CN114839646A - 一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置以及测风方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置以及测风方法，该装置通过光纤激光器、分束器、光信号调制模块、环形器、耦合器、平衡探测器和光学天线，测得经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，通过光学镜头、多象限探测器，测得经调制光强起伏变化并反射的第二回波信号，信号处理单元接收相关信号，通过分析多普勒频移与物体径向运动速度关系分析得到径向风速，分析光强产生相同起伏趋势的时间相关性得到横向风速，两者结合则是完整的真实风速信息，直接测量出目标处的风速的三个分量。

Description

一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置以及测风方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，特别是涉及一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置。

背景技术

风力工程和气象学领域的研究人员和工业需要对大气边界层湍流进行广泛而准确的测量，以便更好地了解其在广泛的陆上和海上应用中的作用，包括风资源评估，风力涡轮机尾流，天气预报，污染物运输，城市气候研究等。遥感技术，特别是激光雷达(Lidar)技术，由于其与传统气象桅杆相比，在任何类型的地形中运输、安装和操作方面都具有灵活性，因此在研究大气湍流方面越来越受欢迎。然而，激光雷达技术要取代传统气象桅杆，最重要的是能够在很长一段时间内以足够高的精度测量风速和湍流，而不必在准确性或数据可用性方面做出重大妥协。

目前，激光雷达，主要是采用多普勒测风技术，称为多普勒测风激光雷达。多普勒测风激光雷达有两种类型，扫描式和固定式，扫描式式测量三维风矢量；固定式测量垂直风的垂直剖面。在扫描模式下，是通过速度方位显示技术(VAD)，例如围绕垂直轴以20°的最低点进行锥步-凝视扫描；在固定模式下，是通过多普勒光束摆动技术(DBS)，激光束固定一个方向，如测量LiDAR上方风速的垂直剖面。VAD和DBS技术都需要计算来得到LiDAR测量的径向风速的速度矢量。两种技术都假定在测量高度处的区域上具有水平均匀性。这种假设对于复杂的地形无效，因此导致测量中的不确定性更高。

如图1所示，虽然与VAD和DBS技术相比，同步测量三个扫描多普勒测风激光雷达在空间的某一点测量大气湍流风矢量三个分量，可以获得更可靠风速。但是这个方法，激光束必须在空间中的所需点相交，并且它们的方向必须是非共面的，这样的三角关系可以在任何坐标系中重建速度矢量。使用三个具有相交光束的同步多普勒激光雷达似乎是目前在空间中某个点准确提供速度矢量的三个分量的时间序列的唯一可行方法，以便可以计算湍流动力学(TKE)，湍流应力和速度光谱等湍流统计数据。但是，这样部署三个LiDAR可能会显着增加成本，从而使这种方法对风能开发商的吸引力降低。此外，在复杂的地形或具有自然或人为障碍物的地点适当地放置三个LiDAR可能会带来重大挑战。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置以及测风方法，通过多普勒测风模块得到径向风速，闪烁测风模块得到横向的平面风速信息，两者结合则是完整的真实风速信息，直接测量目标处的风速的三个分量，而不是平均风速。

第一方面，本发明提供一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，包括：

光纤激光器、分束器、光信号调制模块、环形器、耦合器、平衡探测器和光学天线，所述光纤激光器的输出端与所述分束器的输入端光纤连接，所述分束器的第一输出端与所述光信号调制模块的输入端光纤连接，所述分束器的第二输出端与所述耦合器的第一输入端光纤连接，所述光信号调制模块的输出端与所述环形器的第一端口光纤连接，所述环形器的第二端口与所述光学天线的输入端光纤连接，所述环形器的第三端口与所述耦合器的第二输入端光纤连接，所述耦合器的输出端与所述平衡探测器的输入端光纤连接；

还包括光学镜头、多象限探测器和信号处理单元，所述光学镜头与所述光学天线相邻设置，且所述光学镜头与所述多象限探测器的输入端光纤连接，所述信号处理单元分别与所述平衡探测器和所述多象限探测器的信号输出端电连接；

所述光纤激光器用于产生的激光，并发送至所述分束器，所述分束器用于将所述激光分成两束相同的初始光信号，并将两束初始光信号分别送至所述光信号调制模块和所述耦合器，所述光信号调制模块用于调整第一束初始光信号的参数，所述环形器用于将所述第一束初始光信号传输至所述光学天线，所述光学天线用于发射第一束初始光信号，并接收经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，所述耦合器用于接收所述第一回波信号和第二束初始光信号，并使两者相互干涉，形成干涉信号，所述平衡探测器用于接收所述干涉信号，并输出第一电信号，所述光学镜头用于聚焦经调制光强起伏变化并反射的第二回波信号于所述多象限探测器上成像，所述多象限探测器用于将第二回波信号转换为第二电信号，所述信号处理单元用于接收所述第一电信号并根据所述第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速和第一回波信号的飞行时间以得到激光测量的目标距离，和接收所述第二电信号并计算确定测量目标位置的横向风速和第二回波信号的飞行时间以得到激光测量的目标距离。

进一步地，所述光信号调制模块包括声光调制器和光纤放大器，所述声光调制器的输入端与所述分束器的第一输出端光纤连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端光纤连接，所述光纤放大器的输出端与所述环形器的第一端口光纤连接，所述声光调制器用于将改变光信号的相位，所述光纤放大器用于放大光信号的功率。

进一步地，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。

进一步地，所述光纤激光器为窄线宽的单频光纤激光器。

进一步地，所述多象限探测器为四象限探测器或八象限探测器。

进一步地，所述多象限探测器为大接收面积的面阵探测器。

第二方面，本发明还提供一种基于激光多普勒联合闪烁的测风方法，包括以下步骤：

S10:产生激光，然后将激光分成两束相同的初始光信号，将第一束初始光信号的信号参数调整，并向测量目标位置发射；

S20:接收经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，然后将第一回波信号和第二束初始光信号相互干涉，并将输出的干涉信号转换为第一电信号；

S30:接收经调制光强起伏变化并反射的第二回波信号，然后将第二回波信号聚焦于多象限探测器上成像，并输出为第二电信号；

S40:接收所述第一电信号并根据所述第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速，和接收所述第二电信号并计算确定测量目标位置的横向风速。

S50：根据所述第一电信号，获得所述第一回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标的距离，根据所述第二电信号，获取所述第二回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标位置的距离。

与现有技术相比，本发明提供的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置具有以下优势：

1、该测风装置通过光学天线发射一次测量光束，同时激发平衡探测器和多象限探测器探测，获得径向风速和横向风速信息，径向风速和横向风速结合则是完整风速信息，因此该测风装置可直接测量具体目标地点的风速的三个分量。

2、该测风装置通过径向风速和横向风速的结合得到完整风速信息，无需复杂的测量算法，简化测量过程。

3、该测风装置共用信号处理单元，共用激光器和光学天线发射光束，降低成本和体积，系统集成度高。

附图说明

图1为现有技术的多普勒测风激光雷达的测量示意图。

图2为本申请实施例提供的一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种基于激光多普勒联合闪烁的测风方法的流程图。

图中：10、信号处理单元；11、光纤激光器；12、分束器；13、声光调制器；14、光纤放大器；15、环形器；16、光学天线；17、耦合器；18、平衡探测器；19、多象限探测器；20、光学镜头。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

针对背景技术中的技术问题，本发明实施例提供一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置。请参阅图2，其为本申请中基于激光多普勒联合闪烁的测风装置的结构示意图，测风装置包括光纤激光器11、分束器12、光信号调制模块、环形器15、耦合器17、平衡探测器18和光学天线16，光纤激光器11的输出端与分束器12的输入端光纤连接，分束器12的第一输出端与光信号调制模块的输入端光纤连接，分束器12的第二输出端与耦合器17的第一输入端光纤连接，光信号调制模块的输出端与环形器15的第一端口光纤连接，环形器15的第二端口与光学天线16的输入端光纤连接，环形器15的第三端口与耦合器17的第二输入端光纤连接，耦合器17的输出端与平衡探测器18的输入端光纤连接。

光纤激光器11用于产生单频激光光束，分束器12用于将该单频激光光束分成两束初始光信号，并使其分别进入光信号调制模块和耦合器17。光信号调制模块用于调整从分束器12传送而来的光信号的参数，环形器15用于保证光信号的单向循环传输，使途径环形器15的光信号互不干扰，光学天线16用于将从环形器15导入的光信号扩束输出至测量目标处，并接收大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号。耦合器17用于接收初始光信号和第一回波信号，并使两者进行相互干涉产生干涉信号，将干涉信号送至平衡探测器18，平衡探测器18用于消除干涉信号的共模抑制比，并将其转化为第一电信号。

当大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等和光学天线16之间有径向相对运动时，光波传输会产生多普勒效应，即光学天线16接收到的信号频率将发生变化。由于目标回波的多普勒频率和其径向相对运动的速度成正比，因此只要准确地测量出目标回波的多普勒频率，就可以确定目标径向相对运动的速度。由于频移与径向速度是正比关系，根据第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速和第一回波信号的飞行时间以得到激光测量的目标距离。

该测风装置还包括光学镜头20、多象限探测器19和信号处理单元10，光学镜头20与光学天线16相邻设置，且与多象限探测器19的输入端光纤连接，信号处理单元10分别与平衡探测器18和多象限探测器19的信号输出端电连接。

光学镜头20用于将经气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等调制光强起伏变化并反射的第二回波信号传送至多象限探测器19上成像，多象限探测器19属于光电探测器，一般包括四象限探测器、八象限(双四象限)探测器、线阵探测器和阵列探测器。

光学天线16发射的光束在传播过程中受大气湍流的影响，光强和相位发生改变形成第二回波信号，多象限探测器19通过探测受气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等调制的第二回波信号，在多象限探测器19上成像并转化为第二电信号，后续对其光强产生相同起伏趋势的时间相关性进行分析，可以实现对路径上横风信息的遥测。

信号处理单元10用于接收第一电信号和第二电信号，并计算确定测量目标位置的径向风速和横向风速，具体的，将第一电信号转换为径向风速，将第二电信号转换为横向风速。

在一个具体的实施例中，光信号调制模块包括声光调制器13和光纤放大器14，分束器12、声光调制器13、光纤放大器14和环形器15依次光纤连接，声光调制器13用于将改变光信号的相位，光纤放大器14用于放大光信号的功率，耦合器17具体为50/50合束器，光纤放大器14优选为掺铒光纤放大器。光纤激光器11优选为窄线宽的单频激光器，该单频激光器产生单频激光光束，经分束器12分成两束初始光信号，并分别进入声光调制器13和50/50合束器。

经大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号与初始光信号进入50/50合束器发生相互干涉，产生干涉信号，将干涉信号送至平衡探测器18，平衡探测器18消除干涉信号的共模抑制比，并将其转化为第一电信号。

在本实施例中，多象限探测器19具体为四象限探测器，四象限探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器为一个象限，第二回波信号经光学镜头20后在四象限光电探测器上成像，一般将四象限探测器置于光学镜头20焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上。

四象限探测器通过探测受气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等调制的第二回波信号，在四象限探测器上成像并转化为第二电信号，后续对其光强产生相同起伏趋势的时间相关性进行分析，可以实现对路径上横风信息的遥测。同时，四个象限的探测通道都进行满足采样定理的离散采样的连续时间记录，得到回波信号的飞行时间，乘以光速则为激光测量的目标距离。

信号处理单元10分别与平衡探测器18和多象限探测器19的信号输出端电连接，以获取第一电信号和第二电信号，并通过参考多普勒频移与物体径向运动速度关系，对第一电信号分析得到径向风速，以及参考光强产生相同起伏趋势的时间相关性，对第二电信号分析得到横向风速。

该信号处理单元10可以是处理器结合存储器实现的，该信号处理单元10的处理器为能够执行计算功能的处理器，包括但不限于：FPGA、MCU、MPU、DPU、CPU、ASIC等中的一种或任意多种的组合；也可以是包括上述处理器中一种或任意多种的终端设备。

具体的，该信号处理单元10的存储器为可以通过任何方法或技术来实现信息存储的产品，包括但不限于：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其它类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其它内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其它光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其它磁性存储设备或任何其他可用于存储可以被处理器访问的信息的非传输介质。

在其他实施例中，信号处理单元10还可以是由其他的控制芯片或者硬件电路实现，能完成上述的电信号和风速信号的转换即可。

基于上述实施例中的一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，如图3所示，本申请实施例还提供了一种基于激光多普勒联合闪烁的测风方法，具体包括如下步骤：

S10:产生激光，然后将激光分成两束相同的初始光信号，将第一束初始光信号的信号参数调整，并向测量目标位置发射；

S20:接收经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，然后将第一回波信号和第二束初始光信号相互干涉，并将输出的干涉信号转换为第一电信号；

S30:接收经大气湍流调制光强起伏变化并反射的第二回波信号，然后将第二回波信号聚焦于多象限探测器上成像，并输出为第二电信号；

S40:接收所述第一电信号并根据所述第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速，和接收所述第二电信号并计算确定测量目标位置的横向风速；

S50：根据所述第一电信号，获得所述第一回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标的距离，根据所述第二电信号，获取所述第二回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标位置的距离。

与现有技术相比，本发明提供的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置具有以下优势：

1、该测风装置通过光学天线发射一次测量光束，同时激发平衡探测器和多象限探测器探测，获得径向风速和横向风速信息，径向风速和横向风速结合则是完整风速信息，因此该测风装置可直接测量具体目标地点的风速的三个分量。

2、该测风装置通过径向风速和横向风速的结合得到完整风速信息，无需复杂的测量算法，简化测量过程。

3、该测风装置共用信号处理单元，共用激光器和光学天线发射光束，降低成本和体积，系统集成度高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于，包括：

光纤激光器、分束器、光信号调制模块、环形器、耦合器、平衡探测器和光学天线，所述光纤激光器的输出端与所述分束器的输入端光纤连接，所述分束器的第一输出端与所述光信号调制模块的输入端光纤连接，所述分束器的第二输出端与所述耦合器的第一输入端光纤连接，所述光信号调制模块的输出端与所述环形器的第一端口光纤连接，所述环形器的第二端口与所述光学天线的输入端光纤连接，所述环形器的第三端口与所述耦合器的第二输入端光纤连接，所述耦合器的输出端与所述平衡探测器的输入端光纤连接；

还包括光学镜头、多象限探测器和信号处理单元，所述光学镜头与所述光学天线相邻设置，且所述光学镜头与所述多象限探测器的输入端光纤连接，所述信号处理单元分别与所述平衡探测器和所述多象限探测器的信号输出端电连接；

所述光纤激光器用于产生的激光，并发送至所述分束器，所述分束器用于将所述激光分成两束相同的初始光信号，并将两束初始光信号分别送至所述光信号调制模块和所述耦合器，所述光信号调制模块用于调整第一束初始光信号的参数，所述环形器用于将所述第一束初始光信号传输至所述光学天线，所述光学天线用于发射第一束初始光信号，并接收经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，所述耦合器用于接收所述第一回波信号和第二束初始光信号，并使两者相互干涉，形成干涉信号，所述平衡探测器用于接收所述干涉信号，并输出第一电信号，所述光学镜头用于聚焦经调制光强起伏变化并反射的第二回波信号于所述多象限探测器上成像，所述多象限探测器用于将第二回波信号转换为第二电信号，所述信号处理单元包括处理器和存储器，所述信号处理单元用于接收所述第一电信号并根据所述第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速和第一回波信号的飞行时间以得到激光测量的目标距离，和接收所述第二电信号并计算确定测量目标位置的横向风速和第二回波信号的飞行时间以得到激光测量的目标距离。

2.根据权利要求1所述的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于：

所述光信号调制模块包括声光调制器和光纤放大器，所述声光调制器的输入端与所述分束器的第一输出端光纤连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端光纤连接，所述光纤放大器的输出端与所述环形器的第一端口光纤连接，所述声光调制器用于将改变光信号的相位，所述光纤放大器用于放大光信号的功率。

3.根据权利要求2所述的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于：

所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。

4.根据权利要求1所述的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于：

所述光纤激光器为窄线宽的单频光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于：

所述多象限探测器为四象限探测器或八象限探测器。

6.根据权利要求1所述的基于激光多普勒联合闪烁的测风装置，其特征在于：

所述多象限探测器为大接收面积的面阵探测器。

7.一种基于激光多普勒联合闪烁的测风方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S10:产生激光，然后将激光分成两束的初始光信号，将第一束初始光信号的信号参数调整，并向测量目标位置发射；

S20:接收经过大气中自然出现的气溶胶颗粒、空气分子或大气湍流等产生的具有多普勒频移的后向散射的第一回波信号，然后将第一回波信号和第二束初始光信号相互干涉，并将输出的干涉信号转换为第一电信号；

S30:接收经调制光强起伏变化并反射的第二回波信号，然后将第二回波信号聚焦于多象限探测器上成像，并输出为第二电信号；

S40:接收所述第一电信号并根据所述第一电信号计算确定测量目标位置的径向风速，和接收所述第二电信号并计算确定测量目标位置的横向风速。

S50：根据所述第一电信号，获得所述第一回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标的距离，根据所述第二电信号，获取所述第二回波信号的飞行时间，计算得到激光测量目标位置的距离。

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