CN114706099B - 一种激光测风雷达光学模组及其测量方法 - Google Patents

一种激光测风雷达光学模组及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光测风雷达光学模组及其测量方法，其包括固定壳体，固定壳体上安装有若干用于低空大气风场探测的第一光学镜头和若干用于高空大气风场探测的第二光学镜头，若干第一光学镜头和若干第二光学镜头均在固定壳体的周向上均匀分布，且第一光学镜头与第二光学镜头呈交错布置，第一光学镜头和第二光学镜头均包括光纤、光纤耦合头和光学耦合镜，光纤的发射光束依次通过光纤、光纤耦合头和光学耦合镜后发射至目标区域，目标区域返回的光束通过光学耦合镜聚焦耦合后返回光纤；本方案结构紧凑、布局合理，可同时满足飞机航行于低空、高空情况下的大跨度探测应用需求，具有极强的可靠性和实用性。

Description

一种激光测风雷达光学模组及其测量方法
技术领域
本发明涉及激光大气探测技术领域，具体涉及一种激光测风雷达光学模组及其测量方法。
背景技术
大气风场信息是重要的环境及气象参数，精确的风场数据在气象气候、天气预报、环境监测以及航空安全领域有着非常重要的应用，多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、可遥感远程探测以及能提供三维大气风场信息的能力，广受关注，国内外有关机构投入了大量的人力、物力进行研究，因其可以测量飞机的真空速度、探测和追踪晴空湍流、风切变、飞机尾流以及测量大气风廓线等，在获取军事环境情报、提高航空航天安全性以及天气预报准确性等方面具有重要意义。
按照多普勒频率检测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干探测技术和直接探测技术，相干探测技术是利用气溶胶后向散射信号与发射激光本振光进行拍频来反演多普勒频率，具有灵敏度高、抗干扰能力强的优势，但其散射介质与基本原理使其适用于探测风速不太大、气溶胶浓度含量较大的大气环境的风场；直接探测技术是将大气气溶胶或分子后向散射信号的频率变化转换成相对强度的变化或干涉条纹的移动来反演多普勒频率，前者被称为边缘技术，后者称为条纹成像技术，直接探测技术主要用于气溶胶浓度较低的高空或较大风速的大气环境测量。
在航空领域，尤其是机载平台应用，其运行空间覆盖低空到高空，垂直高度跨度可达零到数十千米的范围，在机载平台上应用激光进行大气风场、真空速等探测，考虑到在对流层低空（5-7km）气溶胶浓度大、干扰强，相干探测体制具有优势；在对流层顶部及平流层，气溶胶浓度低，相干探测的回波弱，难以使用，而基于空气分子散射的直接探测体制成为优先选择，因此，为了实现从零到数十公里大跨度的机载激光雷达测风应用，通常采用相干探测与直接探测集成的混合体制，基于混合体制可以充分发挥相干探测和直接探测的各自优势。
而在现有的混合体制激光测风系统中，其中光学模组的设计思路如公开号为CN110161280A的一种混合探测多普勒激光雷达风速测量系统及其测量方法，其采用相干探测和直接探测共用同一个反射式望远镜，相干探测使用了直接探测部分口径的方案，该方案在相干探测工作波段通道和直接探测工作波段通道高度耦合在一个共用接收光学望远镜模块中，设计、装调难度大、可靠性低；同时，该方案发射部分根据工作谱段既有接收望远镜合置也有独立分置的，系统复杂。
另一种公开号为CN109143263A的一种混合型测风激光雷达，其中光学收发组件采用收发分置的方案，即包括发射望远镜和接收望远镜两部分。该方案一方面存在探测盲区，且信号接收效率较低，在短近距离存在探测困难，另一方面成本较高、体积大；
公开号为CN108717194B的一种复合体制多普勒测风激光雷达，其采用收发合置卡塞格林望远镜，相干探测与直接探测光路共用，不同体制、不同工作谱段系统耦合度极高，装调难度、可靠性以及可维护性难度大，主要针对星载应用平台适用。
在机载平台实际应用过程中，现有技术设计方案除上述不足外至少还存在以下技术问题：
1、光学系统模组仅针对一维径向或二维风场信息获取。
2、目前三维大气风场数据通常需要增加后续机械扫描系统辅助实现三维矢量测量，系统复杂，对于机载平台恶劣的运行条件，可靠性挑战大。
3、现有机载激光大气数据测量中其光学系统模组仅针对直接探测或者相干探测一种探测体制。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种激光测风雷达光学模组，解决了现有技术中大气风速测量可靠性低且不能同时满足高低空探测的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种激光测风雷达光学模组，其包括固定壳体，固定壳体上安装有若干用于低空大气风场探测的第一光学镜头和若干用于高空大气风场探测的第二光学镜头，若干第一光学镜头和若干第二光学镜头均在固定壳体的周向上均匀分布，且第一光学镜头与第二光学镜头呈交错布置，第一光学镜头和第二光学镜头均包括光纤、光纤耦合头和光学耦合镜，光纤的发射光束依次通过光纤、光纤耦合头和光学耦合镜后发射至目标区域，目标区域返回的光束通过光学耦合镜聚焦耦合后返回光纤。
采用上述技术方案的有益效果为：本方案的第一光学镜头和第二光学镜头采用收发合置的方式，使返回的光束能沿发射光束的管路返回并耦合后返回光纤，通过外部设备对返回光束进行反演，即可得到目标区域的大气风速。
进一步地，若干第一光学镜头和若干第二光学镜头均向固定壳体的中部倾斜设置，且若干第一光学镜头和若干第二光学镜头的光轴交汇于同一点。
采用上述技术方案的有益效果为：第一光学镜头和第二光学镜头的光轴采用相交于同一点的设计方式，提高了探测区域目标的同一性，同时有助于提高采样数据的准确性、精确性。
进一步地，若干第一光学镜头和若干第二光学镜头分别包括三个第一光学镜头和三个第二光学镜头，三个第一光学镜头之间、三个第二光学镜头之间均呈60度夹角布置。
采用上述技术方案的有益效果为：每一个光学镜头都代表一个径向探测通道，因此至少需要设置三个互成一定角度的第一光学镜头和三个互成一定角度的第二光学镜头才能同时满足高低空大气风速的三维探测。
进一步地，光纤耦合头包括第一端头和第二端头，光纤的端面安装在第一端头上，光学耦合镜的端面安装在第二端头上，第一端头与第二端头通过若干螺钉对接固定，通过调节螺钉，可使光纤的端面与光学耦合镜的光轴在三维空间上实现对准。
进一步地，第一端头与第二端头之间设置有调节垫片，调节垫片为第一端头和第二端头之间提供调节缓冲空间，通过调整调节垫片的厚度以及调节垫片两端面的倾斜角度，可使光纤耦合头对光束的耦合效率最优；若干螺钉至少包括在光纤周向上均匀分布的四个螺钉，使其结构稳定，受力均匀。
进一步地，光纤为保偏光纤，实现对光束偏振态的保持；光学耦合镜包括若干层结构不同的耦合透镜，耦合透镜用于对发射光束和接收光束进行整形，第二光学镜头中靠近光纤耦合头这一端的相邻两个耦合透镜之间设置有窄带滤光片，窄带滤光片用于滤除噪声背景光。
进一步地，第一光学镜头中的若干层耦合透镜上均设置有低空探测对应工作谱段的增透膜，第二光学镜头中的若干层耦合透镜上均设置有高空探测对应工作谱段的增透膜，增透膜可减少激光透射时的损耗。
提供一种激光测风雷达光学模组的测量方法，其包括以下步骤：
S1：调整调节垫片的厚度以及端面的倾斜角度，使光纤耦合头对散射激光的耦合效率最优；
S2：获取当前高度，当在低空范围运行时，进入步骤S3，当在高空范围运行时，进入步骤S7；
S3：产生红外谱段激光并依次通过三个第一光学镜头的光纤、光纤耦合头和光学耦合镜将红外谱段激光发射到大气探测目标区域；
S4：三个第一光学镜头发出的红外谱段激光汇聚于O点，O点处的激光与大气气溶胶相互作用产生向后的散射激光，采用三个第一光学镜头接收散射激光，并将散射激光返回至第一光学镜头的光纤内；
S5：将光纤内的散射激光导入相干探测系统，反演出每个第一光学镜头的径向大气风速；
S6：通过三个第一光学镜头对应的三个径向大气风速反演出低空三维矢量大气风速；
S7：产生紫外谱段激光并依次通过三个第二光学镜头的光纤、光纤耦合头和光学耦合镜将紫外谱段激光发射到大气探测目标区域；
S8：三个第二光学镜头发出的紫外谱段激光汇聚于O点，O点处的激光与大气分子相互作用产生向后的散射激光，采用三个第二光学镜头接收散射激光，并将散射激光返回至第二光学镜头的光纤内；
S9：将光纤内的散射激光导入直接探测系统，反演出每个第二光学镜头的径向大气风速；
S10：通过三个第二光学镜头对应的三个径向大气风速反演出高空三维矢量大气风速。
本发明的有益效果为：
1.第一光学镜头和第二光学镜头均采用三个镜头的构架获取三轴径向大气风速，从而实现三维矢量大气数据的反演；这种设计方式可以避免采用空间扫描系统，从而简化了设备；同时本方案避免了运动部件的使用，提高探测的可靠性，满足机载平台高可靠性的要求。
2.第一光学镜头的相干探测与第二光学镜头的直接探测相互独立、互不影响，避免了混合体制中各探测系统的复杂光学耦合，从而降低了设计和装调的难度，同时降低了设备维护与更换的难度。
3.本方案结构紧凑、布局合理，使相干探测的第一光学镜头与直接探测的第二光学镜头高度集成，减少空间占用的同时，满足飞机航行于低空、高空情况下的大跨度探测应用需求。
附图说明
图1为激光测风雷达光学模组的结构示意图。
图2为图1的后视图。
图3为图1的侧视图。
图4为图1的前视图。
图5为第一光学镜头的结构示意图。
图6为第一光学镜头的剖视图。
图7为第二光学镜头的剖视图。
图8为光纤耦合头的剖视图。
图9为光纤耦合头的端面视图。
其中，1、固定壳体，2、第一光学镜头，3、第二光学镜头，4、光纤，5、光纤耦合头，6、光学耦合镜，7、第一端头，8、第二端头，9、螺钉，10、调节垫片，11、窄带滤光片，12、第一耦合透镜，13、第二耦合透镜，14、第三耦合透镜。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图4所示，本方案的激光测风雷达光学模组包括固定壳体1，固定壳体1上安装有三个用于低空大气风场探测的第一光学镜头2和三个用于高空大气风场探测的第二光学镜头3，三个第一光学镜头2和三个第二光学镜头3均在固定壳体1的周向上均匀分布，且第一光学镜头2与第二光学镜头3呈交错布置，三个第一光学镜头2之间、三个第二光学镜头3之间均呈60度夹角布置，且第一光学镜头2和第二光学镜头3均向固定壳体1的中部倾斜设置，使第一光学镜头2和第二光学镜头3的光轴交汇于同一点。
每一个光学镜头都代表一个径向探测通道，因此至少需要设置三个互成一定角度的第一光学镜头2和三个互成一定角度的第二光学镜头3才能同时满足高低空大气风速的三维探测，同时第一光学镜头2和第二光学镜头3的光轴采用相交于同一点的设计方式，提高了探测区域目标的同一性，同时有助于提高采样数据的准确性、精确性。
如图5所示，第一光学镜头2包括光纤4、光纤耦合头5和光学耦合镜6，第二光学镜头3与第一光学镜头2的外部结构组成一致，光纤4的发射光束依次通过光纤4、光纤耦合头5和光学耦合镜6后发射至目标区域，目标区域返回的光束通过光学耦合镜6聚焦耦合后返回光纤4，第一光学镜头2和第二光学镜头3采用收发合置的方式，使返回的光束能沿发射光束的管路返回并耦合后返回光纤4，通过外部设备对返回光束进行反演，即可得到目标区域的大气风速。
如图6和图7所示，光纤4为保偏光纤，实现对光束偏振态的保持；光学耦合镜6包括三层耦合透镜，其分别为第一耦合透镜12、第二耦合透镜13和第三耦合透镜14，耦合透镜用于对发射光束和接收光束进行整形，第二光学镜头3中的第一耦合透镜12与第二耦合透镜13之间设置有窄带滤光片11，窄带滤光片11用于滤除噪声背景光。
如图8和图9所示，光纤耦合头5包括第一端头7和第二端头8，光纤4的端面安装在第一端头7上，光学耦合镜6的端面安装在第二端头8上，第一端头7与第二端头8通过四个螺钉9对接固定，第一端头7与第二端头8之间设置有调节垫片10，调节垫片10为第一端头7和第二端头8之间提供调节缓冲空间，通过调整调节垫片10的厚度以及调节垫片10两端面的倾斜角度，可使光纤4的端面与光学耦合镜6的光轴在三维空间上实现对准，从而使光纤耦合头5对光束的耦合效率最优。
第一光学镜头2中的三层耦合透镜上均镀有低空探测对应工作谱段的增透膜，第二光学镜头3中的三层耦合透镜上均镀有高空探测对应工作谱段的增透膜，增透膜可减少激光透射时的损耗。
本方案的激光测风雷达光学模组的测量方法为：
首先调整调节垫片10的厚度以及端面的倾斜角度，使光纤耦合头5对散射激光的耦合效率最优。
当在低空范围运行时，通过外部设备产生红外谱段激光并依次通过三个第一光学镜头2的光纤4、光纤耦合头5和光学耦合镜6将红外谱段激光发射到大气探测目标区域；三个第一光学镜头2发出的红外谱段激光汇聚于O点，其中O点为大气探测目标区域内的一个设定点，如图3所示，O点处的激光与大气气溶胶相互作用产生向后的散射激光，采用三个第一光学镜头2接收散射激光，并将散射激光返回至第一光学镜头2的光纤4内；将光纤4内的散射激光导入相干探测系统，反演出每个第一光学镜头2的径向大气风速；通过三个第一光学镜头2对应的三个径向大气风速反演出低空三维矢量大气风速；
当在高空范围运行时，通过外部设备产生紫外谱段激光并依次通过三个第二光学镜头3的光纤4、光纤耦合头5和光学耦合镜6将紫外谱段激光发射到大气探测目标区域；三个第二光学镜头3发出的紫外谱段激光汇聚于O点，O点处的激光与大气分子相互作用产生向后的散射激光，采用三个第二光学镜头3接收散射激光，并将散射激光返回至第二光学镜头3的光纤4内；将光纤4内的散射激光导入直接探测系统，反演出每个第二光学镜头3的径向大气风速；通过三个第二光学镜头3对应的三个径向大气风速反演出高空三维矢量大气风速。
特别地，本方案的高空与低空的分界高度一般在5到7公里之间，而具体分界高度需要根据实际使用情况和应用场景进行确定。
第一光学镜头2和第二光学镜头3均采用三个镜头的构架获取三轴径向大气风速，从而实现三维矢量大气数据的反演；这种设计方式可以避免采用空间扫描系统，从而简化了设备；同时本方案避免了运动部件的使用，提高探测的可靠性，满足机载平台高可靠性的要求；同时第一光学镜头2的相干探测与第二光学镜头3的直接探测相互独立、互不影响，避免了混合体制中各探测系统的复杂光学耦合，从而降低了设计和装调的难度，同时降低了设备维护与更换的难度。
综上所述，本方案结构紧凑、布局合理，可同时满足飞机航行于低空、高空情况下的大跨度探测应用需求，具有极强的可靠性和实用性。

Claims (5)

1.一种激光测风雷达光学模组，其特征在于，包括固定壳体（1），所述固定壳体（1）上安装有若干用于低空大气风场探测的第一光学镜头（2）和若干用于高空大气风场探测的第二光学镜头（3），若干所述第一光学镜头（2）和若干第二光学镜头（3）均在固定壳体（1）的周向上均匀分布，且第一光学镜头（2）与第二光学镜头（3）呈交错布置；
所述第一光学镜头（2）和第二光学镜头（3）均包括光纤（4）、光纤耦合头（5）和光学耦合镜（6），所述光纤（4）的发射光束依次通过光纤（4）、光纤耦合头（5）和光学耦合镜（6）后发射至目标区域，所述目标区域返回的光束通过光学耦合镜（6）聚焦耦合后返回光纤（4）；
若干所述第一光学镜头（2）和若干第二光学镜头（3）均向固定壳体（1）的中部倾斜设置，且若干第一光学镜头（2）和若干第二光学镜头（3）的光轴交汇于同一点；
所述光纤耦合头（5）包括第一端头（7）和第二端头（8），所述光纤（4）的端面安装在第一端头（7）上，所述光学耦合镜（6）的端面安装在第二端头（8）上，所述第一端头（7）与第二端头（8）通过若干螺钉（9）对接固定；
所述第一端头（7）与第二端头（8）之间设置有调节垫片（10），若干所述螺钉（9）至少包括在光纤（4）周向上均匀分布的四个螺钉（9）。
2.根据权利要求1所述的激光测风雷达光学模组，其特征在于，若干所述第一光学镜头（2）和若干第二光学镜头（3）分别至少包括三个第一光学镜头（2）和三个第二光学镜头（3），三个所述第一光学镜头（2）之间、三个第二光学镜头（3）之间均呈60度夹角布置。
3.根据权利要求1所述的激光测风雷达光学模组，其特征在于，所述光纤（4）为保偏光纤，所述光学耦合镜（6）包括若干层结构不同的耦合透镜，所述第二光学镜头（3）中的两个耦合透镜之间设置有窄带滤光片（11）。
4.根据权利要求3所述的激光测风雷达光学模组，其特征在于，所述第一光学镜头（2）中的若干层耦合透镜上均设置有低空探测对应工作谱段的增透膜，所述第二光学镜头（3）中的若干层耦合透镜上均设置有高空探测对应工作谱段的增透膜。
5.一种权利要求1-4任一项所述的激光测风雷达光学模组的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：调整调节垫片（10）的厚度以及端面的倾斜角度，使光纤耦合头（5）对散射激光的耦合效率最优；
S2：获取当前高度，当在低空范围运行时，进入步骤S3，当在高空范围运行时，进入步骤S7；
S3：产生红外谱段激光并依次通过三个第一光学镜头（2）的光纤（4）、光纤耦合头（5）和光学耦合镜（6）将红外谱段激光发射到大气探测目标区域；
S4：三个第一光学镜头（2）发出的红外谱段激光汇聚于O点，O点处的激光与大气气溶胶相互作用产生向后的散射激光，采用三个第一光学镜头（2）接收散射激光，并将散射激光返回至第一光学镜头（2）的光纤（4）内；
S5：将光纤（4）内的散射激光导入相干探测系统，反演出每个第一光学镜头（2）的径向大气风速；
S6：通过三个第一光学镜头（2）对应的三个径向大气风速反演出低空三维矢量大气风速；
S7：产生紫外谱段激光并依次通过三个第二光学镜头（3）的光纤（4）、光纤耦合头（5）和光学耦合镜（6）将紫外谱段激光发射到大气探测目标区域；
S8：三个第二光学镜头（3）发出的紫外谱段激光汇聚于O点，O点处的激光与大气分子相互作用产生向后的散射激光，采用三个第二光学镜头（3）接收散射激光，并将散射激光返回至第二光学镜头（3）的光纤（4）内；
S9：将光纤（4）内的散射激光导入直接探测系统，反演出每个第二光学镜头（3）的径向大气风速；
S10：通过三个第二光学镜头（3）对应的三个径向大气风速反演出高空三维矢量大气风速。
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