CN113960631A - 一种雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统领域，具体公开了一种雷达系统，发射组件发出一路信号光以及一路本振光，使信号光入射到导光组件，使本振光入射到接收组件，导光组件将信号光分出一路入射到接收组件，以及分出另一路向外界发射出，并将由外界反射回的光引导入射到接收组件。接收组件将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，并分别与本振光混合得到第一测量结果、第二测量结果，以及将信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，相应得到第三测量结果和第四测量结果，处理装置根据测量结果获得外界大气的风场信息以及获得外界大气的退偏比信息。本发明能够实现同时对大气风场信息和大气退偏比信息的探测，且能够提高测量准确性。

Description

一种雷达系统

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种雷达系统。

背景技术

化石燃料的消耗和各种人类活动对气候变化造成了深远影响，通过遥感探测的方式实现对气溶胶粒子的特征提取以及风场信息的精确观测，对监测污染物、沙尘的传输具有重要意义。

现有技术中，通过相干偏振激光雷达测量退偏比信息，根据测量得到的退偏比信息可以用于区分气溶胶粒子为球形或非球形粒子，从而识别大气中的气溶胶的类型或者云的相态。相干多普勒激光雷达是目前进行风场探测有效的遥感手段之一，利用多普勒效应可以精确反演大气中的风速风向信息，确定风场分布。相干多普勒激光雷达通过信号光与本振光混频的方式，探测大气中不同距离处的多普勒频移信息，通过数据处理获得风速信息。然而，这种相干混频的方式必须保证信号光与本振光的偏振状态是一致的，由于气溶胶的退偏效应，部分回波信号光的偏振态与本振光并不相同，这一部分的光是传统相干多普勒激光雷达无法测量得到的，从而无法获取大气气溶胶的退偏比信息。因此，传统雷达不能实现同时对气溶胶退偏比信息和大气风场分布的探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种雷达系统，能够实现同时对大气风场信息和大气退偏比信息的探测，并且能够提高测量准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种雷达系统，包括发射组件、导光组件、接收组件和处理装置；

所述发射组件用于发出一路信号光以及一路本振光，使所述信号光入射到所述导光组件，使所述本振光入射到所述接收组件；

所述导光组件用于将所述信号光分出一路，使该路信号光入射到所述接收组件，以及将所述信号光分出另一路，使该路信号光向外界发射出，并将由外界反射回的光引导入射到所述接收组件；

所述接收组件用于将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，并将第一偏振分量光与所述本振光混合得到第一测量结果，将第二偏振分量光与所述本振光混合得到第二测量结果，以及将由所述导光组件入射到所述接收组件的所述信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，相应得到第三测量结果和第四测量结果；

所述处理装置用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得外界大气的风场信息，以及结合所述第三测量结果和所述第四测量结果获得外界大气的退偏比信息。

优选的，所述导光组件包括设置在望远光学系统背向外界一侧的反光元件，所述反光元件用于将即将向外界发射出的所述信号光一部分反射，实现将所述信号光分出一路入射到所述接收组件。

优选的，所述导光组件包括与望远光学系统相连的光纤，入射到所述导光组件的所述信号光通过所述光纤入射到所述望远光学系统，由所述光纤的端面将所述信号光反射，实现将入射到所述导光组件的所述信号光分出一路入射到所述接收组件。

优选的，所述导光组件包括导光装置，所述导光装置至少包括第一端口、第二端口和第三端口，入射到所述导光组件的所述信号光由所述第一端口进入所述导光装置，并由所述第二端口发射出，使得所述信号光向外界发射出，以及由外界返回的光由所述第二端口进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出，使由外界返回的光入射到所述接收组件。

优选的，由所述第二端口发射出的所述信号光被分出一路信号光，该路信号光由所述第二端口返回进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出而入射到所述接收组件。

优选的，所述接收组件包括第一分光元件，所述导光组件将分出的一路信号光入射到所述第一分光元件，以及将由外界返回的光入射到所述第一分光元件，所述第一分光元件用于将入射到所述第一分光元件的光分出第一路光和第二路光，所述第一路光用于与所述本振光混合。

优选的，所述接收组件还包括第一偏振分光元件和第二偏振分光元件，所述第一偏振分光元件用于将所述第一路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，所述第二偏振分光元件用于将所述第二路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光。

优选的，所述第一路光的能量大于所述第二路光的能量。

优选的，所述处理装置用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱幅值之比，记录为第一退偏比，以及根据所述第三测量结果和所述第四测量结果获得未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的能量幅值之比或者频谱幅值之比，记录为校正因子，使用所述校正因子对所述第一退偏比进行校正，获得外界大气的退偏比信息。

优选的，所述处理装置用于对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行频谱分析，将两者的频谱相加以及计算频谱的偏移，获得大气的风场信息。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种雷达系统，发射组件发出一路信号光以及一路本振光，使信号光入射到导光组件，使本振光入射到接收组件，导光组件将信号光分出一路，使该路信号光入射到接收组件，以及将信号光分出另一路，使该路信号光向外界发射出，并将由外界反射回的光引导入射到接收组件。接收组件用于将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，并将第一偏振分量光与本振光混合得到第一测量结果，将第二偏振分量光与本振光混合得到第二测量结果，以及将导光组件入射到接收组件的信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，相应得到第三测量结果和第四测量结果。处理装置根据第一测量结果和第二测量结果获得外界大气的风场信息，以及结合第三测量结果和第四测量结果获得外界大气的退偏比信息。

本发明的雷达系统将由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光分别与本振光混合干涉，根据测量结果可以获得外界大气的风场信息；将没有经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光进行测量，结合由外界返回的光的两偏振分量光与本振光干涉的结果，获得外界大气的退偏比信息，并且相比能够提高对外界大气退偏比信息的测量准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本发明实施例提供的一种雷达系统的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种雷达系统的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

发射组件-10，导光组件-11；

接收组件-12，处理装置-13；

光源装置-100，调制装置-101，放大器-102；

导光装置-103，望远光学系统-104；

偏振元件-105，第二分光元件-106，第一分光元件-107；

第一偏振分光元件-108，第二偏振分光元件-109；

第一耦合元件-110，第二耦合元件-111；

第一探测器-112，第二探测器-113；

第三探测器-114，第四探测器-115；

数据采集卡-116。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本实施例提供的一种雷达系统的示意图，如图所示，所述雷达系统包括发射组件10、导光组件11、接收组件12和处理装置13；

所述发射组件10用于发出一路信号光以及一路本振光，使所述信号光入射到所述导光组件11，使所述本振光入射到所述接收组件12；

所述导光组件11用于将所述信号光分出一路，使该路信号光入射到所述接收组件12，以及将所述信号光分出另一路，使该路信号光向外界发射出，并将由外界反射回的光引导入射到所述接收组件12；

所述接收组件12用于将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，并将第一偏振分量光与所述本振光混合得到第一测量结果，将第二偏振分量光与所述本振光混合得到第二测量结果，以及将由所述导光组件11入射到所述接收组件12的所述信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，相应得到第三测量结果和第四测量结果；

所述处理装置13用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得外界大气的风场信息，以及结合所述第三测量结果和所述第四测量结果获得外界大气的退偏比信息。

信号光经过外界大气反射之后，能够携带外界大气的信息。本振光用于与信号光混合发生干涉，以能够获得信号光的频谱信息。

第一偏振分量光和第二偏振分量光的偏振方向相互垂直。接收组件12将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，第一偏振分量光与本振光混合发生干涉，并对其测量得到第一测量结果，第二偏振分量光与本振光混合发生干涉，对其测量得到第二测量结果。

以及，接收组件12将由导光组件11入射到接收组件12的信号光，即没有经过外界的信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，分别测量得到第三测量结果和第四测量结果。

本实施例的雷达系统将由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光分别与本振光混合干涉，根据测量结果可以获得外界大气的风场信息；将没有经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光进行测量，结合由外界返回的光的两偏振分量光与本振光干涉的结果，获得外界大气的退偏比信息，并且相比能够提高对外界大气退偏比信息的测量准确性。

在实际应用中，在雷达系统中偏振光沿着光路传播过程中，光线偏振态的纯度会受到光路中各器件或者温度变化的影响，现有技术中，没有考虑这一影响，即假定认为从光源出射到望远镜的光为纯度极高、方向确定的线偏振光。因此，这样测量获得的大气退偏比信息与实际情况存在误差。而本实施例的雷达系统，通过导光组件将即将向外界发射出的信号光分出一路监测其偏振态，结合该信号光的偏振态获得外界大气的退偏比信息，相比能够提高对外界大气退偏比信息的测量准确性。另外，现有技术中通过采用光源为保偏光源，以保证出射光的偏振态纯度，但是成本很高，相比本实施例的雷达系统能够降低成本。

可选的，导光组件11包括设置在望远光学系统背向外界一侧的反光元件，所述反光元件用于将即将向外界发射出的所述信号光一部分反射，实现将所述信号光分出一路入射到所述接收组件12。将反光元件设置在望远光学系统背向外界的一侧，通过反光元件将即将进入望远光学系统的信号光分出一路，使该路信号光入射到接收组件12。这样，使信号光在即将向外界发射出之前被分出一路信号光，监测信号光的偏振态，能够考虑从发射组件到望远光学系统之间光路对信号光偏振态的影响，从而提高对大气退偏比信息的测量准确性，

优选的，导光组件11包括与望远光学系统相连的光纤，入射到所述导光组件11的所述信号光通过所述光纤入射到所述望远光学系统，由所述光纤的端面将所述信号光反射，实现将入射到所述导光组件11的所述信号光分出一路入射到所述接收组件12。通过光纤传导光能够降低光能量损失，提高系统稳定性，通过光纤端面的反射作用实现分出一部分信号光，使得不需要另外布置光学元件，有助于使系统结构紧凑以及简化。

可选的，导光组件11包括导光装置，所述导光装置至少包括第一端口、第二端口和第三端口，入射到所述导光组件11的所述信号光由所述第一端口进入所述导光装置，并由所述第二端口发射出，使得所述信号光向外界发射出，以及由外界返回的光由所述第二端口进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出，使由外界返回的光入射到所述接收组件12。

可选的，由所述第二端口发射出的所述信号光被分出一路信号光，该路信号光由所述第二端口返回进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出而入射到所述接收组件12。那么，没有经过外界的信号光和由外界返回的光分别通过第三端口入射到接收组件12。

若导光组件11采用光纤与望远光学系统相连，可以将该光纤与导光装置的第二端口连接。可参考图2，图2为又一实施例提供的一种雷达系统的示意图，如图所示导光装置103包括第一端口a、第二端口b和第三端口c，第二端口b与望远光学系统104可通过光纤相连。通过第一端口a进入导光装置103的信号光从第二端口b发射出；由光纤端面反射回的信号光以及由外界返回的光分别通过第二端口b返回到导光装置103内，并通过第三端口c发射出。可选的，导光装置103可采用但不限于环形器。

可选的，接收组件12可包括第一分光元件，所述导光组件11将分出的一路信号光入射到所述第一分光元件，以及将由外界返回的光入射到所述第一分光元件，所述第一分光元件用于将入射到所述第一分光元件的光分出第一路光和第二路光，所述第一路光用于与所述本振光混合。

进一步的，所述接收组件12还包括第一偏振分光元件和第二偏振分光元件，所述第一偏振分光元件用于将所述第一路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，所述第二偏振分光元件用于将所述第二路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光。可参考图2所示，接收组件12包括第一分光元件107、第一偏振分光元件108和第二偏振分光元件109，第一分光元件107将导光装置103的第三端口c出射的光分成第一路光和第二路光，分别入射到第一偏振分光元件108和第二偏振分光元件109。第二偏振分光元件109将第二路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，分别入射到第三探测器114和第四探测器115。第三探测器114用于测量第二偏振分光元件109分出的第一偏振分量光，得到第三测量结果。第四探测器115用于测量第二偏振分光元件109分出的第二偏振分量光，得到第四测量结果。

进一步的，接收组件12还可包括第二分光元件，第二分光元件用于将所述发射组件10发出的所述本振光分成两路。接收组件12还可包括第一耦合元件和第二耦合元件，一路所述本振光和由所述第一偏振分光元件分出的第一偏振分量光进入所述第一耦合元件进行混合，另一路所述本振光和由所述第二偏振分光元件分出的第二偏振分量光进入所述第二耦合元件进行混合。请结合参考图2所示，第二分光元件106将发射组件10发出的本振光分成两路，分别入射到第一耦合元件110和第二耦合元件111。第一偏振分光元件108将第一分光元件107分出的第一路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，分别入射到第一耦合元件110和第二耦合元件111。第一耦合元件110出射的混合光入射到第一探测器112，由第一探测器112得到第一测量结果，第二耦合元件111出射的混合光入射到第二探测器113，由第二探测器113得到第二测量结果。各个探测器对接收的光进行光电转换得到测量结果。

可选的，发射组件10可包括光源装置和调制装置，所述调制装置用于将所述光源装置发出的一路光进行调制，形成所述信号光。可选的，发射组件10可包括光源装置和偏振元件，所述偏振元件用于将所述光源装置发出的另一路光形成本振光，并使所述本振光入射到所述接收组件12。

优选的，导光组件11可包括放大器，用于将发射组件10发射出的信号光功率进行放大。可参考图2，光源装置100发出一路光入射到调制装置101，以及发出另一路光入射到偏振元件105。调制装置101生成的信号光入射到放大器102，通过放大器102后入射到导光装置103，通过第一端口a进入导光装置103。一路光通过偏振元件105后生成本振光。

优选的，本实施例的雷达系统中各个部件之间可以通过光纤相连，能够降低光能量损失，提高系统稳定性。

调制装置101可以将光源装置100出射光进行频移以及转换为光脉冲，形成信号光。

未经过外界的信号光以及由外界返回的光分别入射到第一分光元件107，第一分光元件107分出的第一路光的能量大于第二路光的能量。由于未经过外界的信号光较强，由外界返回的光较弱，第二偏振分光元件109接收到的光主要为未经过外界的信号光，从而实现对未经过外界的信号光偏振态的监测。

未经过外界的信号光和由外界返回的光入射到接收组件12存在时间差，在前期阶段未经过外界的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光会分别进入第一耦合元件110和第二耦合元件111内，与本振光混合干涉，可以将第一探测器112和第二探测器113对这部分光的测量结果不参与计算。

可选的，处理装置13用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱幅值之比，记录为第一退偏比，以及根据所述第三测量结果和所述第四测量结果获得未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的能量幅值之比或者频谱幅值之比，记录为校正因子，使用所述校正因子对所述第一退偏比进行校正，获得外界大气的退偏比信息。

处理装置13对第一测量结果和第二测量结果分别进行频谱分析，分别得到由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱，计算第一退偏比R，可根据以下公式计算：R=由外界返回光的第一偏振分量光的频谱幅值/由外界返回光的第二偏振分量光的频谱幅值。

处理装置13根据第三测量结果和第四测量结果计算校正因子Q，可以以未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的能量幅值之比作为偏振校正因子Q，可根据以下公式计算：Q=未经过外界的信号光的第一偏振分量光的能量幅值/未经过外界的信号光的第二偏振分量光的能量幅值。

或者，处理装置13可以对第三测量结果和第四测量结果进行频谱分析，分别得到未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱，可以以未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱幅值之比作为偏振校正因子Q，可根据以下公式计算：Q=未经过外界的信号光第一偏振分量光的频谱幅值/未经过外界的信号光的第二偏振分量光的频谱幅值。

进而，可以根据以下公式，使用校正因子Q对第一退偏比R进行校正，获得外界大气真实的退偏比：|R-Q|/(1+RQ)。第一偏振分量光可以是s偏振光，第二偏振分量光可以是p偏振光。

处理装置13用于对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行频谱分析，将两者的频谱相加以及计算频谱的偏移，获得大气的风场信息。大气的风场信息包括但不限于风速。

在一具体实例中，光源装置100采用商用的非保偏光线光纤激光器，输出功率20mW，激光波长1550nm。调制装置101使用声光调制器AOM。放大器102选择光纤脉冲放大器，输出脉冲能量100uJ。导光装置103采用环形器，采用单模环形器。望远光学系统104的焦距为400mm，接收口径100mm。偏振元件105采用起偏器，选择1550nm 单模起偏器，第二分光元件106采用PM1550 1*2 保偏耦合器，第一分光元件107采用普通单模SM15501*2耦合器。第一偏振分光元件108和第二偏振分光元件109采用1550nmPBS，偏振抑制比＞20dB。第三探测器114、第四探测器115选择低噪声的pin探测器。第一耦合元件110和第二耦合元件111选择PM1550 2*2光纤耦合器。第一探测器112、第二探测器113选择THORLABS PDB430C平衡探测器。数据采集卡116采用自研多通道数据采集器。

以上对本发明所提供的一种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。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 (10)

1.一种雷达系统，其特征在于，包括发射组件、导光组件、接收组件和处理装置；

所述发射组件用于发出一路信号光以及一路本振光，使所述信号光入射到所述导光组件，使所述本振光入射到所述接收组件；

所述导光组件用于将所述信号光分出一路，使该路信号光入射到所述接收组件，以及将所述信号光分出另一路，使该路信号光向外界发射出，并将由外界反射回的光引导入射到所述接收组件；

所述接收组件用于将由外界返回的光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，并将第一偏振分量光与所述本振光混合得到第一测量结果，将第二偏振分量光与所述本振光混合得到第二测量结果，以及将由所述导光组件入射到所述接收组件的所述信号光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，相应得到第三测量结果和第四测量结果；

所述处理装置用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得外界大气的风场信息，以及结合所述第三测量结果和所述第四测量结果获得外界大气的退偏比信息。

2.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述导光组件包括设置在望远光学系统背向外界一侧的反光元件，所述反光元件用于将即将向外界发射出的所述信号光一部分反射，实现将所述信号光分出一路入射到所述接收组件。

3.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述导光组件包括与望远光学系统相连的光纤，入射到所述导光组件的所述信号光通过所述光纤入射到所述望远光学系统，由所述光纤的端面将所述信号光反射，实现将入射到所述导光组件的所述信号光分出一路入射到所述接收组件。

4.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述导光组件包括导光装置，所述导光装置至少包括第一端口、第二端口和第三端口，入射到所述导光组件的所述信号光由所述第一端口进入所述导光装置，并由所述第二端口发射出，使得所述信号光向外界发射出，以及由外界返回的光由所述第二端口进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出，使由外界返回的光入射到所述接收组件。

5.根据权利要求4所述的雷达系统，其特征在于，由所述第二端口发射出的所述信号光被分出一路信号光，该路信号光由所述第二端口返回进入所述导光装置，并由所述第三端口发射出而入射到所述接收组件。

6.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述接收组件包括第一分光元件，所述导光组件将分出的一路信号光入射到所述第一分光元件，以及将由外界返回的光入射到所述第一分光元件，所述第一分光元件用于将入射到所述第一分光元件的光分出第一路光和第二路光，所述第一路光用于与所述本振光混合。

7.根据权利要求6所述的雷达系统，其特征在于，所述接收组件还包括第一偏振分光元件和第二偏振分光元件，所述第一偏振分光元件用于将所述第一路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光，所述第二偏振分光元件用于将所述第二路光分成第一偏振分量光和第二偏振分量光。

8.根据权利要求6所述的雷达系统，其特征在于，所述第一路光的能量大于所述第二路光的能量。

9.根据权利要求1-8任一项所述的雷达系统，其特征在于，所述处理装置用于根据所述第一测量结果和所述第二测量结果获得由外界返回的光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的频谱幅值之比，记录为第一退偏比，以及根据所述第三测量结果和所述第四测量结果获得未经过外界大气的信号光的第一偏振分量光和第二偏振分量光的能量幅值之比或者频谱幅值之比，记录为校正因子，使用所述校正因子对所述第一退偏比进行校正，获得外界大气的退偏比信息。

10.根据权利要求1-8任一项所述的雷达系统，其特征在于，所述处理装置用于对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行频谱分析，将两者的频谱相加以及计算频谱的偏移，获得大气的风场信息。

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