CN114355320B - 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 - Google Patents
用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114355320B CN114355320B CN202111677385.1A CN202111677385A CN114355320B CN 114355320 B CN114355320 B CN 114355320B CN 202111677385 A CN202111677385 A CN 202111677385A CN 114355320 B CN114355320 B CN 114355320B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- calibration
- laser
- optical fiber
- delay line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置，它包括种子激光器、分路/隔离器、射频驱动器、声光调制器、激光放大模块、光纤环形器、可调光纤衰减器、已标定的光纤延时线、耦合器、平衡光电探测器、数据采集及信号处理模块。由于光纤延时线不占场地，可操作性、可生产性较强，有利于提高激光雷达批量生产效率；光纤延时线长度固定个，因此标定的距离精确，有利于提高激光雷达探测距离精度；光纤延时线状态稳定，回光信号不饱和，可以准确标定出激光雷达中频值，有利于提高激光雷达测速精度。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达领域，具体是一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法。
背景技术
相干多普勒激光测风雷达利用气溶胶后向散射信号和本振光拍频，通过采集拍频信号进行数字解调及算法处理后，可得到不同距离待测目标的风场信息。雷达中存在多个反射面的叠加(例如光纤端面、望远镜镜片等)，与本振光拍频得到端面信号中心作为参考起始时间，通过采集待测目标与端面信号之间的时间间隔，来标定出待测目标的距离。由于受声光驱动器、调制器响应特性的影响，实际的脉冲端面信号相对TTL触发信号而言存在一个延时，因此，需要标定出实际的脉冲端面信号发射时刻，才能准确地标定出激光雷达探测距离；且在窄脉冲的情况下，脉冲波形受到调制后，中频发生变化，因此也需要标定出激光雷达的中频fIF。
现有激光雷达端面信号发射时刻标定方法有硬靶标定或者根据采集到的端面信号直接算法算出端面信号中心、中频的方法是用硬靶来标定的：(1)用硬靶距标定距离修定出雷达端面信号发射时刻。因为激光雷达有一定盲区，所以硬靶的位置至少放在盲区之外的距离才可以标定出硬靶的距离，一般盲区距离为L＝τ*c/2(其中τ为激光雷达脉冲宽度,c为光速一般为3*108m/s)。因此硬靶标定距离的方法受场地环境因素的限制，不利于激光雷达在大批量生产时进行标定。(2)用硬靶标定中频。根据公式v＝|f-fIF|*λ/2(其中f为激光雷达所采集到的待测目标返回的频率，fIF为激光雷达中频，λ为激光波长)，当已知硬靶速度即可标定出中频，所以用硬靶标定时需要准确地测量出硬靶的移动速度，才能准确地标定出激光雷达的中频。因此，硬靶标定中频的方法受硬靶移动速度的准确性影响及周围环境影响，不能精准标定中频。(3)由于接收端动态范围有限，激光雷达正常开启时，端面信号强度较大使得探测器饱和，算法处理得到的时域的端面信号出现饱和、失真现象，由此计算出来的端面信号发射时刻、中频不够准确，不利于激光雷达对待测风场的距离和速度进行测量。针对端面信号饱和、失真的现象，现有方法会采用降低出光功率的方法来解决，但此时标定出的脉冲信号发射时间较激光器全部开启时的时间有一定误差，也会导致端面信号标定不准确，进而也不利于激光雷达的精确探测。
相干多普勒测风激光雷达的工作原理是：种子激光器输出的连续激光通过分束器分为两路，一路是连续激光经过可调衰减器后作为本振光输入到耦合/分束器；另一路连续激光经过声光调制器后被调制成脉冲激光并产生移频量fIF,脉冲激光经光纤放大器放大后，经过光纤环形器和望远镜发射到大气中。脉冲激光与大气中运动的气溶胶粒子相互作用，气溶胶的后向散射信号产生多普勒频移fD，然后进入耦合/分束器与本振光相干拍频。相干拍频后的信号又经过平衡光电探测器转换成模拟射频信号，用A/D采集卡将模拟信号转换成数字信号，然后通过算法处理计算出信号的频率f＝fIF+fD，因为已知fIF，通过公式v＝fD*λ/2(其中fD为气溶胶后向散射信号产生的多普勒移频量，λ为激光波长，v为光探测方向上的风速)和脉冲激光飞行时间ΔT计算出不同距离D＝(ΔT*c)/2的风速(c＝3*108m/s，为光速)。
图1给出了一个硬靶标定端面信号中心和中频原理图，包括：
1-种子激光器：用于输出连续激光。
2-分路/隔离器：将种子激光器1的输出光分为两束，一束用作本振光，一束用于脉冲放大；防止回光回到种子激光器1，保护种子激光器1。
3-射频驱动器：输出信号施加到声光调制器4上。
4-声光调制器：将隔离器2输出的一束连续激光调制成脉冲激光并产生一定的移频量。
5-激光放大模块：将声光调制器4输出的脉冲激光放大至适当功率，其中包括第一级放大器5-1和第二级放大器5-2。
6-光纤环形器：一端口接收光纤放大器5的输出功率，二端口发射脉冲激光至硬靶，三端口接收硬靶散射信号。
7-耦合器：将隔离器2输出的一束本振光和保偏光纤环形器6三端口接受的气溶胶后向散射信号耦合、进行相干拍频，并平分为两束输入平衡光电探测器8中。
8-平衡光电探测器：将相干拍频后的光信号转换成电信号，并输出差频信号。
9-数据采集及信号处理模块：将平衡光电探测器8输出的连续的模拟信号转换成离散的数字信号，进行数据处理，并得到信号的时域及频域图。
10-透镜：将发射的脉冲激光聚焦到速度可调转轮11边缘。
11-速度可调转轮：作为硬靶，散射回光信号，进行标定，速度由步进电机控制。
具体测试方法如下：
种子激光器1输出连续激光，连续激光经过分路/隔离器2，此分路/隔离器2将连续激光分为两路，一路本振光和一路信号光，并防止后向回光进入种子激光1造成损伤；信号光一路经过声光调制器4，雷达系统给射频驱动器3输入同步的调制信号，由射频驱动器3输出到声光调制器4，信号光被声光调制器4调制成脉冲激光并产生一定的移频量fIF；调制后的脉冲激光经过激光放大模块5被放大至探测所需功率；放大后的脉冲激光从光纤环形器6的端口一输入，从光纤环形器6的端口二发射至透镜10，由透镜10将脉冲激光聚焦到距离雷达发射端面L米(此距离需大于盲区)处的速度可调转轮11的边缘，通过调节步进电机来控制转轮以固定速度v转动，从转轮边缘散射的回光信号被环形器6三端口接收；回光信号和分路/隔离器2的一路本振光耦合至耦合器7中，进行相干拍频并分为两束；两束相干拍频后的光信号输入平衡光电探测器8，由平衡光电探测器8将光信号转换为电信号，输入到数据采集及信号处理模块9。
观察数据采集及信号处理模块9输出的时域信号，此时时域信号中出现了如图2所示的时域信号，第一个脉冲信号为端面信号，第二个脉冲信号为硬靶的反射信号，两个脉冲信号均出现了饱和失真的现象。此时降低模块5放大倍数直至时域信号中的信号的幅值正好在数据采集模块可测量范围内。经过数据采集及信号处理模块9处理得到硬靶回光信号的时间t1，根据公式D＝Δt*c/2(其中两脉冲之间的时间间隔Δt＝t1-t0，c为光速),已知t1和距离D(即L米)，即可标定出端面信号在时域上的位置t0，则激光雷达可根据标定出的t0，得到待测目标与t0之间的时间间隔，然后计算出待测目标的距离。再将第二个硬靶散射的回光信号进行傅里叶变换得到其频域信号，则可以得到其频率f,根据公式v＝|f-fIF|*λ/2，已知转轮11转动速度v,可以标定出中频fIF。
存在问题如下：
(1)现有方法硬靶距离标定时，激光雷达存在盲区，硬靶的距离需要设置在盲区之外，标定时所需场地较大，可生产性较低，不利于大批量生产时进行标定操作。本发明将利用光纤延时线标定的方法，不占场地，可操作性强，有利于生产批量操作。
(2)现有方法硬靶距离标定时，由于硬靶需放置在距离激光发射端面较远的地方，无法保证激光雷达与硬靶安装角度完全对准，即无法保证脉冲激光是否垂直打在硬靶目标上，则标定的距离就会存在误差，那么标定出的端面信号在时域上的位置就会有误差，不利于激光雷达精确测量待测目标的距离。本发明利用固定长度光纤延时线进行标定，且光纤状态稳定，因此可以准确标定出距离，有利于提高激光雷达的距离探测的精确度。
(3)现有方法利用运动的硬靶来标定中频，由于利用步进电机控制转轮(即硬靶)的速度，硬靶速度精度不高，因此标定出的激光雷达中频会出现误差，不利于激光雷达对待测目标的速度进行测量。本发明利用光纤延时线标定，其输出端面类似于静止的硬靶，标定出的中频准确，有利于提高激光雷达对待测目标速度测量的精度。
(4)现有方法用硬靶来标定中频和距离时，由于信号强度较强，导致时域信号饱和失真，计算出的中频不准确，不利于激光雷达对待测目标的速度进行精确测量。若采用降低激光器出光功率的方法能标定出中频，与正常开启时的激光脉冲对比，如图3所示，两激光脉冲中心在是时域上存在一定差别，则此时端面信号在时域信号上的位置不准确，不利于激光雷达距离测量。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种激光器正常工作的标定方法，准确标定出中频和端面信号，有利于提高激光雷达的性能。
技术方案：
本申请首先提出了一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置，它包括种子激光器(10)、分路/隔离器(11)、射频驱动器(12)、声光调制器(13)、激光放大模块(14)、光纤环形器(15)、可调光纤衰减器(16)、已标定的光纤延时线(17)、耦合器(18)、平衡光电探测器(19)、数据采集及信号处理模块(20)；
种子激光器(10)连接分路/隔离器(11)后分为两路输出，第一路连接声光调制器(13)的输入端，第二路连接耦合器(18)作为其第一路输入；
射频驱动器(12)输出调制信号至声光调制器(13)；
声光调制器(13)的输出端通过激光放大模块(14)连接光纤环形器(15)的一端口，光纤环形器(15)的二端口输出激光至可调光纤衰减器(16)的输入端，光纤环形器(15)的三端口接收回光信号并连接耦合器(18)作为其第二路输入；
可调光纤衰减器(16)的输出端连接已标定的光纤延时线(17)；
耦合器(18)将第一路输入的本振光和第二路输入的回光信号进行相干拍频，并平分为两束传输至平衡光电探测器(19)；
平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号后输入至数据采集及信号处理模块(20)。
为了进行多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定，光纤延时线(17)通过标定装置完成标定，所述标定装置包括：标定用种子激光器(1)、标定用隔离器(2)、标定用射频驱动器(3)、标定用声光调制器(4)、标定用分路器(5)、待标定的光纤延时线(17)、标定用耦合器(7)、标定用光电探测器(8)、标定用数据采集及分析模块(9)；
标定用种子激光器(1)通过标定用隔离器(2)连接标定用声光调制器(4)；
标定用射频驱动器(3)输出射频电信号至声光调制器(4)；
声光调制器(4)的输出信号连接标定用分路器(5)，一路输出信号通过待标定的光纤延时线(17)作为第一输入信号连接标定用耦合器(7)；另一路输出信号直接作为第二输入信号连接标定用耦合器(7)；
标定用耦合器(7)将延时线输出断面的光信号与激光器实际输出端面的光信号耦合；
标定用光电探测器(8)将光信号转换为电信号后输入至标定用数据采集及分析模块(9)。
本发明还提出了一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定的方法，它包括以下步骤：
S1、对光纤延时线(17)进行标定：基于光纤延时线(17)的标定装置获取光信号的时域图，从中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1；
S2、种子激光器(10)端面信号发射时刻标定：获取光信号的时域信号图，基于下式计算得到端面信号发射时刻t1'：
t1'＝t2'-Δt
式中，t2'表示第二个未饱和时延信号的时间；Δt表示总的时间差，Δt＝Δt1+Δt衰减器；
Δt衰减器表示光纤衰减器(16)的时间差，通过下式获得：
Δt衰减器＝h*n/0.3
式中，h为时域信号图中衰减器的高度，n为介质的折射率。
其中，S1具体步骤为：
S1-1、标定用种子激光器(1)输出连续激光，激光通过标定用隔离器(2)，防止回光返回对标定用种子激光器(1)造成损伤；
S1-2、系统给标定用射频驱动器(3)提供调制信号，并输入标定用声光调制器(4)；
S1-3、连续激光经过标定用声光调制器(4)调制成脉冲激光，再经过两输出臂长度相等的标定用分路器(5)，一路接入待标定的光纤延时线(17)，一路接入标定用耦合器(7)的一路输入，标定用耦合器(7)的另一路输入与光纤延时线(17)输出接；
S1-4、将延迟的光信号与未延迟的光信号耦合至标定用耦合器(7)并输出至标定用光电探测器(8)，转换为电信号；
S1-5、由标定用数据采集及分析模块(9)处理得到光信号的时域图，从图中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1。
其中，S2具体步骤为：
S2-1、种子激光器(10)输出连续激光，进入分路/隔离器(11)，将连续激光分为一路本振光，另一路被声光调制器(13)调制成脉冲激光并移频fIF；
S2-2、被调制后的脉冲激光进入激光放大模块(14)被放大；
S2-3、再经过环形器(15)，调节可调光纤衰减器(16)，使从光纤延时线(17)输出适当的功率；
S2-4、光纤延时线(17)输出端面的回光信号与环形器(15)二端口端面的回光信号从环形器(15)的三端口返回，与本振光经过耦合器(18)耦合并拍频；
S2-5、然后平分输出进入平衡光电探测器(19)，由平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号；
S2-6、最后进入数据采集及信号处理模块(20)，得到时域信号图，从图中读取第二个未饱和时延信号的时间t2'，衰减器的高度h；
则端面信号发射时刻t1'＝t2'-Δt1-h*n/0.3。
本发明还提出了一种用于多普勒测风激光雷达中频标定的方法，它包括以下步骤：
S1、获取光信号的时域信号图；
S2、数据采集及信号处理模块(20)将第二个未饱和时延信号的时域信号进行快速傅里叶变换，获得第二个未饱和端面信号的频率谱曲线；
S3、读取频率谱曲线获得种子激光器(10)的移频频率fIF；
S4、移频频率fIF即为种子激光器(10)的中频。
本发明的有益效果
本发明提出了一种利用光纤延时线对多普勒测风激光雷达距离和中频标定的方法。由于光纤延时线不占场地，可操作性、可生产性较强，有利于提高激光雷达批量生产效率；光纤延时线长度固定个，因此标定的距离精确，有利于提高激光雷达探测距离精度；光纤延时线状态稳定，回光信号不饱和，可以准确标定出激光雷达中频值，有利于提高激光雷达测速精度。
准确的中频标定有利于提高雷达测量的风速精度，准确地标定端面发射时间，有利于提高雷达探测距离的精度，从而，整体提高激光雷达的探测精度。
相对于传统的利用饱和的端面信号标定中频，本发明利用未饱和的端面信号计算出的中频更加准确。
附图说明
图1为背景技术中硬靶标定端面信号中心和中频原理图
图2为背景技术中硬把标定时域信号图
图3为背景技术中激光器降低出光功率与正常开启时的中频标定对比图
图4为本发明光纤延时线标定装置的结构图
图5为光纤延时线标定时获得的光信号的时域图
图6为本发明用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置图
图7为多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定时获得的时域信号图
图8为多普勒测风激光雷达中频标定时获得的频率谱图
图9为多普勒测风激光雷达中频标定流程图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
结合图6本发明首先公开了一种装置，它包括种子激光器10、分路/隔离器11、射频驱动器12、声光调制器13、激光放大模块14、光纤环形器15、可调光纤衰减器16、已标定的光纤延时线17、耦合器18、平衡光电探测器19、数据采集及信号处理模块20；
种子激光器10连接分路/隔离器11后分为两路输出，第一路连接声光调制器13的输入端，第二路连接耦合器18作为其第一路输入；
射频驱动器12输出调制信号至声光调制器13；
声光调制器13的输出端通过激光放大模块14连接光纤环形器15的一端口，光纤环形器15的二端口输出激光至可调光纤衰减器16的输入端，光纤环形器15的三端口接收回光信号并连接耦合器18作为其第二路输入；
可调光纤衰减器16的输出端连接已标定的光纤延时线17；
耦合器18将第一路输入的本振光和第二路输入的回光信号进行相干拍频，并平分为两束传输至平衡光电探测器19；
平衡光电探测器19将光信号转换为电信号后输入至数据采集及信号处理模块20。
该装置用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定。标定方法包括以下步骤：
S1、对光纤延时线17进行标定：基于光纤延时线17的标定装置获取光信号的时域图，从中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1；
S2、种子激光器10端面信号发射时刻标定：获取光信号的时域信号图，基于下式计算得到端面信号发射时刻t1'：
t1'＝t2'-Δt
式中，t2'表示第二个未饱和时延信号的时间；Δt表示总的时间差，Δt＝Δt1+Δt衰减器；Δt衰减器表示光纤衰减器16的时间差，通过下式获得：
Δt衰减器＝h*n/0.3
式中，h为时域信号图中衰减器的高度，n为介质的折射率。
其中，S1中光纤延时线17标定时需要使用一种标定装置如图4所示，所述标定装置包括：标定用种子激光器1、标定用隔离器2、标定用射频驱动器3、标定用声光调制器4、标定用分路器5、待标定的光纤延时线17、标定用耦合器7、标定用光电探测器8、标定用数据采集及分析模块9；
标定用种子激光器1通过标定用隔离器2连接标定用声光调制器4；
标定用射频驱动器3输出射频电信号至声光调制器4；
声光调制器4的输出信号连接标定用分路器5，一路输出信号通过待标定的光纤延时线17作为第一输入信号连接标定用耦合器7；另一路输出信号直接作为第二输入信号连接标定用耦合器7；
标定用耦合器7将延时线输出断面的光信号与激光器实际输出端面的光信号耦合；
标定用光电探测器8将光信号转换为电信号后输入至标定用数据采集及分析模块9。
S1的具体步骤为：
S1-1、标定用种子激光器1输出连续激光，激光通过标定用隔离器2，防止回光返回对标定用种子激光器1造成损伤；
S1-2、系统给标定用射频驱动器3提供调制信号，并输入标定用声光调制器4；
S1-3、连续激光经过标定用声光调制器4调制成脉冲激光，再经过两输出臂长度相等的标定用分路器5(两输出臂长度相等)，一路接入待标定的光纤延时线17，一路接入标定用耦合器7的一路输入，标定用耦合器7的另一路输入与光纤延时线17输出接；
S1-4、将延迟的光信号与未延迟的光信号耦合至标定用耦合器7并输出至标定用光电探测器8，转换为电信号；
S1-5、由标定用数据采集及分析模块9处理得到光信号的时域图如图5所示，从图中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1。
原理分析：第一个脉冲激光器实际输出端面的信号，第二个脉冲为经过一定长度的光纤延时线的信号，通过数据采集及分析模块处理计算得到两个脉冲信号的相对时间差为Δt1纳秒。
S2的具体步骤为：
S2-1、种子激光器10输出连续激光，进入分路/隔离器11，将连续激光分为一路本振光，另一路被声光调制器13调制成脉冲激光并移频fIF；
S2-2、被调制后的脉冲激光进入激光放大模块14被放大；
S2-3、再经过环形器15，调节可调光纤衰减器16，使从光纤延时线17输出适当的功率；
S2-4、光纤延时线17输出端面的回光信号与环形器15二端口端面的回光信号从环形器15的三端口返回，与本振光经过耦合器18耦合并拍频；
S2-5、然后平分输出进入平衡光电探测器19，由平衡光电探测器19将光信号转换为电信号；
S2-6、最后进入数据采集及信号处理模块20，得到时域信号图如图7所示，从图中读取第二个未饱和时延信号的时间t2'，衰减器的高度h；
则端面信号发射时刻t1'＝t2'-Δt1-h*n/0.3。
原理分析：第二个端面信号为衰减后经过延时线的输出端面返回的信号，由数据采集及信号处理模块20可以准确计算出此时第二个端面信号在时域信号上的位置t2'，测量出衰减器的长度h米，又知道光在均匀介质中的速度为(其中c为在真空中的光速，c＝c＝3*108m/s，n为介质的折射率)，则/>纳秒，因为第二个端面的信号是激光器实际输出端面输出后经延时线输出端面返回的信号，所以相当于从激光器实际输出端面输出的光在衰减器和延时线中走了一个来回的时间，所以Δt＝2*(Δt1+ΔΔt衰减器)，Δt1由光纤延时线测试标定得到。通过t1'＝t2'-Δt纳秒，可以得到激光雷达实际输出端面信号(即图7中第一个端面信号)在时域信号上的位置t1'，那么当激光雷达探测远距离时，数据采集及信号处理模块20可以测得的待测目标的回光信号在时域上的时间，从而根据公式D＝(ΔT*c)/2可以计精确算出待测目标的距离。
基于图6所示装置，还可以进行多普勒测风激光雷达中频标定，它包括以下步骤：
S1、获取光信号的时域信号图如图8所示；
S2、数据采集及信号处理模块(20)将第二个未饱和时延信号的时域信号进行快速傅里叶变换，获得第二个未饱和端面信号的频率谱曲线；
S3、读取频率谱曲线获得种子激光器(10)的移频频率fIF；
S4、移频频率fIF即为种子激光器(10)的中频。
原理分析：因为光纤延时线端面为静止的硬靶，第一个及第二的端面信号的频率相同，且第二个端面信号未饱和，所以信号处理模块可以将时域信号进行快速傅里叶变换，可以准确地得到第二个端面信号的频率谱曲线，从而得到激光器的移频频率fIF。其中快速傅里叶变换(FFT)，是将平稳的信号序列的M个观察数据看作是能量有限的信号，然后直接对回波信号的数据序列进行FFT变换，取变换后序列幅值的平方后除以数据的长度M，将所得结果作为该回波信号的功率谱估计，由此可得到雷达系统回波信号的功率谱，当信号进行大量脉冲频谱累加后，随机波动的噪声幅值相对较小，此时算法提取频率谱中的最大幅值所对应放入频率即是信号的工作频率。如图8所示，工作频率即此激光雷达标定出的移频频率fIF，即中频。流程图见图9所示，测风激光雷达系统的本振光和产生了多普勒频移之后的回波信号在激光雷达的平衡光电探测器上发生拍频。同时，该拍频信号在经过A/D转换电路处理后，采集后在系统中产生回波信号的数据。在接收回波信号期间，每个脉冲回波信号都需要对外差信号进行距离门的划分，以此得到风场的空间分辨率等信息，一般会议发射激光脉冲触发采集卡的时刻算起，每隔一段采集时间视为一个距离门。频谱计算一般采用快速傅里叶(FFT)算法对系统的时域回波信号进行频谱计算。因为大气气溶胶微粒密度具有较强的起伏，这导致在不同的时间段所接受到的回波信号和随机噪声都存在一定的波动，这就使得每次的频谱计算都相对具有一定的抖动，而对多个脉冲的频谱进行累加平均，能减少频谱的抖动，同时还能使弱信号的信噪比得到一定程度的提高。因为经过累加平均之后所得到的频谱还携带有大量的噪声频谱信息，因此还不能直接用此啦进行频谱计算，需要对该信号进行一定的背景噪声去除，来提高系统回波信号的信噪比。绘制出频率-幅度的图，算法计算寻找到频率-幅度图中的峰值所对应的频率，即为雷达的中频。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定的方法，其特征在于它包括以下步骤：
S1、对光纤延时线(17)进行标定：基于光纤延时线(17)的标定装置获取光信号的时域图，从中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1；
S2、种子激光器(10)端面信号发射时刻标定：获取光信号的时域信号图，基于下式计算得到端面信号发射时刻t1'：
t1'＝t2'-Δt
式中，t2'表示第二个未饱和时延信号的时间；Δt表示总的时间差，Δt＝Δt1+Δt衰减器；
Δt衰减器表示光纤衰减器(16)的时间差，通过下式获得：
Δt衰减器＝h*n/0.3
式中，h为时域信号图中衰减器的高度，n为介质的折射率；
S2具体步骤为：
S2-1、种子激光器(10)输出连续激光，进入分路隔离器(11)，将连续激光分为一路本振光，另一路被声光调制器(13)调制成脉冲激光并移频fIF；
S2-2、被调制后的脉冲激光进入激光放大模块(14)被放大；
S2-3、再经过环形器(15)，调节可调光纤衰减器(16)，使从光纤延时线(17)输出适当的功率；
S2-4、光纤延时线(17)输出端面的回光信号与环形器(15)二端口端面的回光信号从环形器(15)的三端口返回，与本振光经过耦合器(18)耦合并拍频；
S2-5、然后平分输出进入平衡光电探测器(19)，由平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号；
S2-6、最后进入数据采集及信号处理模块(20)，得到时域信号图，从图中读取第二个未饱和时延信号的时间t2'，衰减器的高度h；
则端面信号发射时刻t1'＝t2'-Δt1-h*n/0.3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S1具体步骤为：
S1-1、标定用种子激光器(1)输出连续激光，激光通过标定用隔离器(2)，防止回光返回对标定用种子激光器(1)造成损伤；
S1-2、系统给标定用射频驱动器(3)提供调制信号，并输入标定用声光调制器(4)；
S1-3、连续激光经过标定用声光调制器(4)调制成脉冲激光，再经过两输出臂长度相等的标定用分路器(5)，一路接入待标定的光纤延时线(17)，一路接入标定用耦合器(7)的一路输入，标定用耦合器(7)的另一路输入与光纤延时线(17)输出接；
S1-4、将延迟的光信号与未延迟的光信号耦合至标定用耦合器(7)并输出至标定用光电探测器(8)，转换为电信号；
S1-5、由标定用数据采集及分析模块(9)处理得到光信号的时域图，从图中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2-t1。
3.一种用于多普勒测风激光雷达中频标定的方法，其特征在于它包括以下步骤：
S1、对光纤延时线(17)进行标定；
S2、获取光信号的时域信号图；
S2具体步骤为：
S2-1、种子激光器(10)输出连续激光，进入分路隔离器(11)，将连续激光分为一路本振光，另一路被声光调制器(13)调制成脉冲激光并移频fIF；
S2-2、被调制后的脉冲激光进入激光放大模块(14)被放大；
S2-3、再经过环形器(15)，调节可调光纤衰减器(16)，使从光纤延时线(17)输出适当的功率；
S2-4、光纤延时线(17)输出端面的回光信号与环形器(15)二端口端面的回光信号从环形器(15)的三端口返回，与本振光经过耦合器(18)耦合并拍频；
S2-5、然后平分输出进入平衡光电探测器(19)，由平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号；
S2-6、最后进入数据采集及信号处理模块(20)，得到时域信号图，从图中读取第二个未饱和时延信号的时间；
S3、数据采集及信号处理模块(20)将第二个未饱和时延信号的时域信号进行快速傅里叶变换，获得第二个未饱和端面信号的频率谱曲线；
S4、读取频率谱曲线获得种子激光器(10)的移频频率fIF；
S5、移频频率fIF即为种子激光器(10)的中频。
4.一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定和中频标定的装置，用于实现权利要求1-2任一项所述的端面信号发射时刻标定的方法和权利要求3所述的中频标定的方法，其特征在于它包括种子激光器(10)、分路隔离器(11)、射频驱动器(12)、声光调制器(13)、激光放大模块(14)、光纤环形器(15)、可调光纤衰减器(16)、已标定的光纤延时线(17)、耦合器(18)、平衡光电探测器(19)、数据采集及信号处理模块(20)；
种子激光器(10)连接分路隔离器(11)后分为两路输出，第一路连接声光调制器(13)的输入端，第二路连接耦合器(18)作为其第一路输入；
射频驱动器(12)输出调制信号至声光调制器(13)；
声光调制器(13)的输出端通过激光放大模块(14)连接光纤环形器(15)的一端口，光纤环形器(15)的二端口输出激光至可调光纤衰减器(16)的输入端，光纤环形器(15)的三端口接收回光信号并连接耦合器(18)作为其第二路输入；
可调光纤衰减器(16)的输出端连接已标定的光纤延时线(17)；
耦合器(18)将第一路输入的本振光和第二路输入的回光信号进行相干拍频，并平分为两束传输至平衡光电探测器(19)；
平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号后输入至数据采集及信号处理模块(20)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于光纤延时线(17)通过标定装置完成标定，所述标定装置包括：标定用种子激光器(1)、标定用隔离器(2)、标定用射频驱动器(3)、标定用声光调制器(4)、标定用分路器(5)、待标定的光纤延时线(17)、标定用耦合器(7)、标定用光电探测器(8)、标定用数据采集及分析模块(9)；
标定用种子激光器(1)通过标定用隔离器(2)连接标定用声光调制器(4)；
标定用射频驱动器(3)输出射频电信号至声光调制器(4)；
声光调制器(4)的输出信号连接标定用分路器(5)，一路输出信号通过待标定的光纤延时线(17)作为第一输入信号连接标定用耦合器(7)；另一路输出信号直接作为第二输入信号连接标定用耦合器(7)；
标定用耦合器(7)将延时线输出端面的光信号与激光器实际输出端面的光信号耦合；
标定用光电探测器(8)将光信号转换为电信号后输入至标定用数据采集及分析模块(9)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111677385.1A CN114355320B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111677385.1A CN114355320B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114355320A CN114355320A (zh) | 2022-04-15 |
| CN114355320B true CN114355320B (zh) | 2023-07-18 |
Family
ID=81104472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111677385.1A Active CN114355320B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114355320B (zh) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103293534B (zh) * | 2013-05-10 | 2014-12-17 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种卫星导航信号生成零值标定方法 |
| US9110154B1 (en) * | 2014-02-19 | 2015-08-18 | Raytheon Company | Portable programmable ladar test target |
| CN106646405A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-05-10 | 上海无线电设备研究所 | 一种太赫兹雷达系统参数的标定系统 |
| CN107390201B (zh) * | 2017-05-31 | 2019-02-12 | 南京牧镭激光科技有限公司 | 测风激光雷达硬靶标校系统 |
| CN107783144A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-09 | 南京牧镭激光科技有限公司 | 测风激光雷达装置 |
| CN110927702B (zh) * | 2019-11-22 | 2022-11-01 | 成都凯天电子股份有限公司 | 激光测风雷达流场环境测试系统 |
-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111677385.1A patent/CN114355320B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114355320A (zh) | 2022-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105629258B (zh) | 基于伪随机码相位调制和外差探测的测速测距系统及方法 | |
| CN109143263B (zh) | 一种混合型测风激光雷达 | |
| CN100362366C (zh) | 光纤激光器混沌激光测距装置及方法 | |
| CN110114690B (zh) | 用于处理来自相干激光雷达的信号以减少噪声的方法及相关激光雷达系统 | |
| US9188677B2 (en) | Imaging doppler lidar for wind turbine wake profiling | |
| CA2800267A1 (en) | Method and apparatus for a pulsed coherent laser range finder | |
| CN110133616B (zh) | 一种激光雷达系统 | |
| CN110940992B (zh) | 可提高激光雷达探测距离和精度的信号检测方法和系统 | |
| CN112505719A (zh) | 多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统 | |
| CN110441792A (zh) | 同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法 | |
| CN115407351A (zh) | 干涉时间光检测和测距系统及确定对象距离的方法与设备 | |
| CN102305682B (zh) | 多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法 | |
| CN113253301B (zh) | 多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统 | |
| CN114355320B (zh) | 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法 | |
| CN102322843A (zh) | 多光束激光外差高精度测量激光入射角度的方法 | |
| CN110456383A (zh) | 一种分子散射相干激光雷达系统 | |
| CN109031341B (zh) | 一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法 | |
| Peng et al. | All-fiber monostatic pulsed laser Doppler vibrometer: A digital signal processing method to eliminate cochannel interference | |
| CN113607277B (zh) | 一种窄线宽激光器线宽测量系统的解调方法 | |
| CN115308715A (zh) | 一种稀疏调制测风雷达的方法和系统 | |
| James et al. | Fibre optic based reference beam laser Doppler velocimetry | |
| Abdelazim et al. | Coherent Doppler lidar for wind sensing | |
| CN115854901A (zh) | 基于混沌激光瑞利散射的分布式应变温度传感装置及方法 | |
| CN115792861A (zh) | 一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法 | |
| CN111624614B (zh) | 一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 210000 block A1, Longgang Science Park, Hengyuan Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Qixia District, Nanjing, Jiangsu Province Applicant after: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd. Address before: 210000 block A1, Longgang Science Park, Hengyuan Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Qixia District, Nanjing, Jiangsu Province Applicant before: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Building B2, Hongfeng Science Park, Kechuang Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Qixia District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210000 Applicant after: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd. Address before: 210000 block A1, Longgang Science Park, Hengyuan Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Qixia District, Nanjing, Jiangsu Province Applicant before: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |