CN114910883A - 一种三维扫描式测风激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于大气环境测量领域，特别涉及一种三维扫描式测风激光雷达系统。所述激光雷达系统包括收发单元、振镜单元、转换单元和计算单元；所述收发单元，用于将激光束分为本振光源和探测光束，将探测光束向大气中发射并接收探测光束与大气作用后的回波信号；所述振镜单元，用于改变收发单元的探测光束的发射方向；所述转换单元，用于将所述回波信号与本振光源进行混频后进行调制，并将回波信号与本振光源混频后的光信号转换为电信号；所述计算单元，用于通过所述电信号计算得到功率谱信息，从功率谱中提取风场信息。通过本发明可以实现大气风场的三维测量。

Description

一种三维扫描式测风激光雷达系统
技术领域
本发明属于大气环境测量领域，特别涉及一种三维扫描式测风激光雷达系统。
背景技术
大气风场信息的实时测量是大气环境监测的重要组成部分，不仅影响人们的日常生活，而且在环境监测、航空气象安全、大气理论研究、天气预警、风电场性能评价等方面有重要的作用。尤其在气象领域，大气风场的探测对季风气候变化、大气环流系统、数值天气预报等方面的研究产生重要的影响，通过研究大气的风场分布特性，能够为气象上的研究提供重要的参考。
我国的风场测量设备有微波测风雷达、风廓线雷达和多普勒声雷达等。其中微波测风雷达对小尺寸的微粒及大气分子等基本不产生微波信号，且只有在阴雨环境下具备更好的性能。风廓线雷达在晴空条件下，系统的信噪比过低，较易受到环境噪声干扰，影响探测精度，且较难实现小型化。多普勒声雷达的探测范围有限，作用距离较短，在远距离探测方面很受限制。国内的一些相干测风雷达的光束经过望远镜发射到达契镜，再发射到大气中，只能实现一定方向和范围上风场的测量，无法实现大气风场的三维测量。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种三维扫描式测风激光雷达系统，所述激光雷达系统包括收发单元、振镜单元、转换单元和计算单元；
所述收发单元，用于将激光束分为本振光源和探测光束，将探测光束向大气中发射并接收探测光束与大气作用后的回波信号；
所述振镜单元，用于改变收发单元的探测光束的发射方向；
所述转换单元，用于将所述回波信号与本振光源进行混频后进行调制，并将回波信号与本振光源混频后的光信号转换为电信号；
所述计算单元，用于通过所述电信号计算得到功率谱信息，从功率谱中提取风场信息。
进一步的，所述收发单元包括种子源、第一光耦合器、环形器和望远镜；
所述种子源用于生成激光束；
所述第一光耦合器用于对所述激光束进行分束；
所述望远镜用于发射激光束和接收激光束；
所述环形器用于隔离发射的激光束和接收的激光束。
进一步的，所述收发单元还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第一光耦合器的输出端连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接，所述光纤放大器的输出端经环形器后连接望远镜。
进一步的，所述转换单元包括第二光耦合器和光电平衡探测器，
所述第二光耦合器用于将与大气作用后产生的回波信号和本振光源进行相干拍频；
所述光电平衡探测器，用于将第二光耦合器处理后的光信号转换为电信号。
进一步的，所述计算单元包括数据采集处理卡和计算模块，
所述数据采集处理卡，用于采集电信号并转换为离散数字信号，并对所述离散数字信号进行傅里叶变换处理，将傅里叶变换结果取模平方，得到信号的功率谱信息；
所述计算模块，用于从所述信号的功率谱中提取出相应的风场信息，并绘制对应风场图。
进一步的，所述振镜单元包括垂直转动机构、水平转动机构和连接部，所述连接部与收发单元固定连接，所述连接部依次和垂直转动机构和水平转动机构连接。
进一步的，所述振镜单元还包括控制器、电机驱动器、步进电机和蜗轮蜗杆传动机构，所述控制器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端连接所述电机驱动器的输入端，所述电机驱动器的输出端连接所述步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接蜗轮蜗杆传动机构的输入端，所述蜗轮蜗杆传动机构用于控制所述水平转动机构和垂直转动机构转动。
本发明的优点具体如下：
1)通过振镜单元能够改变对激光雷达系统进行多角度全方面进行测量，使得测量结果更加精准。
2)收发单元为一个整体单元，通过振镜单元控制，有利于实现多角度测量，同时望远镜既做发射端又做接收端，并通过环形器进行发射激光束和接收激光束的隔离，可以保证有效的接收发射的激光束。
3)光纤放大器可以不失真地放大探测光束的信息。
4)振镜单元包括垂直转动机构、水平转动机构保证收发单元可以360度无死角转动。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1示出了根据本发明实施例中三维扫描测风激光雷达系统的系统示意图；
图2示出了根据本发明中另一实施例中三维扫描测风激光雷达系统的系统示意图；
图3示出了根据本发明中振镜单元的系统示意图。
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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种三维扫描式测风激光雷达系统，如图1所示，所述激光雷达系统包括收发单元、振镜单元、转换单元和计算单元；
所述收发单元，用于将激光束分为本振光源和探测光束，将探测光束向大气中发射并接收探测光束与大气作用后的回波信号；
所述振镜单元，用于改变收发单元的探测光束的发射方向；
所述转换单元，用于将所述回波信号与本振光源进行混频后进行调制，并将回波信号与本振光源混频后的光信号转换为电信号；
所述计算单元，用于通过所述电信号计算得到功率谱信息，从功率谱中提取风场信息。
具体的，收发单元的输出端与所述转换单元的输入端连接，所述转换单元的输出端与所述计算单元的输入端连接。所述收发单元将激光束分为本振光源和探测光束，探测光束发射至大气中。探测光束与大气中气溶胶粒子发生散射作用后，产生后向回波信号。收发单元接收所述回波信号，将所述回波信号和本振光源一同发送至转换单元。转换单元接收本振光源和回波信号后，对回波信号和本振光源进行混频，然后对混频后的光信号进行调制，最后将调制后的光信号转换为电信号。计算单元将连续的电信号转换为离散的数字信号后，对所述数字信号进行离散傅里叶变换处理，并将变换结果取模平方即可得到功率谱信息。进一步的，由于单发脉冲的功率谱信号太低，为了能够精确提取风场频率，所述处理模块将多发脉冲的功率谱进行累加处理，获取平滑后的风场功率谱分布。最终所述计算单元从累积功率谱中提取风场信息。
示例性的，所述收发单元包括种子源、第一光耦合器、环形器和望远镜；所述种子源用于生成激光束；所述第一光耦合器用于对所述激光束进行分束；所述望远镜用于发射激光束和接收激光束；所述环形器用于隔离发射的激光束和接收的激光束。
具体的，种子源生成预定中心波段的激光束，所述激光束进入所述第一光耦合器的输入端。当激光束经过第一光耦合器时，所述第一光耦合器将激光束分为相同的两束激光，分别为本振光源和探测光束。探测光束进入环形器的第一端口，然后通过输出端到达望远镜处，并向大气中发射。探测光束与大气中气溶胶等物质相互作用后，产生反向回波信号。望远镜接收回波信号后通过环形器的第二端口。所述第一光耦合器和环形器的第二端口均与所述转换单元连接，将本振光源和回波信号发送至转换单元进行处理。具体的，所述环形器又称隔离器，高频激光信号从第一端口进入，可以单向传输至输出口，当回波信号被接收后，通过环形器的第二端口发送至转换单元。
进一步的，所述收发单元还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第一光耦合器的输出端连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接，所述光纤放大器的输出端经环形器连接至望远镜。
具体的，所述声光调制器的输入端与所述种子源的输出端连接，所述声光调制器对光束进行频率调制，能够解决风场频率估计中无法确定径向风场方向的问题。所述声光调制器的输入端与所述第一光耦合器的输出端连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接，所述光纤放大器的输出通过所述环形器的第一端口后连接至望远镜，所述光纤放大器可以不失真地将探测光束进行放大。
示例性的，如图2所示，所述转换单元包括第二光耦合器和光电平衡探测器，
所述第二光耦合器用于将与大气作用后产生的回波信号和本振光源进行相干拍频；
所述光电平衡探测器，用于将第二光耦合器处理后的光信号转换为电信号。
具体的，所述第二光耦合器的输入端与所述第一光耦合器的输出端和环形器的第二端口连接。第二光耦合器接收本振光源和回波信号，将本振光源和回波信号进行混频处理后进行调制。所述第二光耦合器的输出端和所述光电平衡探测器的输入端连接。所述第二光耦合器将调制后的本振光源和回波信号传输至光电平衡探测器，光电平衡探测器将本振光源和回波信号转换为便于测量的电信号并传输给计算单元进行处理。
示例性的，所述计算单元包括数据采集处理卡和计算模块，
所述数据采集处理卡，用于采集电信号并转换为离散数字信号，并对所述离散数字信号进行傅里叶变换处理，将傅里叶变换结果取模平方，得到信号的功率谱信息；
所述计算模块，用于从所述信号的功率谱中提取出相应的风场信息，并绘制对应风场图。
所述数据采集处理卡的输入端与所述光电平衡探测器的输出端连接，所述数据采集处理卡高频采集电信号，并将电信号转换为离散的数字信号，分别对多组数字信号进行傅里叶变换，对变化结果取模平方，即可得到所述回波信号的功率谱信息，并发送至计算模块。计算模块对采集处理卡传输的功率谱信息进行进一步处理，从中提取出相应的风场信息，并绘制对应风场图。进一步的，如图3所示，所述振镜单元包括垂直转动机构、水平转动机构和连接部，所述连接部与收发单元固定连接，所述连接部依次和垂直转动机构和水平转动机构连接。具体的，垂直转动机构和水平转动机构相互连接，通过所述连接部与所述收发单元固定连接，即所述收发单元可以通过垂直转动机构和水平转动机构进行多角度转动，实现多角度全方位的扫描工作。
优选的，所述振镜单元还包括控制器、电机驱动器、步进电机和蜗轮蜗杆传动机构，所述控制器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端连接所述电机驱动器的输入端，所述电机驱动器的输出端连接所述步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接蜗轮蜗杆传动机构的输入端，所述蜗轮蜗杆传动机构用于控制所述水平转动机构和垂直转动机构转动。示例性的，通过控制器控制电机驱动器，电机驱动器向步进电机发生触发信号，所述步进电机控制蜗轮蜗杆传动机构运动，实现对垂直转动机构和水平转动机构的驱动。以此实现对收发单元的多角度转动，进行三维扫描测量风场信息。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述激光雷达系统包括收发单元、振镜单元、转换单元和计算单元；
所述收发单元，用于将激光束分为本振光源和探测光束，将探测光束向大气中发射并接收探测光束与大气作用后的回波信号；
所述振镜单元，用于改变收发单元的探测光束的发射方向；
所述转换单元，用于将所述回波信号与本振光源进行混频后进行调制，并将回波信号与本振光源混频后的光信号转换为电信号；
所述计算单元，用于通过所述电信号计算得到功率谱信息，从功率谱中提取风场信息。
2.根据权利要求1所述的三维扫描式测风激光雷达系统，
所述收发单元包括种子源、第一光耦合器、环形器和望远镜；
所述种子源用于生成激光束；
所述第一光耦合器用于对所述激光束进行分束；
所述望远镜用于发射激光束和接收激光束；
所述环形器用于隔离发射的激光束和接收的激光束。
3.根据权利要求2所述的三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述收发单元还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第一光耦合器的输出端连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接，所述光纤放大器的输出端经环形器后连接望远镜。
4.根据权利要求1所述的三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述转换单元包括第二光耦合器和光电平衡探测器，
所述第二光耦合器用于将与大气作用后产生的回波信号和本振光源进行相干拍频；
所述光电平衡探测器，用于将第二光耦合器处理后的光信号转换为电信号。
5.根据权利要求1所述的三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述计算单元包括数据采集处理卡和计算模块，
所述数据采集处理卡，用于采集电信号并转换为离散数字信号，并对所述离散数字信号进行傅里叶变换处理，将傅里叶变换结果取模平方，得到信号的功率谱信息；
所述计算模块，用于从所述信号的功率谱中提取出相应的风场信息，并绘制对应风场图。
6.根据权利要求1所述的三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述振镜单元包括垂直转动机构、水平转动机构和连接部，所述连接部与收发单元固定连接，所述连接部依次和垂直转动机构和水平转动机构连接。
7.根据权利要求6所述的三维扫描式测风激光雷达系统，其特征在于，
所述振镜单元还包括控制器、电机驱动器、步进电机和蜗轮蜗杆传动机构，所述控制器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端连接所述电机驱动器的输入端，所述电机驱动器的输出端连接所述步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接蜗轮蜗杆传动机构的输入端，所述蜗轮蜗杆传动机构用于控制所述水平转动机构和垂直转动机构转动。
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