CN115236697B - 分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法 - Google Patents

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CN115236697B CN202211161477.9A CN202211161477A CN115236697B CN 115236697 B CN115236697 B CN 115236697B CN 202211161477 A CN202211161477 A CN 202211161477A CN 115236697 B CN115236697 B CN 115236697B
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Abstract

本申请涉及测风雷达技术领域的一种分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法。该方法包括采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光；通过射频驱动源产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲；采用分时多频调制器将宽脉冲调制到单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号；将分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号；对回波信号采用预设信号处理方法进行处理，得到大气风速。本方法解决了传统脉冲激光雷达距离分辨和输出功率无法兼得的问题，使用窄的子脉冲宽度实现更高距离分辨率，发射更多频率使输出功率提高，实现远距离复杂风场的精细探测。

Description

分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法
技术领域
本申请涉及测风雷达技术领域，特别是涉及一种分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法。
背景技术
测风激光雷达以激光为信息承载介质，因激光的高单色性、高相干性、高方向性以及非接触性等优点，广泛应用于风场测量领域，具有高时间分辨率、空间分辨率、大动态范围及高测量精度。测风激光雷达的主要原理是发射的激光载波与空气中气溶胶粒子相互作用后发生多普勒频移，通过频谱分析检测散射回波的多普勒频移得到风速，间接实现风场信息的感知。复杂风场是指时间和空间上变化较为剧烈的风场，包括风切变、飞行器扰动场等中小尺度气流场，其全天候探测是研究复杂目标动力学规律的关键问题，也是空间信息获取与气象探测的交叉研究方向，在军民用航空安全、环境监测和重要武器发射保障等方面都具有重要应用需求。想要更好的解决复杂风场的精细探测问题，亟需提升测风激光雷达的距离分辨。
而当前的测风激光雷达一般采用脉冲体制，结合飞行时间法判断探测距离，其距离分辨率为：
Figure 982126DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 103666DEST_PATH_IMAGE002
为发射脉冲的宽度，
Figure 66943DEST_PATH_IMAGE003
为采样间隔，
Figure 426380DEST_PATH_IMAGE004
为采样点数，
Figure 567643DEST_PATH_IMAGE005
为光速。根据信号处理理论，进行频谱分析的采样点数越多，频谱分析的速度分辨率越高，但是距离分辨率就越差。在采样点数和采样间隔固定的情况下，想要提高距离分辨率就要降低发射脉冲宽度。但是受限于非线性效应，激光脉冲的峰值功率难以提高，当峰值功率大于受激布里渊等非线性效应的阈值，将会使得输出的光束展宽、严重抖动甚至损坏激光器。因此脉宽越窄，可发射的单脉冲能量越小，回波的能量也越低，信噪比越低，探测范围越小。而且由于测风激光雷达的最大探测距离为：
Figure 379741DEST_PATH_IMAGE006
，如果通过增大发射脉冲的重复频率
Figure 146708DEST_PATH_IMAGE007
或者减小发射脉冲的重复时间
Figure 626231DEST_PATH_IMAGE008
来积累更多脉冲提升出射能量，则最大探测距离
Figure 436930DEST_PATH_IMAGE009
减小。
因此，传统的测风激光雷达受限于脉冲峰值功率的限制，无法兼顾高距离分辨率和远探测距离，也就无法满足远距离复杂风场精细探测的需求。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法，能够解决传统单频激光雷达距离分辨和输出功率无法兼得的问题，在增加脉宽的同时提高输出功率但不降低距离分辨率，具体原理为将发射激光信号调制为频率不同的子脉冲并拼接为大脉冲，每个子脉冲的宽度决定了距离分辨率，而输出的功率随子脉冲频率的增加而提高。
一方面，提供一种分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法，所述方法包括：
采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光。
通过射频驱动源产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲。
采用分时多频调制器将所述宽脉冲调制到所述单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号。
将所述分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号。
对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速。
在其中一个实施例中，采用分时多频调制器将所述宽脉冲调制到所述单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号，步骤中所述分时多频调制器采用声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
在其中一个实施例中，将所述分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号，步骤中脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
在其中一个实施例中，对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速，步骤中所述预设信号处理方法为各多频频率间的非相干累加法，所述非相干累加法的具体步骤包括：
对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布。
将所述回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同功率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的频谱进行非相干累加。
根据累加后的功率谱和所述单频连续激光的频率，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 798642DEST_PATH_IMAGE010
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 713508DEST_PATH_IMAGE011
为所述单频连续激光的频率，
Figure 844275DEST_PATH_IMAGE012
为回波多普勒频移谱。
在其中一个实施例中，对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速，步骤中所述预设信号处理为各多频频率间的相干累加法，所述相干累加法的具体步骤方法包括：
对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；所述新回波信号的表达式为：
Figure 576608DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 628877DEST_PATH_IMAGE014
为新回波信号，
Figure 222801DEST_PATH_IMAGE015
为时域回波信号，
Figure 676916DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 580150DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 119716DEST_PATH_IMAGE018
、…、
Figure 15865DEST_PATH_IMAGE019
为发射频率为
Figure 324487DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 133043DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 894325DEST_PATH_IMAGE022
、…、
Figure 95631DEST_PATH_IMAGE023
的信号的初相位,n为大于1的整数，移频相加后频率为
Figure 258759DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 503795DEST_PATH_IMAGE025
、…、
Figure 814691DEST_PATH_IMAGE026
的信号能量集中到频率
Figure 678742DEST_PATH_IMAGE027
。
根据每个宽脉冲周期内的所述新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布。
根据所述回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 70278DEST_PATH_IMAGE028
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 79691DEST_PATH_IMAGE029
为回波多普勒频移谱。
另一方面，还提供一种分时多频脉冲测风激光雷达系统，分时多频脉冲测风激光雷达系统用于采用上述分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法实现大气风速测量；所述分时多频脉冲测风激光雷达系统包括：
单频连续激光器，用于发射具有相干性的单频连续激光。
第一光纤分束器，用于将所述单频连续激光分成信号光和本征参考光，并将所述信号光和所述本征参考光分别传输至分时多频调制器和连续可调衰减器。
射频驱动源，用于提供射频域的分时多频子脉冲，并将所述分时多频子脉冲拼接为宽脉冲。
所述分时多频调制器，用于将所述宽脉冲调制到所述信号光上，得到分时多频脉冲激光信号，并将所述分时多频脉冲激光信号传输至脉冲调制器。
所述脉冲调制器，用于将所述分时多频脉冲激光信号斩断为脉冲，并传输至光放大器。
所述光放大器，用于对接收的脉冲信号进行放大，并传输至环形器。
所述环形器，用于将接收到的所述放大信号传输至光学收发装置，还用于将光学收发装置接收到的相干回波信号传输至第二光纤分束器。
所述光学收发装置，用于将所述放大信号发射至探测目标物，并接收探测目标物的相干回波信号，将所述相干回波信号传输至所述环形器。
所述连续可调衰减器，用于调节所述本征参考光的强度，并将强度调节后的信号传输至所述第二光纤分束器。
所述第二光纤分束器，用于将强度调节后的本征参考光和所述相干回波信号进行相干拍频后传输至平衡探测器。
所述平衡探测器，用于对相干拍频后的相干回波信号进行检测，并将检测结果输入到数据采集处理子系统。
所述数据采集处理子系统，用于对接收到的回波信号进行信号处理，得到大气风速。
进一步的，所述分时多频调制器为声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
进一步的，脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
进一步的，所述数据采集处理子系统，还用于对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；将所述回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同功率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的分属各多频频率的频谱进行非相干累加；根据累加后的功率谱和所述单频连续激光的频率，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 815566DEST_PATH_IMAGE030
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 280045DEST_PATH_IMAGE031
为所述单频连续激光的频率，
Figure 526087DEST_PATH_IMAGE032
为回波多普勒频移谱。
进一步的，所述数据采集处理子系统，还用于对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；所述新回波信号的表达式为：
Figure 253872DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 336098DEST_PATH_IMAGE034
为新回波信号，
Figure 807530DEST_PATH_IMAGE035
为时域回波信号，
Figure 675123DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 308230DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 877751DEST_PATH_IMAGE038
、…、
Figure 887296DEST_PATH_IMAGE039
为发射频率为
Figure 796346DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 974255DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 906439DEST_PATH_IMAGE042
、…、
Figure 578729DEST_PATH_IMAGE043
的信号的初相位，n为大于1的整数，移频相加后频率为
Figure 545548DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 317195DEST_PATH_IMAGE045
、…、
Figure 877620DEST_PATH_IMAGE046
的信号能量集中到频率
Figure 963388DEST_PATH_IMAGE047
。
根据每个宽脉冲周期内的所述新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；根据所述回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 909347DEST_PATH_IMAGE048
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 320737DEST_PATH_IMAGE049
为回波多普勒频移谱。
上述分时多频脉冲测风激光雷达系统和风速测量方法，所述方法包括：采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光；通过射频驱动源产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲；采用分时多频调制器将宽脉冲调制到单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号；将分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号；对相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速。本方法能够解决传统脉冲激光雷达距离分辨和输出功率无法兼得的问题；使用窄的子脉冲宽度实现更高的距离分辨率，发射更多频率使得输出的功率提高，实现远距离复杂风场的精细探测。
附图说明
图1为一个实施例中分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法的流程示意图；
图2为一个实施例中分时多频脉冲测风激光雷达系统结构示意图；
图 3为另一个实施例中分时多频脉冲激光信号的示意图；
图4为另一个实施例中单频激光雷达和本发明的激光雷达的距离分辨率示意图；
图5为另一个实施例中提供的分时多频脉冲测风激光雷达系统回波频谱示意图；
图6为另一个实施例中分时多频脉冲测风激光雷达系统测风频谱结果实验图；
图7为另一个实施例中分时多频脉冲测风激光雷达系统非相干积累后测风频谱结果实验图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件，即也可以是间接连接到另一个元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤100：采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光。
步骤102：通过射频驱动源产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲。
具体的，射频驱动源包括但不限于任意波形发生器AWG，晶体管逻辑电平信号发生器TTL及射频信号发生器及这些设备的组合。
采用分时多频的波形设计方法，将不同频率的子脉冲拼接形成宽脉冲，能增加脉宽提高输出功率，同时通过频率可区分出不同探测距离，不降低距离分辨率。解决了传统脉冲激光雷达距离分辨和输出功率无法兼得的问题，即解决了缩短脉宽能提高距离分辨率，但由于峰值功率受限输出功率会降低的问题。
步骤104：采用分时多频调制器将宽脉冲调制到单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号。
具体的，分时多频调制器用于调制单频连续激光为分时多频脉冲激光信号，分时多频调制器包括但不限于声光调制器AOM以及电光调制器EOM以及两者的组合。
将发射激光调制为频率不同的子脉冲并拼接为宽脉冲，通过频率可区分出不同探测距离因此不降低距离分辨率，最终每个子脉冲的宽度决定了距离分辨率，而输出的功率正比于宽脉冲宽度。
步骤106：将分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号。
具体的，脉冲调制器用于斩断信号为脉冲，可以增加脉冲消光比及调制深度，包括但不限于声光调制器AOM以及电光调制器EOM。
探测目标物为流体粒子，包括但不限于大气气溶胶，若探测目标物为大气气溶胶则该激光雷达用于探测大气风速。
通过分时段发射不同频率的脉冲信号，发射信号的频率越多，输出的功率越高，有效增加输出功率，提高回波信噪比，有望实现更远距离的探测。在分时多频体制下，子脉冲的宽度可以设置的更窄，有望实现更高的距离分辨率，实现复杂风场的精细探测。
步骤108：对相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速。
具体的，预设信号处理方法可以采用回波移频相干积累的信号处理方式或多频率间功率谱非相干积累的信号处理方式。
回波移频相干积累的信号处理方式，能更大程度的提升回波信号频谱强度，充分利用不同时段频率的能量，有利于排除噪声干扰，在较低的接收回波信噪比下处理得到高信噪比的频谱。
多频率间功率谱非相干积累的信号处理方式，不仅能提升回波能量和信噪比，更能有效的避免单个频率的测量误差，例如由于探测器在各频率处的测量基底造成的速度分析误差，以及参考频率偏差带来的速度误差。
上述分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法，所述方法包括：采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光；通过射频驱动源产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲；采用分时多频调制器将宽脉冲调制到单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号；将分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号；对相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速。本方法能够解决传统脉冲激光雷达距离分辨和输出功率无法兼得的问题；使用窄的子脉冲宽度实现更高的距离分辨率，发射更多频率使得输出的功率提高，实现远距离复杂风场的精细探测。
在其中一个实施例中，步骤104中分时多频调制器采用声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
在其中一个实施例中，步骤106中脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
在其中一个实施例中，步骤108中预设信号处理方法为各多频频率间的非相干累加法，非相干累加法的具体步骤包括：对相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；将回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同功率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的频谱进行非相干累加；根据累加后的功率谱和单频连续激光的频率，得到大气风速；大气风速的表达式为：
Figure 24251DEST_PATH_IMAGE050
（1）
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 22032DEST_PATH_IMAGE051
为单频连续激光的频率，
Figure 963443DEST_PATH_IMAGE052
为回波多普勒频移谱。
具体的，按照一定采样频率采集相干回波信号，并在每个宽脉冲周期
Figure 404788DEST_PATH_IMAGE053
内按照每相邻n个采样计算功率谱，再把连续M个脉冲的功率谱累加，即可获得随距离变化的回波多普勒频移谱
Figure 595598DEST_PATH_IMAGE054
分布；
将回波多普勒频移谱分属多频频率值
Figure 288748DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 960032DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 447645DEST_PATH_IMAGE057
，…的不同功率谱以频率值
Figure 453647DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 481646DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 132070DEST_PATH_IMAGE060
，…进行降频，再将降频后的频谱进行非相干累加，对累加后的功率谱按照
Figure 164486DEST_PATH_IMAGE061
计算出风速，其中
Figure 533150DEST_PATH_IMAGE062
为单频连续激光器的输出的单频连续激光的频率。
在其中一个实施例中，步骤108中预设信号处理方法为各多频频率间的相干累加法，相干累加法的具体步骤包括：对相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；新回波信号的表达式为：
Figure 364840DEST_PATH_IMAGE063
（2）
其中，
Figure 994404DEST_PATH_IMAGE064
为新回波信号，
Figure 89399DEST_PATH_IMAGE065
为时域回波信号，
Figure 555147DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 128211DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 549965DEST_PATH_IMAGE068
、…、
Figure 940495DEST_PATH_IMAGE069
为发射频率为
Figure 752593DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 768828DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 45089DEST_PATH_IMAGE072
、…、
Figure 216307DEST_PATH_IMAGE073
的信号的初相位,n为大于1的整数，移频相加后频率为
Figure 905915DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 617519DEST_PATH_IMAGE075
、…、
Figure 217127DEST_PATH_IMAGE076
的信号能量集中到频率
Figure 434613DEST_PATH_IMAGE077
。
根据每个宽脉冲周期内的新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；根据回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；大气风速的表达式为：
Figure 486883DEST_PATH_IMAGE078
（3）
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 2178DEST_PATH_IMAGE079
为回波多普勒频移谱。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种分时多频脉冲测风激光雷达系统，该系统用于采用上述任以所述的分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法实现大气风速测量；该分时多频脉冲测风激光雷达系统包括：单频连续激光器1，第一光纤分束器2，分时多频调制器3，射频驱动源4，脉冲调制器5，光放大器6，环形器7，光学收发装置8，探测目标物9，连续可调衰减器10，第二光纤分束器11，平衡探测器12，数据采集处理系统13，各个器件的连接关系如下：
单频连续激光器1的输出端与第一光纤分束器2的输入端连接，第一光纤分束器2将单频激光分成两份，其中第一输出端A1输出信号光，第二输出端B1输出本征参考光。第一光纤分束器2的第二输出端B1与连续可调衰减器10的输入端连接，连续可调衰减器10的输出端和第二光纤分束器11的第二输入端B3连接。
第一光纤分束器2的第一输出端A1与分时多频调制器3的输入端连接，连续可调衰减器10的输出端和第二光纤分束器11的第一输入端A3连接。射频驱动源4的输出端与分时多频调制器3的驱动信号输入端相连，分时多频调制器3的输出端和脉冲调制器5的输入端连接，脉冲调制器5的输出端和光放大器6的输入端连接，光放大器6的输出端和环形器7的第一输出端A2连接，环形器7的第一输出端A3和光学收发装置8的输入端连接，光学收发装置8出射的光束照在探测目标物9上，探测目标物9的后向散射回波经过光学收发装置8收集，再回到环形器7的第一输出端A3，在环形器7内部传输到第二输出端A4和第二光纤分束器11的第二输入端B2连接。第二光纤分束器11的输出端和平衡探测器12的输入端连接，平衡探测器12的输出端和数据采集处理系统13的输入端连接。
单频连续激光器1，用于发射具有相干性的单频连续激光。
第一光纤分束器2，用于将单频连续激光分成信号光和本征参考光，并将信号光和本征参考光分别传输至分时多频调制器3和连续可调衰减器10。
射频驱动源4，用于提供射频域的分时多频子脉冲，并将分时多频子脉冲拼接为宽脉冲。作为优选，射频驱动源包括但不限于任意波形发生器AWG，晶体管逻辑电平信号发生器TTL及射频信号发生器及这些设备的组合。
分时多频调制器3，用于将宽脉冲调制到信号光上，得到分时多频脉冲激光信号，并将分时多频脉冲激光信号传输至脉冲调制器5。
脉冲调制器5，用于将分时多频脉冲激光信号斩断为脉冲，并传输至光放大器6。
光放大器6，用于对接收的脉冲信号进行放大，并传输至环形器7。
环形器7，用于将接收到的放大信号传输至光学收发装置，还用于将光学收发装置接收到的相干回波信号传输至第二光纤分束器11。
光学收发装置8，用于将放大信号发射至探测目标物9，并接收探测目标物9的相干回波信号，将相干回波信号传输至环形器7。
连续可调衰减器10，用于调节本征参考光的强度，并将强度调节后的信号传输至第二光纤分束器11。
第二光纤分束器11，用于将强度调节后的本征参考光和相干回波信号进行相干拍频后传输至平衡探测器12。
平衡探测器12，用于对相干拍频后的相干回波信号进行检测，并将检测结果输入到数据采集处理子系统13。
数据采集处理子系统13，用于对接收到的回波信号进行信号处理，得到大气风速。
具体的，以分时四频信号为例提供的分时多频脉冲激光信号示意图如图3所示。通过射频驱动源产生频率为
Figure 315347DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 93948DEST_PATH_IMAGE081
、
Figure 430251DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 326401DEST_PATH_IMAGE083
的子脉冲拼接为宽脉冲，子脉冲的宽度为
Figure 369443DEST_PATH_IMAGE084
，宽脉冲的宽度为
Figure 115682DEST_PATH_IMAGE085
，再通过分时多频调制器3将其调制到光频率为
Figure 1598DEST_PATH_IMAGE086
的单频连续激光上。如果使用的是EOM调制，则每个子脉冲的单频可产生两个频率边带，最终调制出的各子脉冲频率为
Figure 61958DEST_PATH_IMAGE087
、
Figure 100453DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 17593DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure 531751DEST_PATH_IMAGE090
；如果使用的是AOM调制，则每个子脉冲的单频调制到单频激光上产生一一对应的频率，对应各子脉冲频率为
Figure 254856DEST_PATH_IMAGE091
、
Figure 272491DEST_PATH_IMAGE092
、
Figure 626112DEST_PATH_IMAGE093
、
Figure 470309DEST_PATH_IMAGE094
(正移频)或
Figure 872471DEST_PATH_IMAGE095
、
Figure 806929DEST_PATH_IMAGE096
、
Figure 862610DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure 695568DEST_PATH_IMAGE098
（负移频）。
另外，分时多频脉冲激光雷达距离分辨和传统单频脉冲激光雷达距离分辨示意图如图4所示。以分时双频信号为例，两个脉宽为
Figure 432580DEST_PATH_IMAGE099
的子脉冲分别对应不同的频率，拼接形成宽度为
Figure 549440DEST_PATH_IMAGE100
的宽脉冲。如果脉宽为
Figure 182547DEST_PATH_IMAGE101
，则脉冲的前沿
Figure 266915DEST_PATH_IMAGE102
，脉冲的后沿为
Figure 276460DEST_PATH_IMAGE103
，用同样的采集时长
Figure 247827DEST_PATH_IMAGE104
处理，对应的探测范围即距离分辨为
Figure 51835DEST_PATH_IMAGE105
，也就对应着传统的单频脉冲激光雷达的距离分辨。而本发明的分时多频脉冲激光雷达，两个子脉冲对应的探测范围分别为
Figure 780756DEST_PATH_IMAGE106
和
Figure 469358DEST_PATH_IMAGE107
，在子脉冲宽度
Figure 170597DEST_PATH_IMAGE108
相同的情况下相等，相互错开
Figure 270141DEST_PATH_IMAGE109
，并可根据子脉冲的频率进行区分。由此可见，本发明提供的分时多频脉冲激光雷达的距离分辨受单子脉冲宽度决定，小于传统单频脉冲激光雷达，但发射能量不降低。
本实施例中提供的分时多频脉冲测风激光雷达系统回波频谱示意图如图5所示。以分时四频脉冲激光雷达系统为例，假设使用AOM进行正移频后将激光调制为子脉冲频率为
Figure 751937DEST_PATH_IMAGE110
、
Figure 103284DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 32932DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 975480DEST_PATH_IMAGE113
的信号，经过发射后回波中携带有多普勒频移，再和参考光一起进入第二光纤分束器11相干拍频，再由平衡探测器12检测，只保留低频信号，经过频谱分析即可以得到中心频率在
Figure 882256DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 896349DEST_PATH_IMAGE115
、
Figure 572181DEST_PATH_IMAGE116
、
Figure 29838DEST_PATH_IMAGE117
带有移频的信号
Figure 220648DEST_PATH_IMAGE118
、
Figure 913797DEST_PATH_IMAGE119
、
Figure 568770DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure 118700DEST_PATH_IMAGE121
，并且结合图4中给出不同子脉冲的距离分辨，每个频率分别对应的探测范围为
Figure 734489DEST_PATH_IMAGE122
，
Figure 339651DEST_PATH_IMAGE123
，
Figure 990076DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure 38803DEST_PATH_IMAGE125
。
进一步的，分时多频调制器为声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
进一步的，脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
进一步的，数据采集处理子系统，还用于对相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；将回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同功率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的频谱进行非相干累加；根据累加后的功率谱和单频连续激光的频率，得到大气风速；大气风速的表达式如式（1）所示。
进一步的，数据采集处理子系统，还用于对相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；新回波信号的表达式如式（2）所示。
根据每个宽脉冲周期内的新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；根据回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；大气风速的表达式如式（3）所示。
在一个具体的实施例中，分时多频脉冲测风激光雷达系统测风频谱结果实验图如图6所示。假设三个分时子脉冲的频率分别为40MHz，80MHz和120MHz，通过在每个回波脉冲周期
Figure 204205DEST_PATH_IMAGE126
内按照每相邻若干个采样点进行处理，获得功率谱，再把连续M个脉冲的功率谱累加，可获得随距离变化的回波多普勒频移谱分布图，图中黑色曲线为根据频谱分布的最大值判定的风速值。
分时多频脉冲测风激光雷达系统非相干积累后频谱结果实验图如图7所示。对回波多普勒频移谱分属多频频率值40MHz，80MHz和120MHz的不同频谱以频率值40MHz，80MHz和120MHz进行降频，再将降频后的频谱进行非相干累加后的累加功率谱如图，接下来按照
Figure 973578DEST_PATH_IMAGE127
可以计算出风速，其中
Figure 681771DEST_PATH_IMAGE128
为单频连续激光器1的输出频率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法，其特征在于，所述方法包括：
采用单频连续激光器发射具有相干性的单频连续激光；
通过射频驱动源分时段产生若干个频率不同的子脉冲，并将所有子脉冲拼接为宽脉冲；
采用分时多频调制器将所述宽脉冲调制到所述单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号；分时多频脉冲激光信号中每个时刻只有一个频率；
将所述分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号；
对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用分时多频调制器将所述宽脉冲调制到所述单频连续激光上，得到分时多频脉冲激光信号，步骤中所述分时多频调制器采用声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述分时多频脉冲激光信号采用脉冲调制器进行调制，并对调制后的信号进行放大后向探测目标物发射，并接收相干回波信号，步骤中脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速，步骤中所述预设信号处理方法为各多频频率间的非相干累加法，所述非相干累加法的具体步骤包括：
对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；
将所述回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同频率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的频谱进行非相干累加；
根据累加后的功率谱和所述单频连续激光的频率，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 788963DEST_PATH_IMAGE001
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 946537DEST_PATH_IMAGE002
为所述单频连续激光的频率，
Figure 289794DEST_PATH_IMAGE003
为回波多普勒频移谱。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述相干回波信号采用预设信号处理方法进行信号处理，得到大气风速，步骤中所述预设信号处理方法为各多频频率间的相干累加法，所述相干累加法的具体步骤包括：
对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；所述新回波信号的表达式为：
Figure 197707DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 942809DEST_PATH_IMAGE005
为新回波信号，
Figure 769820DEST_PATH_IMAGE006
为时域回波信号，
Figure 334793DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 515239DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 505061DEST_PATH_IMAGE009
、…、
Figure 378339DEST_PATH_IMAGE010
为发射频率为
Figure 696188DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 680324DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 524652DEST_PATH_IMAGE013
、…、
Figure 568832DEST_PATH_IMAGE014
的信号的初相位,n为大于1的整数，移频相加后频率为
Figure 373977DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 161804DEST_PATH_IMAGE013
、…、
Figure 93594DEST_PATH_IMAGE014
的信号能量集中到频率
Figure 308675DEST_PATH_IMAGE011
；
根据每个宽脉冲周期内的所述新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；
根据所述回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 335537DEST_PATH_IMAGE015
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 51689DEST_PATH_IMAGE016
为回波多普勒频移谱。
6.一种分时多频脉冲测风激光雷达系统，其特征在于，分时多频脉冲测风激光雷达系统用于采用权利要求1所述的分时多频脉冲测风激光雷达风速测量方法实现大气风速测量；所述分时多频脉冲测风激光雷达系统包括：
单频连续激光器，用于发射具有相干性的单频连续激光；
第一光纤分束器，用于将所述单频连续激光分成信号光和本征参考光，并将所述信号光和所述本征参考光分别传输至分时多频调制器和连续可调衰减器；
射频驱动源，用于提供射频域的分时多频子脉冲，并将所述分时多频子脉冲拼接为宽脉冲；
所述分时多频调制器，用于将所述宽脉冲调制到所述信号光上，得到分时多频脉冲激光信号，并将所述分时多频脉冲激光信号传输至脉冲调制器；分时多频脉冲激光信号中每个时刻只有一个频率；
所述脉冲调制器，用于将所述分时多频脉冲激光信号斩断为脉冲，并传输至光放大器；
所述光放大器，用于对接收的脉冲信号进行放大，并传输至环形器；
所述环形器，用于将接收到的放大信号传输至光学收发装置，还用于将光学收发装置接收到的相干回波信号传输至第二光纤分束器；
所述光学收发装置，用于将所述放大信号发射至探测目标物，并接收探测目标物的相干回波信号，将所述相干回波信号传输至所述环形器；
所述连续可调衰减器，用于调节所述本征参考光的强度，并将强度调节后的信号传输至所述第二光纤分束器；
所述第二光纤分束器，用于将强度调节后的本征参考光和所述相干回波信号进行相干拍频后传输至平衡探测器；
所述平衡探测器，用于对相干拍频后的相干回波信号进行检测，并将检测结果输入到数据采集处理子系统；
所述数据采集处理子系统，用于对接收到的回波信号进行信号处理，得到大气风速。
7.根据权利要求6所述的分时多频脉冲测风激光雷达系统，其特征在于，所述分时多频调制器为声光调制器AOM和/或电光调制器EOM。
8.根据权利要求6所述的分时多频脉冲测风激光雷达系统，其特征在于，脉冲调制采用声光调制器AOM或电光调制器EOM。
9.根据权利要求6所述的分时多频脉冲测风激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集处理子系统，还用于对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，并在每个宽脉冲周期内按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；将所述回波多普勒频移谱分属各个多频频率值的不同功率谱以对应频率值进行降频，并将降频后的频谱进行非相干累加；根据累加后的功率谱和所述单频连续激光的频率，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 480396DEST_PATH_IMAGE017
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 600799DEST_PATH_IMAGE018
为所述单频连续激光的频率，
Figure 505170DEST_PATH_IMAGE019
为回波多普勒频移谱。
10.根据权利要求6所述的分时多频脉冲测风激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集处理子系统，还用于对所述相干回波信号采用预设采样频率进行采集，对采集得到的时域回波信号基于发射多频频率值相互之差进行移频后相干累加，得到新回波信号；所述新回波信号的表达式为：
Figure 634800DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 918014DEST_PATH_IMAGE021
为新回波信号，
Figure 740476DEST_PATH_IMAGE022
为时域回波信号，
Figure 866564DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 268727DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 672026DEST_PATH_IMAGE025
、…、
Figure 291489DEST_PATH_IMAGE026
为发射频率为
Figure 514660DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 251672DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 509478DEST_PATH_IMAGE029
、…、
Figure 532797DEST_PATH_IMAGE030
的信号的初相位,n为大于1的整数，移频相加后频率为
Figure 243264DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 518388DEST_PATH_IMAGE029
、…、
Figure 755334DEST_PATH_IMAGE030
的信号能量集中到频率
Figure 90500DEST_PATH_IMAGE027
；
根据每个宽脉冲周期内的所述新回波信号，按照每相邻预设数量个采样计算功率谱，并将连续M个宽脉冲的功率谱累加，得到随距离变化的回波多普勒频移谱分布；根据所述回波多普勒频移谱分布采用大气风速表达式进行计算，得到大气风速；所述大气风速的表达式为：
Figure 288264DEST_PATH_IMAGE031
其中，v为大气风速，c为光速，
Figure 367078DEST_PATH_IMAGE032
为回波多普勒频移谱。
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