CN114690205A - 一种测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测风激光雷达，其特征在于，包括：发射部分，用于产生连续调制波并调整调制波的调制频率；收发系统，用于向目标发射光源并接收目标的回波信号；探测处理部分，用于根据接收到的回波信号和发射的连续调制光，得到风场信息，并根据至少前面一帧的中频频率，确定第N帧的调制频率的调整量。能提高分辨率，获得更好分辨率，降低接收单元带宽，降低数据量。

Description

一种测风激光雷达

技术领域

本发明涉及测风雷达技术领域，具体而言，涉及一种测风激光雷达自适应调整频率的方法。

背景技术

目前测风雷达的基本工作方式，是以发射脉冲波和接收从目标返回的脉冲波的方式来跟踪上升且随风飘移的气球，借以测量气球在空间中的运动轨迹来确定各高度上自由大气的风向和水平风速。

在气球下悬挂一个能有效反射无线电波的物体即反射靶，根据雷达接收到回波信号的时间来确定气球的距离，以这种方式工作的称为一次雷达。当气球下悬挂的是应答器，在其接到雷达射来的无线电脉冲后，随即发射出一应答脉冲，雷达根据接收到应答脉冲的时间来确定气球的距离，以这种方式工作的称为二次雷达。

测风雷达能自动跟踪探空气球。测量以大气高度为函数的风速、风向，并接收处理探空仪探测的温度、湿度、气压等气象要素信息。

半导体激光测风雷达是新型的大气遥感设备，也是唯一能实现三维大气风场遥感观测的有效工具，其工作原理是利用激光收发系统对空气中的粒子散射回波信息进行采集，再通过分析计算这些测量数据，直接得到高分辨率、高精度的实时三维风场数据。解决了严重影响航空安全的航空领域低空风切变检测难题，可以被广泛应用在气象、环保、国防、机场等领域。

相干测风激光测风雷达是基于外差探测技术，利用经大气中随风运动的气溶胶散射的信号光与本征光进行外差相干，通过探测解调多普勒频移反演风场信息。

多普勒激光测风雷达是方兴未艾的一种全新的大气风场探测手段。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。在这个基础上，激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统，它在保证发射、接收视场重叠的前提下，控制激光束投射到指定的方向，使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。

商业的风力发电装置，主要包括风车塔，转动装置，电控系统以及风车扇叶。其中电控系统根据当地的风场信息调整转动装置，使得风车扇叶的方向朝着高效发电效率的方向调整，从而获得更高的风能利用率和发电效率。因此，在风力发电厂区，高精度的实时风场信息为风力发电装置的发电效率提供保证，对于提高发电效率是必要的。因此需要提供一种光路和算法实现简单，计算量少，能提供实时风场信息的测风雷达系统。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种测风激光雷达已解决现有测风雷达中中频平率范围太大导致计算量太大的一系列问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种测风激光雷达，其特征在于，包括：

发射部分，用于产生连续调制波并调整调制波的调制频率；

收发系统，用于向目标发射光源并接收目标的回波信号；

探测处理部分，用于根据接收到的回波信号和发射的连续调制光，得到风场信息，并根据至少前面一帧的中频频率，确定第N帧的调制频率的调整量。

可选的，所述探测处理部分将确定的所述第N帧的调制频率的调整量反馈给所述发射部分。

可选的，所述发射部分在开机时设定调制频率，所述设定的调制频率满足最远测量距离与最大风速的测量要求。

可选的，所述探测处理部分设定中频频率的上限和下限。

可选的，根据所述设定的调制频率得到的中频频率与所述设定的中频频率的上限和下限的关系确定所述调制频率的调整量并反馈给所述发射系统。

可选的，所述探测处理部分根据所述设定的调制频率得到的中频频率处于所述设定中频频率的范围内时，输出所述的中频频率。

可选的，所述前面两帧的中频频率差大于等于0时，所述发射部分将所述第N帧的调制频率降低。

可选的，所述前面两帧的中频频率差小于0时，所述发射部分将所述第N帧的调制频率升高。

可选的，探测处理部分根据所述中频频率得到风速。

可选的，所述的升高或者降低的频率值与带宽，测量距离，光速，至少前面一帧的中频频率以及设定的中频频率的上限和下限值有关。

本发明的有益效果是：本发明提供一种测风激光雷达，其特征在于，包括：发射部分，用于产生连续调制波并调整调制波的调制频率；

收发系统，用于向目标发射光源并接收目标的回波信号；

探测处理部分，用于根据接收到的回波信号和发射的连续调制光，得到风场信息，并根据至少前面一帧的中频频率，确定第N帧的调制频率的调整量。能提高分辨率，获得更好分辨率，降低接收单元带宽，降低数据量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种连续调制波测风雷达的示意图；

图2为本申请实施例提供的为连续调制波激光测风雷达中距离与中频信号带宽之间的关系；

图3为本申请实施例提供的为现有技术提供的一种测量距离的方法示意图；

图4(a)-图4(b)为本申请实施例提供的一种降低中频带宽效果的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种自适应流程示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种自适应流程示意图；

图7为本申请实施例提供的中频自适应调整过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本申请实施例提供的一种连续调制波测风雷达的示意图；包括光源系统用于提供满足探测要求的光，输出调制载波光信号；分束器用于将光分为两路，第一路作为本地光输入耦合器，第二路为信号光用作探测；环形器，如图1所示从通道1输入的光只能经通道2输入，从通道2进入的光只能从通道3输出；收发系统，收发系统为如图1所示，用于接收距离为L处的目标回波信号，耦合器用于将本征光和信号光混频后以50：50输出。平衡探测器，用于探测相干光信号并转成电信号；处理单元，具备对电信号放大、储存、计算、数据传输、风场反演及结果显示等功能。

光源系统产生的发射光载波频率持续周期性变化，经分束器分为两路，第一路作为本征光传输至耦合器；第二路作为信号光传输到环形器1口，并从2发出到收发望远镜，收发望远镜将载波信号光发射到大气，同时接收经气溶胶散射回波传输至环形器2口，经环形器3口发出输入耦合器与本征光混频，混频信号在平衡探测器转至电信号，电信号进入处理单元，进而反演获得风速风向及距离信息。

上述持续载波光源可采用锯齿波调制，包括升锯齿波和降锯齿波。假设激光波长为λ，则光频f_c＝c/λ(c是光速)，，用f_M表示调制频率，则本征光频率f_l＝f_c+f_M，以升锯齿波为例：

B表示调频带宽，则经过气溶胶散射回波频率：

其中τ＝2L/_c表示距离为L位置激光飞行时间，f_L表示目标距离回波产生的频率，

f_d表示气溶胶颗粒随风运动产生的频率，f_d表示为

v_r表示径向风速，正负表示风向。则混频叠加后的中频信号f_IF＝|f_s-f_L|＝|f_L+f_d|

当f_L＞f_d时，径向风速表示为：

其中v_r为正表示径向风适量方向与发射激光方向相同，v_r为负表示径向风适量方向与发射激光方向相反。

从上面的过程可以看出来只要在确定风速之前知道距离就可以了。其中距离信息可以是预先设置的，例如就要求测100m处的风速。也可以是按照现有技术测量得到的距离。

上述持续载波光源可采用三角波进行调制，通常使用对称的三角波来对于激光光源进行频率调制。激光光源通常采用窄线宽的激光器，其线宽和测距距离之间关系通常可以表示为：2L＝c/Δf，其中c为光速，Δf为该激光器的线宽，L为测距的距离。在进行测距的时候，完成一次完整的测距/测速则需要至少半个完整的调频周期，即：

其中，t_min为完成一次测距的时间，T为频率调制的周期。

在这一段时间内，本振光的频率与从运动的目标上反射回来的信号光的频率分别表示为：f_L，f_S。他们二者在光敏面上产生干涉，产生的中频频率为：f_mid＝|f_L-f_S|，其中信号光的频率包含了距离产生的频率变化与目标具有的相对速度所产生的多普勒频移，信号光的频率可以表示为：

其中，B为调频带宽或者调频范围，即为一次调频所产生的的最大频率变化量；L为测距距离；

为完成三角波调频的频率。则当分别处于上升和下降沿的时候，中频信号的频率分别为:

或者：

这时，我们能需要同时获得频率处于调频周期处于上升沿和下降沿时产生的中频频率：f_mid+与f_mid-，就能完整的计算出在当前时刻目标的距离与速度。即：

如果通过三角调制波就可以直接得到距离和风速的信息。

不管是锯齿波调制还是三角波调制都需要满足发射激光的线宽需要小于等于对应距离的光学极限相干长度，即线宽Δω≤c/2L_max(Δω为激光线宽，c为光速，L_max为预设最大测距范围)。在本实施例中光源系统产生的光源在功率上可以满足测量需求。

图2为为本申请实施例提供的连续调制波激光测风雷达中距离与中频信号带宽之间的关系。相干测风激光测风雷达是基于外差探测技术，利用经大气中随风运动的气溶胶散射的信号光与本征光进行外差相干，通过探测解调多普勒频移反演风场信息。

根据激光发射源工作模式不同，相干测风激光雷达可以分为连续及脉冲两种工作体制。其中脉冲工作体制的雷达系统，光路及外差算法技术复杂，系统成本较高，而且存在近距盲区，一般用于远距离探测；脉冲工作体制一般通过距离门判断距离。

连续波调制的雷达系统，光路结果和算法相对比较简单；连续工作体制一般通过变焦系统判断测量距离。

为实现风向识别，上述光学系统中还需设置移频器(如声光调制器、电光调制器等)。此外，基于连续波调制的激光测风技术可以使用调频连续波识别风的方向。从图2中可以看出当测量距离达到400m时带宽高达1GHz以上。

图3为为本申请实施例提供的现有技术提供的一种测量距离的方法示意图。如图3所示从传输光纤出来的光，经步进电机控制的变焦系统，聚焦于空中某一风层区域。在受到该聚焦范围内随风飘移的大气气溶胶颗粒的散射后，其后向散射光频率将发生变化，变化量即为与该点大气颗粒沿激光束方向的移动速度相关的多普勒频率f_d。该散射光经接收天线收集聚焦后再由传输光纤耦合进入收/发单元2端口，并从3端口输出，与本振光进行外差相干混频，最后聚焦在光电探测器上，由探测器输出主外差相干中频电信号。如图3所示的系统将发出的激光束聚焦到测量空间层位置，并通过同一天线系统对焦点束腰处气溶胶微粒的后向散射进行收集。采用变焦系统，可以将低功率的激光在空中进行聚焦，对焦点处的气溶胶微粒进行高亮度照射，因此增加了后向散射的功率密度，便于实现远距离探测。测量距离是根据光纤端面到望远镜的距离实现的，即聚焦点的改变是通过步进电机控制光纤头与望远镜之间的距离实现的。

图4(a)-图4(b)为本申请实施例提供的一种降低中频带宽效果的示意图。如图2所示，随着测量距离的增大，中频信号的带宽变得很大，这就需要大的探测器的有效带宽导致A/D采样模块的压力变大(例如带宽为1G，则需要的采样率为2G)为了解决这一问题，需要降低中频信号的带宽，降低A/D采样模块的压力。图4(a)和图4(b)中使用图3所示的测距方法，当然也可以使用其他现有技术进行测距，这里以图3所示方法为示列性说明，其他方法就不再赘述。

在图1所示系统中光源可采用三角波调制，假设激光波长为λ，则光频f_c＝c/λ(c是光速)，用f_M表示调制频率，则本征光频率f_l＝f_c+f_M，以升锯齿波为例：

B表示调频带宽，则经过气溶胶散射回波频率：

其中τ＝2L/c表示距离为L位置激光飞行时间，f_L表示目标距离回波产生的频率，

f_d表示气溶胶颗粒随风运动产生的频率，f_d表示为

v_r表示径向风速，正负表示风向。则混频叠加后的中频信号f_IF＝|f_s-f_L|＝|f_L+f_d|

当f_L＞f_d时，径向风速表示为：

其中v_r为正表示径向风适量方向与发射激光方向相同，v_r为负表示径向风适量方向与发射激光方向相反。

式中

k＝f_MB (5)

那么

由上图2所示可知，f_L表示距离引起的频移，从公式(4)中可以看出如果激光器(即光源)不调频，那么对于一个激光器而言有固定的带宽B和调制频率f_M，，即在公式(4)中B和f_M为固定值，那么从公式(4)可以看出不同距离对应不同的频移，就会导致探测器接收端的带宽随着测量距离的增加而增大。为了解决这个问题需要使得探测器接收端的带

宽不会因为距离而改变。具体实现方法如下：

1、给定一个f_L值，这个f_L是通过风速的上限定的，f_L与f_d的关系为f_L＞|f_d|。如图4所示，风速上限为30m/s，那么30m/s引起的多普勒频移为38.7MHz，则f_L为50MHz。

2、由步骤1可知f_L为50MHz，则在式(6)中可以看出对于固定的f_L，测量不同的距离L只能改变k。通过要测量的距离结合公式(6)可以计算出不同的k值。

3、算出要测量的距离对应的k值后，通过式(5)中调节激光器的调制频率f_M来调节k值。

距离L可以使用图3所示方法获得，或者预先设置，或者通过现有技术获得，这里就不再赘述。当调制波形为三角波的时候k可以定义为三角波的斜率。这里这是为了示列性说明并不局限于调制波为三角波波形。

需要注意的是在调k技术中f_L是定值。

图4(a)，图4(b)分别表示风速30m/s和5m/s，图中可以看出为满足风速±30m/s，探测器带宽至少需要90MHz，采样频率至少180MHz如图4(a)所示，假如实风速长时间处于较低的情况如：±5m/s，对应速度引起频率变化±6.5MHz，依然需要使用探测器带宽至少需要90MHz，采样频率至少180MHz如图4(b)所示，会造成浪费，也会增加计算量。所以需要解决这一问题。

在图1所示系统中光源可采用三角波调制，假设激光波长为λ，则光频f_c＝c/λ(c是光速)，用f_M表示调制频率，则本征光频率f_l＝f_c+f_M，以升锯齿波为例：

B表示调频带宽，则经过气溶胶散射回波频率：

其中τ＝2L/c表示距离为L位置激光飞行时间，f_L表示目标距离回波产生的频率，

f_d表示气溶胶颗粒随风运动产生的频率，f_d表示为

表示径向风速，正负表示风向。则混频叠加后的中频信号f_IF＝|f_s-f_L|＝|f_L+f_d|设置中频频率自适应范围[f_min,f_max]，将中频的频率自适应调整到规定的范围[f_min,f_max]内，会减少计算量。

取Δf∈(f_min,f_max)，

角标j表示第j帧的参数

定义δ_IF,j＝f_IF,j-1-f_IF,j-2。

m可以取固定常数，这样每次调整的中频频率都相等，也可以根据之前的中频频率实时变化，如：

这样一来上一帧变化得越多就调整得越多。

图5为本申请实施例提供的一种自适应流程示意图，下面结合图5详细说明如何进行中频自适应调整到。如图5所示，首先在开机的时候，发射部分设定调制频率为预设值，如图5中S102设定f_M＝f_M0，其中f_M0为满足预设最大中频频率的参数(如预设测量最远距离的最大径向风速的值)；根据公式(1)-(2)，以及f_IF＝|f_s-f_L|＝|f_L+f_d|可以求出中频f_IF，如图5中的S103，在图5中S104的时候探测处理部分判断中频f_IF是否处于设定的范围内，如果处于设定的范围内就可以执行S105，输出中频f_IF，并根据公式(9)计算得出风速。如果在S103得到的中频f_IF不在设定的调整范围内，则执行S106判断中频f_IF是否超过设定的中频范围的上限f_max如果超过了设定范围的上限则需要将调制频率f_M减去一个值，如图5中S107所示，然后把需要调整的值反馈给发射部分，整个系统再次执行调整过程直到求出的中频信号处于规定的范围之内。如果在图5的S106中探测处理部分判定中频f_IF是没有超过设定的中频范围的上限f_max，那就说明得到的f_IF是小于设定的中频范围的下限f_min的，那么就执行S108需要将调制频率f_M加上一个值，探测处理部分把这个值反馈给发射部分，然后整个系统再次执行调整过程直到探测处理部分求出的中频信号处于规定的范围之内。

图6为本申实施例请提供的另一种自适应流程示意图。如图6所示，在测量过程中，当进行第j帧测量的时候，首先确定第j-1帧和第j-2帧的调制频率，探测处理部分求出第j-1帧和第j-2帧的中频频率差δ_IF,j＝f_IF,j-1-f_IF,j-2如图6中S203所示；然后判断第j-1帧和第j-2帧的中频频率差是否大于等于0，如图6中S204所示，如果中频频率差大于等于零那么就给第j帧的调制频率减去一个值，如图6中S206所示，并把这个值反馈给发射部分；如果中频频率差小于零，那么就给第j帧的调制频率加上一个值，如图6中的S205所示；然后执行图6中的S207，确定第j帧的调制频率；根据调制频率可以得到第j帧的中频如图6中S208所示；然后根据第j帧的中频就可以得出第j帧的风速，如图6中的S209所示；这样就完成了第j帧的中频的自适应调整过程。然后执行图6中的S210进行下一帧的中频自适应调整过程。通过图6所示的调整过程可以保证中频频率在每帧的测量过程中始终处于设置的中频范围内，以减小计算量。自适应调整过程中可以根据之前中频频率变化趋势确定下一帧的调整如图6所示的可以取前第一第二帧中频频率来确定调整量。还可以根据δ_IF,j＝f_IF,j-1-f_IF,j-3前面第一帧和前面第三帧，或者δ_IF,j＝f_IF,j-1-f_IF,-j4前面第一帧和前面第四帧来确定，还可以根据δ_IF,j＝f_IF,j-2-f_IF,j-3前面的第二帧和第三帧，δ_IF,j＝f_IF,j-2-f_IF,j-4前面的第二帧和前面的第四帧来确定；另外还可以根据

前面第一帧和一个定值来确定调整量；这里只是为了示例说明并不做具体的限制。

图7为本申请实施例提供的中频自适应调整过程示意图。如图7所示f_min为设定的中频范围的下限，f_max为设定的中频范围的上限。通过图5和图6所示的自适应调整过程，使得在每帧的测量过程中中频频率始终处于规定的频率范围内，具体调整过程如图5和图6所示，在这里就不再赘述了。

通过本发明的技术方案实现了如下的优点：

1.提高分辨率：

同样点数，获得更好分辨率，最大风速30m/s时，如果频移50MHz，根据采样定律f_s＝180MHz，将中频频率控制在4～10MHz之间，可以采用20MHz采样，对应频谱分辨率分布为175kHz和19kHz，频谱分辨率约提高一个数量级。

2.降低接收单元带宽，降低数据量，减少计算量。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测风激光雷达，其特征在于，包括：

发射部分，用于产生连续调制波并调整调制波的调制频率；

收发系统，用于向目标发射光源并接收目标的回波信号；

探测处理部分，用于根据接收到的回波信号和发射的连续调制光，

得到风场信息，并根据至少前面一帧的中频频率，确定第N帧的调制频率的调整量。

2.根据权利要求1所述的测风激光雷达，其特征在于，所述探测处理部分将确定的所述第N帧的调制频率的调整量反馈给所述发射部分。

3.根据权利要求2所述的测风激光雷达，其特征在于，所述发射部分在开机时设定调制频率，所述设定的调制频率满足最远测量距离与最大风速的测量要求。

4.根据权利要求1所述的测风激光雷达，其特征在于，所述探测处理部分设定中频频率的上限和下限。

5.根据权利要求3或权利要求4任一所述的测风激光雷达，其特征在于，根据所述设定的调制频率得到的中频频率与所述设定的中频频率的上限和下限的关系确定所述调制频率的调整量并反馈给所述发射系统。

6.根据权利要求3或权利要求4任一所述的测风激光雷达，其特征在于，所述探测处理部分根据所述设定的调制频率得到的中频频率处于所述设定中频频率的范围内时，输出所述的中频频率。

7.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述前面两帧的中频频率差大于等于0时，所述发射部分将所述第N帧的调制频率降低。

8.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，所述前面两帧的中频频率差小于0时，所述发射部分将所述第N帧的调制频率升高。

9.根据权利要求1所述的测风雷达，其特征在于，探测处理部分根据所述中频频率得到风速。

10.根据权利要求7或8任一所述的测风激光雷达，其特征在于，所述的升高或者降低的频率值与带宽，测量距离，光速，至少前面一帧的中频频率以及设定的中频频率的上限和下限值有关。

Images