CN114019534A - 一种测风雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测风雷达，包括：激光器；第一耦合器，用于将激光光束分为第一光束和第二光束；环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口；四分之一波片，由第二端口出射到环形器外的第一光束经四分之一波片后照射到探测区域，回波信号经四分之一波片由第二端口进入到环形器中，并由第三端口出射到环形器外；偏振分束器，用于根据第三端口出射到环形器外的回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束；第二方向与第一方向正交；第二耦合器，用于将第二光束和第三光束混频形成回波信号拍频光束；光电探测器，用于探测回波信号拍频光束。本发明实施例提供一种测风雷达，以实现提高探测信噪比，在激光器输出功率不变的前提下，增加测风雷达的探测距离。

Description

一种测风雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及一种测风雷达。
背景技术
激光雷达以激光器作为光源，通过探测激光与大气相互作用后的辐射信号来测量大气参数。相比于微波雷达，激光雷达不受电磁干扰，测量范围广、精度高，因而得到了广泛应用。相比于固体激光器和半导体激光器，光纤激光器具有光束质量好、体积小、重量轻、易于维护等优势，以光纤激光器作为激光源、光纤环形器作为收发装置，构建全光纤型便携式激光雷达，已经成为当前的重要发展方向。
激光雷达分为相干(外差)和非相干两种探测方式。相干探测方式将接收到的后向散射信号与本振信号混频后来获取大气参数，具有信噪比高、灵敏度高、距离分辨率高、速度分辨率高以及对背景光不敏感等优点，使得相干激光雷达倍受人们的重视。
三端口环形器作为全光纤激光雷达中的收发装置，其性能参数，对测量灵敏度影响重大。然而环形器内固有的1-3端口的残余泄漏(crosstalk)与端面反射会形成噪声信号，叠加在回波信号中，大幅降低探测信噪比。特别是对于十公里以上的远距离探测，由于回波信号非常微弱，任何一点噪声信号都会对系统探测精度产生严重影响，使得激光雷达的精准探测距离非常有限。
发明内容
本发明实施例提供一种测风雷达，以实现提高探测信噪比，在激光器输出功率不变的前提下，增加测风雷达的探测距离。
本发明实施例提供一种测风雷达，包括：
激光器，用于发射线偏振的激光光束；所述激光光束的偏振方向为第一方向；
第一耦合器，用于将所述激光光束分为第一光束和第二光束；
环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光束经所述第一端口入射至所述环形器中，并由所述第二端口出射到所述环形器外；
四分之一波片，由所述第二端口出射到所述环形器外的所述第一光束经所述四分之一波片后照射到探测区域，回波信号经所述四分之一波片由所述第二端口进入到所述环形器中，并由所述第三端口出射到所述环形器外；
偏振分束器，用于根据所述第三端口出射到所述环形器外的所述回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束；所述第二方向与所述第一方向正交；
第二耦合器，用于将所述第二光束和所述第三光束混频形成回波信号拍频光束；
光电探测器，用于探测所述回波信号拍频光束。
可选地，所述环形器的第一端口用于透过所述第一方向的线偏振光，并截止与所述第一方向垂直的方向的线偏振光。
可选地，所述环形器的第二端口用于透过所述第一方向的线偏振光。
可选地，所述环形器的第三端口用于透过与所述第一方向垂直的方向的线偏振光，且，能够透过第一方向的线偏振光。
可选地，还包括二分之一波片，所述第二光束经所述二分之一波片后透射至所述第二耦合器。
可选地，还包括声光调制器，所述第一耦合器产生的所述第一光束经所述声光调制器的调制后，投射至所述第一端口。
可选地，还包括光纤放大器，所述光纤放大器的一端与所述声光调制器相连接，所述光纤放大器的另一端与所述第一端口相连接，用于放大经所述声光调制器的调制后的第一光束。
可选地，还包括准直器，所述准直器位于所述第二端口与所述四分之一波片之间的光学路径上。
可选地，所述激光器为单频激光器，所述第一耦合器和所述第二耦合器均为光纤耦合器。
本发明实施例提供一种测风雷达，在环形器的第二端口处设置四分之一波片，以及在环形器的第三端口处设置偏振分束器。第一方向偏振的第一光束经四分之一波片出射后，回波信号再次经过经四分之一波片并返回到环形器中的偏振方向与第一方向垂直，由此，回波信号的偏振方向与第一光束的偏振方向垂直。然后，通过后续光路中的偏振分束器将正交状态的第一光束与回波信号分离。偏振分束器将投射至其上的第一光束导出到光路外，不参与形成拍频。偏振分束器将回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束，第二光束和第三光束混频形成回波信号拍频光束。从而避免了环形器隔离度不够，交叉串扰等出现的泄露信号叠加到回波信号中，使得探测信噪比下降，测量距离有限的问题。实现了提高探测信噪比，在激光器输出功率不变的前提下，增加了测风雷达的探测距离。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种测风雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图；
图5为在10KM处，没有偏振控制的回波信号拍频示意图；
图6为在10KM处，经偏振控制的回波信号拍频示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
要想提高探测信噪比、增加测风雷达探测距离，一般的有如下几种方式：
1.使用更窄线宽更高功率的激光源。当发射的激光的相干长度大于探测距离时，大气气溶胶粒子后向散射信号与本振光形成的相干信号强，反之，信号减弱并且功率谱密度展宽为发射激光的线宽的2倍，导致频谱峰值的提取精度降低。同时为了保证在接收端能探测到回波信号，当探测距离为3km时，要求激光脉冲的能量要大于数百μJ。然而窄线宽激光进行光纤放大时，由于光纤中固有的非线性效应，使得输出功率有限，若使用固体放大器进行放大，尽管可以大幅提升输出功率，但会破坏全光纤结构，稳定性变差，且成本很高。
2.使用单光子探测器。光能量的最小单位是一个光子，这是由量子理论确定的不可再分的量子极限。因此，光探测能力的极限是实现单光子探测。使用单光子探测器可以测量极微弱的回波信号，侧面增加了探测距离，但是这种单光子探测器的探测波段有限，使用环境严苛，且价格昂贵。
本发明为了解决现有测风雷达中由于环形器隔离度不够，交叉串扰等出现的泄露信号叠加到回波信号中，使得探测信噪比下降，测量距离有限的问题。
图1为本发明实施例提供的一种测风雷达的结构示意图，参考图1，测风雷达包括：激光器1、第一耦合器2、环形器3、四分之一波片4、偏振分束器5、第二耦合器6和光电探测器7。激光器1用于发射线偏振的激光光束，激光光束的偏振方向为第一方向。第一耦合器2用于将激光光束分为第一光束和第二光束。环形器3包括第一端口31、第二端口32和第三端口33，第一光束经第一端口31入射至环形器3中，并由第二端口32出射到环形器3外。由第二端口32出射到环形器3外的第一光束经四分之一波片4后照射到探测区域，被探测区域反射后形成回波信号，回波信号经四分之一波片4由第二端口32进入到环形器3中，并由第三端口33出射到环形器3外。偏振分束器5用于根据第三端口33出射到环形器3外的回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束。其中，第二方向与第一方向正交。第二耦合器6用于将第二光束和第三光束混频形成回波信号拍频光束。光电探测器7用于探测回波信号拍频光束。
本发明实施例提供一种测风雷达，在环形器3的第二端口32处设置四分之一波片4，以及在环形器3的第三端口33处设置偏振分束器5。第一方向偏振的第一光束经四分之一波片4出射后，回波信号再次经过经四分之一波片4并返回到环形器3中的偏振方向与第一方向垂直，由此，回波信号的偏振方向与第一光束的偏振方向垂直。然后，通过后续光路中的偏振分束器5将正交状态的第一光束与回波信号分离。偏振分束器5将投射至其上的第一光束导出到光路外，不参与形成拍频。偏振分束器5将回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束，第二光束和第三光束混频形成回波信号拍频光束。从而避免了环形器3隔离度不够，交叉串扰等出现的泄露信号叠加到回波信号中，使得探测信噪比下降，测量距离有限的问题。实现了提高探测信噪比，在激光器输出功率不变的前提下，增加了测风雷达的探测距离。
可选地，第一方向与第二方向相互垂直。以第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向为例。水平方向与竖直方向相互垂直。激光器1发射激光光束的偏振方向为竖直方向，激光光束经过第一耦合器2分束后所形成的第一光束的偏振方向为竖直方向。第一光束经环形器3的第一端口31、第二端口32透射至四分之一波片4后，第一光束的偏振态旋转45°。回波信号再次经过四分之一波片4后，回波信号的偏振态继续旋转45°成为水平偏振光，即，投射至第二端口32的回波信号的偏振方向为水平方向。由环形器3的第三端口33出射的光束中包括水平方向偏振的回波信号和竖直方向偏振的第一光束，偏振分束器5将水平方向偏振的回波信号形成第三光束，将竖直方向偏振的第一光束导出到光路外，不参与形成拍频。可见，设置第一方向与第二方向相互垂直，偏振分束器5可以将全部的回波信号形成第三光束，并将全部的第一光束导出到光路外，有利于提高回波信号的强度，并降低第一光束的强度，提供探测信噪比。
可以理解的是，在其他实施方式中，第一方向还可以与第二方向不垂直，并呈大于0°且小于90°的某一夹角。只要第一方向与第二方向交叉，偏振分束器5便可以根据第三端口33出射到环形器3外的回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束，且随着第二方向越来越靠近第一方向的垂直方向，偏振分束器5对第一光束的过滤效果越来越好，越有利于提高探测信噪比。
可选地，环形器3的第一端口31用于透过第一方向的线偏振光，并截止与第一方向垂直的方向的线偏振光。在第一方向与第二方向垂直时，环形器3的第一端口31用于透过第一方向的线偏振光，并截止第二方向的线偏振光。本发明实施例中，环形器3的第一端口31用于透过第一方向的线偏振光，并截止与第一方向垂直的方向的线偏振光，从而可以完全透过第一方向偏振的第一光束，并防止环境光通过第一端口31进入到环形器3中。
可选地，环形器3的第二端口32用于透过第一方向的线偏振光。由第一端口31进入到环形器3中的第一光束的偏振方向还是第一方向，第一方向偏振的第一光束可以完全透过第二端口32，并出射到环形器3外。需要说明的是，环形器3的第二端口32还用于透过与第一方向垂直方向的线偏振光。
可选地，环形器3的第三端口33用于透过与第一方向垂直的方向的线偏振光，且也能透过第一方向的线偏振光。当回波信号与反射信号通过环行器3的第三端口33输出，后面的偏振分束器5将这两种信号分成两束正交的光束输出。减少由环形器3的第三端口33出射光束中的第一光束比例，并提高由环形器3的第三端口33出射光束中的回波信号比例，提高探测信噪比。
图2为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图，参考图2，测风雷达还包括二分之一波片8，第二光束经二分之一波片8后透射至第二耦合器6。激光光束经过第一耦合器2分束后所形成的第二光束的偏振方向为第一方向，第二光束投射至二分之一波片8，二分之一波片8将第一方向偏振的光变为与第二方向(以第一方向与第二方向垂直为例)偏振的光。第二方向偏振的第二光束与第二方向偏振的第三光束在第二耦合器6中合束混频，形成回波信号拍频光束。
图3为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图，参考图3，测风雷达还包括声光调制器9，第一耦合器2产生的第一光束经声光调制器9的调制后，投射至第一端口31。
可选地，参考图3，测风雷达还包括光纤放大器10，光纤放大器10的一端与声光调制器9相连接，光纤放大器10的另一端与第一端口31相连接，用于放大经声光调制器9的调制后的第一光束。
图4为本发明实施例提供的另一种测风雷达的结构示意图，参考图4，测风雷达还包括准直器11，准直器11位于第二端口32与四分之一波片4之间的光学路径上。由第二端口32出射的第一光束经过准直器11的准直后，投射至四分之一波片4。回波信号穿过四分之一波片4，并经准直器11的准直后，投射至环形器3的第二端口32。本发明实施例中，通过设置准直器11，提高了投射至四分之一波片4的第一光束的光能量，以及提高了投射至第二端口32的回波信号的光能量，提高了探测信噪比。
可选地，激光器1为单频激光器，第一耦合器2和第二耦合器6均为光纤耦合器。本发明实施例提供的测风雷达中多个元件之间可以通过光纤连接，从而构建全光纤型便携式测风雷达。
示例性地，激光器1与第一耦合器2之间通过光纤连接，第一耦合器2与声光调制器9之间通过光纤相连接，声光调制器9与光纤放大器10之间通过光纤相连接，光纤放大器10与环形器3的第一端口31之间通过光纤相连接，环形器3的第三端口33与偏振分束器5之间通过光纤相连接，偏振分束器5与第二耦合器6之间通过光纤相连接，第一耦合器2与二分之一波片8之间通过光纤相连接，二分之一波片8与第二耦合器6之间通过光纤相连接，第二耦合器6与光电探测器7之间通过光纤相连接。
作为一种示例，参考图4，测风雷达的结构原理如下：本发明实施例中使用的激光器1为线偏振窄线宽的单频激光器，慢轴工作，经99:1的第一耦合器2分为两路，99％的光能量经声光调制器9进行波形调制后，再经由光纤放大器10放大，放大后的第一光束由三端口的环形器3的第二端口32后，经准直器11发射出去，该环形器3的第一端口31和第二端口32均是慢轴工作快轴截止，第三端口33双轴工作。由第二端口32输出的竖直方向偏振的光经四分之一波片4后偏振态旋转45°，投射到第二端口32的回波信号经四分之一波片11后偏振态继续旋转45°成为水平偏振光。由第三端口33出射的光束经过偏振分束器5后将窜扰、端面反射带来的竖直偏振光与回波信号的水平偏振光分离，偏振分束器5将窜扰、端面反射带来的竖直偏振光从光路中由第二路径52导出，偏振分束器5将水平偏振的回波信号由第一路径51导出到第二耦合器6。经99:1的第一耦合器2分为两路的激光光束，1％的光能量经二分之一玻片将偏振态由水平偏振变为水平偏振后，由第一路径51传输的回波信号与本振光通过50:50的第二耦合器6混频，混频后的信号由光电探测器7探测，大幅提高探测信噪比。其中，快轴方向为水平方向，慢轴方向为竖直方向。本发明实施例实现的测风雷达具有的优点：结构简单，制作方便；信噪比高；探测距离远；体积小、成本低。
图5为在10KM处，没有偏振控制的回波信号拍频示意图，图6为在10KM处，经偏振控制的回波信号拍频示意图，即，图6为采用本发明实施例方案后，所得到的回波信号拍频示意图，结合参考图5和图6，本发明实施例相当于没有偏振控制的方案而言，实现了提高探测信噪比。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种测风雷达，其特征在于，包括：
激光器，用于发射线偏振的激光光束；所述激光光束的偏振方向为第一方向；
第一耦合器，用于将所述激光光束分为第一光束和第二光束；
环形器，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一光束经所述第一端口入射至所述环形器中，并由所述第二端口出射到所述环形器外；
四分之一波片，由所述第二端口出射到所述环形器外的所述第一光束经所述四分之一波片后照射到探测区域，回波信号经所述四分之一波片由所述第二端口进入到所述环形器中，并由所述第三端口出射到所述环形器外；
偏振分束器，用于根据所述第三端口出射到所述环形器外的所述回波信号中第二方向偏振的光形成第三光束；所述第二方向与所述第一方向正交；
第二耦合器，用于将所述第二光束和所述第三光束混频形成回波信号拍频光束；
光电探测器，用于探测所述回波信号拍频光束。
2.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述环形器的第一端口用于透过所述第一方向的线偏振光，并截止与所述第一方向垂直的方向的线偏振光。
3.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述环形器的第二端口用于透过所述第一方向的线偏振光。
4.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述环形器的第三端口用于透过与所述第一方向垂直的方向的线偏振光，且，透过第一方向的线偏振光。
5.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，还包括二分之一波片，所述第二光束经所述二分之一波片后透射至所述第二耦合器。
6.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，还包括声光调制器，所述第一耦合器产生的所述第一光束经所述声光调制器的调制后，投射至所述第一端口。
7.根据权利要求6所述的测风雷达，其特征在于，还包括光纤放大器，所述光纤放大器的一端与所述声光调制器相连接，所述光纤放大器的另一端与所述第一端口相连接，用于放大经所述声光调制器的调制后的第一光束。
8.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，还包括准直器，所述准直器位于所述第二端口与所述四分之一波片之间的光学路径上。
9.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述激光器为单频激光器，所述第一耦合器和所述第二耦合器均为光纤耦合器。
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