气回波信号通过碘分子吸收池49后再通过汇聚镜48汇聚进入碘池测量通道倍增管。双通道倍增管均工作在光子计数模式。在将大气回波光子信号通过数据采集卡模块转换成数字信号并送进PC机内52进行进一步的算法处理。
信号采集处理与控制系统5，由光子计数卡模块51和PC机52组成。光子计数卡模块51用于将光学鉴频系统中光电倍增管的光子回波信号进行计数并转换成数字信号，光子计数卡模块51与PC机52通过数据总线方式连接并实现双向控制信号和采集信号的传输与交互；PC机52用于处理光子计数卡模块传回的数字信号，运行瑞利多普勒激光测风反演算法，通过PC机52内的存储单元存放相关测量结果。
由于中高空气体密度小大气回波强度弱，使用激光雷达探测中高空大气时必须使用多脉冲时间积分的方式提高大气回波信噪比，在本发明的应用实例中，正北向通道和正东向通道分别进行10分钟的持续探测，最终获得时间分辨率为20分钟的大气风场垂直探测廓线数据。
系统工作步骤：
步骤一：系统各系统上电自检，等待双波长激光器系统出光并频率稳定；
步骤二：双波长激光器系统发出门控触发信号后光学鉴频系统和信号采集模块开始工作，双波长激光器系统按设定通道次序经过激光发射系统发射进入大气中；
步骤三：光学接收天线系统接收大气分子后向散射信号，通过光纤将接收到光信号传输至光学鉴频系统；
步骤四：光信号通过光学鉴频系统中的窄带滤波片和FP干涉仪将天空背景光过滤；
步骤五：过滤后的光信号通过分光镜分光后，分别进入能量监测通道和碘分子吸收池测量通道进行光子数检测。
步骤六：数据采集模块采集光电倍增管检测到的光子信号；
步骤七：PC机将数据采集模块采集到的光子信号进行大气风场廓线反演。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于双边沿碘分子吸收池瑞利多普勒频移测量大气风场的方法，该方法通过发射发射系统以时分复用发出的方式，将锁定在碘分子1109吸收谱线左右边沿上的脉冲激光发射进入大气，通过接收天线接收大气回波信号后经过分光，分别进入能量监测通道和碘分子吸收池测量通道，能量监测通道用于监测时分复用发出激光脉冲的能量抖动，碘分子吸收池测量通道用于检测时分复用发出激光脉冲的大气回波系统响应值，两个不同激光频率的大气回波系统响应值之比与多普勒频移存在固定关系，进而可以反演出大气风场中的风速。
其中基于双边沿的碘分子吸收池的径向风速反演方法如下所述：
由于瑞利-布里渊分子散射回波信号通过碘分子吸收池后将会被选择性透过，在不同频率下碘池透过率F(v)定义为瑞利-布里渊分子散射光谱h(v)和碘分子透过率光谱f(v)的卷积关系：
其中，f(v)为碘分子吸收池的归一化透过率；h(vi+Δv)为中心频率为vi+Δv的瑞利-布里渊分子散射光谱。
使用激光雷达方程计算单脉冲激光光学接收天线系统接收到斜距r处大气回波光子数，由于大气分子运动产生的多普勒效应，大气回波光子数Ni可以表达为：
式中，v为脉冲激光频率；E为单脉冲激光能量，单位为mJ；h为普朗克常数；c为光速；A为接收望远镜有效接收面积，单位为m2；ηd为接收望远镜系统的光学效率；βa和βm分别为气溶胶后向散射系数和大气分子后向散射系数，单位为m-1sr-1；Δr为径向距离分辨率，单位为m；αa和αm分别为气溶胶消光系数和大气分子消光系数，单位为m-1。
当进入碘池测量通道光信号的分光比为η时，碘池光电倍增管接收到的光子数为：
NR(vi+Δv)＝NiηF(vi+Δv) (3)
能量监测通道光电倍增管检测到的光子数为：
NE(vi)＝Ni(1-η) (4)
定义出射激光频率v1和出射激光频率v2接收到的光子数的比值为风速测量比，可以得到系统响应函数R(Δv)：
对系统响应函数R(Δv)进行一阶泰勒展开可得：
在激光器输出稳定的状态下，能量监测通道接收到出射激光频率v1和出射激光频率v2大气回波光子的比值为常数α，因此结合公式(6)可以将公式(5)改写成：
将单位多普勒频移导致响应函数R(Δv)的变化定义为系统灵敏度：
多普勒频移Δv与视线速度VLOS存在如下关系：
视线风速的测量误差估计为：
其中，SNRtotal为双边沿风速测量的系统总信噪比。
已知光电倍增管的暗计数噪声Ns和大气背景噪声Nb后，碘出射激光频率v1和出射激光频率v2的单边缘信噪比可以表达为：
双边沿测量的信噪比SNRd为：
作为一个应用实例但不限于具体的锁定波长值，两束频率为v1和v2的激光脉冲信号中心波长锁定碘分子吸收谱线的左右两侧边沿上，其对应波长分别为532.259nm和532.261nm，双边沿测量方法的系统灵敏度与视线风速误差分别如图6和图7所示，与单边沿测量方法相比双边沿测量方法能降低风速测量误差。
Claims (8)
1.基于碘分子吸收池的双边沿瑞利激光雷达系统，其特征在于，包括双波长激光器系统、激光发射系统、光学接收天线系统和数据采集处理及控制系统；所述激光发射系统包括电控可旋转半波片、偏振分束器、全反射镜、扩束单元；所述光学鉴频系统包括光纤准直镜、窄带滤波片、FP干涉仪、机械斩波器、分光镜、汇聚镜、碘分子吸收池、光电倍增管；数据采集处理及控制系统包括光子计数卡模块和PC机；所述双波长激光器系统交替发射锁定在碘分子吸收谱线左右边沿上的高能脉冲激光，经电控可旋转半波片和偏振分束器进行发射通道选择，最后经过扩束镜单元和全反射镜发射进入大气；光学接收天线系统接收大气后向散射回波信号后，依次通过光纤、光纤准直器、窄带滤光片、FP窄带滤波器、机械斩波器，经过分光镜分成两路信号，一路为能量监测通道，该路信号直接进入该通道的光电倍增管，另外一路为碘池测量通道，该路信号经过碘分子吸收池后，通过汇聚镜进入该通道的光电倍增管；所述数据采集处理及控制系统中的光子计数卡模块记录能量监测通道和碘池测量通道采集所得光子数，PC机进行相关风场反演。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述双波长激光器系统包括两台分别发出两种脉冲种子光的DFB种子光激光器、偏振无关光纤隔离器、2x1光纤合束器、激光功率放大模块、PPLN倍频晶体；两台DFB种子光激光器发出连续种子光，通过设定次序交替打开和关闭的光纤耦合声光调制器将双波长连续种子光调制成交替发出的脉冲种子光，两路脉冲种子光分别经过偏振无关光纤隔离器将菲尼尔反射隔离后再通过2x1光纤合束器合成一路光信号，再经过激光功率放大模块获得600mJ高能激光，通过PPLN倍频晶体倍频为532nm波段的激光后出射。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述DFB种子光激光器的输出波长通过改变DFB激光器的控制电流进行调整；所述DFB激光器出射激光经过分光镜分出一路进入DFB控制器，分光镜将信号光分成两路，一路进入碘分子吸收池的检测通道，另外一路进入参考通道，两路信号进入FPGA控制器后，首先进行出发比值运算获得相对光强，然后反解出频率值并与设定频率值相减获得频率误差，最后经过控制算法计算出DFB控制电流。
4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述DFB种子光激光器包括DFB激光器、1x2光纤分束器、FCAOM光纤耦合声光调制器、PPLN倍频晶体和DFB控制器模块；所述DFB控制模块包括分光镜、全反射镜、碘分子吸收池、光电二极管、AD模块、FPGA控制器、DA模块；所述DFB激光器发出的连续种子光通过光纤耦合的方式接入到分光比为1：9的1x2光纤分束器中分成10％和90％的两路光信号：一路10％的光信号通过PPLN倍频晶体倍频至532nm波段，随后经过分光比为1：1的分光镜分出两路强度相同的光信号，分别进入到参考通道和具有碘分子吸收池的检测通道，两个通道的光信号分别经过光电二极管1转换成两个电压信号，通过AD模块转换成数字量后，进入FGPA控制器进行除法计算获得两路光信号的相对光强；另一路90％的光信号通过光纤传输至FCAOM光纤耦合声光调制器将连续的种子光转换成脉冲种子光出射。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，两台DFB种子光激光器交替发出波长分别稳定在1064.518nm和1064.522nm的脉冲种子光；所述双波长激光器系统输出激光的设计脉宽为10ns，重复频率为200Hz，交替发射532.259nm和532.261nm两种波长激光。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光学鉴频系统的窄带滤波片带宽1nm，FP窄带滤波器的半高宽30Ghz峰值透过率90％。
7.采用权利要求1至6任一所述激光雷达系统进行风速测量的方法，其特征在于，所述风速测量方法包括以下步骤：
(1)各系统上电自检，等待双波长激光器系统出光并频率稳定；
(2)双波长激光器系统发出门控触发信号后光学鉴频系统和光子计数卡模块开始工作，双波长激光器系统按设定通道次序经过激光发射系统发射进入大气中；
(3)光学接收天线系统接收大气分子后向散射信号，通过光纤将接收到光信号传输至光学鉴频系统；
(4)光信号通过光学鉴频系统中的窄带滤波片和FP干涉仪将天空背景光过滤；
(5)过滤后的光信号通过分光镜分光后，分别进入能量监测通道和碘分子吸收池测量通道进行光子数检测；
(6)光子计数卡模块采集光电倍增管检测到的光子信号；
(7)PC机将光子计数卡模块采集到的光子信号进行大气风场廓线反演。
8.根据权利要求7所述的风速测量方法，其特征在于，所述步骤(7)进行大气风场廓线反演时，通过以下公式计算视线风速：
式中，Δv为多普勒频移，VLOS为视线速度，v为脉冲激光频率，c为光速，R(Δv)为系统响应函数；F(v1)、F(v2)为出射激光频率v1和v2的碘池透过率。
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