CN115453574A - 一种大气多参数探测多功能激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气多参数探测多功能激光雷达，包括激光产生模块、脉冲调制模块、放大模块、信号收发模块、偏振控制模块、信号拍频模块、信号采集模块、大气多参数反演模块、多功能应用模块，本发明增加了偏振控制器，实现了单台激光雷达同时反演信噪比、多普勒速度、谱宽、偏度、退偏比、消光系数、能见度、湍流耗散率、风切变强度等大气多参数；采用单路探测偏振的方式，并且不存在多路探测需要校准探测器相应等问题，解决了时分复用技术探测偏振时，距离变短的问题；本发明可自由切换成普通相干探测模式、偏振探测模式和米级分辨探测，实现多种探测功能和应用共享一套硬件，具有系统最小化，探测参数最全化，应用场景全面化的优点。

Description

一种大气多参数探测多功能激光雷达

技术领域

本发明属于大气探测技术领域，具体涉及一种大气多参数探测多功能激光雷达。

背景技术

相干多普勒测风激光雷达是一种非常适合于测量大气边界层和中尺度变化的雷达，对气象学研究至关重要。单独的多普勒激光雷达可以测量边界层高度和风廓线等大气参数，而多普勒激光雷达与其他探测设备配合使用可以获得更多的大气参数。相干多普勒测风激光雷达历经几十年的发展，已经在地基、舰载和机载平台得到论证，技术较为成熟，可实现复杂风场、大气湍流、重力波、风切变、尾流、龙卷风的探测，已广泛应用于气象、风能、军民机场、短临天气预报等领域。

虽然目前相干多普勒测风激光雷达已经广泛应用于复杂风场测量和大气动力学研究，但主要使用的是边界层高度、风廓线等基本参数。而研究复杂的大气科学和大气物理现象和机理往往需要多种设备协同观测，面临成本高、布设场地要求高、多源数据融合复杂等问题。丰富激光雷达大气探测参数的多样性，可进一步扩展相干多普勒测风激光雷达的功能和应用，充分发挥激光雷达的能力，激光雷达探测参数及其应用的多样化发展对大气科大的研究具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大气多参数探测多功能激光雷达，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种大气多参数探测多功能激光雷达，包括激光产生模块、脉冲调制模块、放大模块、信号收发模块、偏振控制模块、信号拍频模块、信号采集模块、大气多参数反演模块、多功能应用模块；

所述激光产生模块包括激光器和保偏分束器，脉冲调制模块包括脉冲调制器和信号发生器，放大模块包括放大器，信号收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，偏振控制模块包括偏振控制器，信号拍频模块包括耦合器和平衡探测器，信号采集模块包括信号采集系统，大气多参数反演模块包括大气多参数反演系统，多功能应用模块包括多功能应用模块；

所述激光器的输出端和保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端和脉冲调制器输入端连接，模拟信号发生器的输出端和脉冲调制器输入端连接，脉冲调制器输出端和放大器输入连接，放大器输出端和发射望远镜输入连接，发射望远镜将激光出射到大气中；

所述保偏分束器的输出端和耦合器的输入端连接，接收望远镜输出端和偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端和耦合器的输入端连接，耦合器的输出端和平衡探测器的输入端连接，平衡探测器的输出端和信号采集系统的输入端连接，信号采集系统的输出端和大气多参数反演系统的输入端连接，大气多参数反演系统的输出端连接和多功能应用模块的输入端连接。

优选地，所述多功能激光雷达包括3种探测模式。

优选地，第一种探测模式用于包括风场探测、气溶胶探测、能见度探测、云探测和雨探测，第二种探测模式为米级分辨率采集模式，用于包括飞机尾流、空气动力学应用领域，第三种探测模式为偏振探测，用于包括污染物识别和分类、云层相态分析。

优选地，所述激光产生模块用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束成2束连续光；

所述脉冲调制模块用于对激光产生模块输入的连续光信号进行脉冲调制；

所述放大模块用于放大脉冲调制模块产生的脉冲激光信号；

所述信号收发模块用于将激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号；

所述偏振控制模块用于将输入激光的振动方向旋转90度；

所述信号拍频模块用于将大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号；

所述信号采集模块用于将信号拍频模块输入的电信号通过快速傅里叶变换，获得原始信号功率谱；

所述大气多参数反演模块用于将信号采集模块输入的原始信号功率谱，反演出大气多参数，包括信噪比、多普勒速度、谱宽、偏度、退偏比、消光系数、能见度、湍流耗散率、风切变强度；

所述多功能应用模块用于将反演的大气多参数用于风切变预警、气溶胶、空气污染、云雾雨雪探测应用。

优选地，所述脉冲调制模块在第三种探测模式下的脉冲调制信号为包括可选脉冲相关对序列、脉冲编码序列的其中一种，在第一种探测模式和第二种探测模式下的脉冲调制信号为高斯脉冲信号。

优选地，所述偏振控制模块在第三种探测模式下工作，在第一种探测模式和第二种探测模式下不工作。

优选地，所述偏振控制器交替的将慢轴信号旋转到快轴，将快轴的信号的旋转至慢轴。

优选地，所述耦合器为50：50输入和输出，除接收望远镜外，激光均沿着慢轴传播，快轴截止，接收望远镜快轴和慢轴同时工作。

优选地，所述多功能激光雷达的使用方法包括以下步骤：

S1、根据采集到的信号原始功率谱，提取其基本功率谱参数信噪比

、第一多普勒速度

、谱宽

、偏度

；

S2、信噪比

反演后消光系数、能见度、退偏比；

S3、根据谱宽

和偏度

对功率谱进行分类和分离；

S4、根据第二多普勒速度

，反演二维风场、风廓线；

S5、根据反演二维风场、风廓线，计算湍流耗散率、风切变强度等参数。

本发明的有益效果：

1、本发明增加了偏振控制器，实现了单台多普勒激光雷达同时反演信噪比、多普勒速度、谱宽、偏度、退偏比、消光系数、能见度、湍流耗散率、风切变强度等大气多参数；

2、本发明通过脉冲调制器进行普通相干激光雷达和米级别探测激光雷达的切换，适用范围广泛；

3、本发明采用单路探测偏振的方式，成本低、稳定性强，并且不存在多路探测需要校准探测器相应等问题，重频没有改变，解决了时分复用技术探测偏振时，距离变短的问题；

4、本发明拥有不同的探测模式，共享一套硬件，实现系统最小化，探测参数最全化，应用场景全面化的优点。

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简单地介绍，显而易见地，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是本发明多功能激光雷达的示意图；

图2是本发明中所提供的模块结构示意图；

图3是本发明中所提供的第一个大气多参数反演示意图；

图4是本发明中所提供的第二个大气多参数反演示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2所示，一种大气多参数探测多功能激光雷达，多功能激光雷达包括激光产生模块、脉冲调制模块、放大模块、信号收发模块、偏振控制模块、信号拍频模块、信号采集模块、大气多参数反演模块、多功能应用模块。

本发明一种大气多参数探测多功能激光雷达，其探测模式包括3种：

探测模式1：主要功能为用于风场探测、气溶胶探测、能见度探测、云探测和雨探测等。

探测模式2：主要功能为用于米级分辨率采集模式，用于飞机尾流、空气动力学等应用领域。

探测模式3：主要功能为偏振探测，主要用于污染物识别和分类、云层相态分析。

其中，激光产生模块包括激光器和保偏分束器，用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束成2束连续光，其输出端分别连接脉冲调制器模块和相干采集模块；

脉冲调制模块主要由脉冲调制器和信号发生器组成，用于对激光产生模块输入的连续光进行脉冲调制，探测模式的脉冲调制信号为可选脉冲相关对序列、或脉冲编码序列等，探测模式和探测模式的脉冲调制信号为高斯脉冲信号。脉冲调制模块输出端连接放大模块的输入端；

放大模块主要由放大器组成，用于放大脉冲调制模块产生的脉冲激光信号，其输出端连接信号收发模块的第一输入端；

信号收发模块由发射望远镜和接收望远镜组成，用于将激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号并通过第二输出端传送至信号接收模块的第二输入端；

偏振控制模块主要由偏振控制器构成，用于将输入激光的振动方向旋转90度。其中探测模式3时偏振控制模块工作，探测模式1或探测模式2时偏振控制器不工作；

信号拍频模块主要由耦合器和平衡探测器构成，用于将来信号收发模块的大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号，其输出端连接信号采集系统输入端；

信号采集模块由信号采集系统组成，用于将信号拍频模块的输入的电信号通过快速傅里叶变换，获得原始信号功率谱；

大气多参数反演模块由大气多参数反演系统组成，用于将信号采集模块输入的原始信号功率谱，反演出信噪比、多普勒速度、谱宽、偏度、退偏比、消光系数、能见度、湍流耗散率、风切变强度等大气多参数；

多功能应用模块，用于将反演的大气多参数用于风切变预警、气溶胶、空气污染、云雾雨雪探测应用。

其中，激光器的输出端和保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端和脉冲调制器输入端连接，模拟信号发生器的输出端和脉冲调制器输入端连接。脉冲调制器输出端和放大器输入连接，放大器输出端和发射望远镜输入连接，发射望远镜将激光出射到大气中；保偏分束器的输出端和耦合器的输入端连接；接收望远镜输出端和偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端和耦合器的输入端连接；耦合器的输出端和平衡探测器的输入端连接；平衡探测器的输出端和信号采集系统的输入端连接；信号采集系统的输出端和大气多参数反演系统的输入端连接；大气多参数反演系统的输出端连接和多功能应用模块的输入端连接。

进一步的，耦合器为50：50输入和输出，光纤器件除了接收望远镜外，激光均沿着慢轴传播，快轴截止。接收望远镜的输出光纤，快轴和慢轴同时工作；

偏振控制器的功能为交替的将慢轴信号旋转到快轴，将快轴的信号的旋转至慢轴，即将输入激光的振动方向旋转90度。

一种大气多参数探测多功能激光雷达的工作流程包括以下步骤：

S1、根据采集到的信号原始功率谱，提取其基本功率谱参数信噪比

、第一多普勒速度

、谱宽

、偏度

；

其中信噪比

衡量了原始信号强度，其计算方式优选信号高斯拟合的面积，可选信号的峰值强度、信号的0阶矩；

所述第一多普勒速度

1原始信号功率谱的1阶矩获得；

所述谱宽

通过计算原始信号功率谱的2阶矩获得；

所述偏度

通过计算原始信号功率谱的3阶矩获得。

S2、信噪比

反演后消光系数、能见度、退偏比；

为发射激光波长，所述消光系数

由Fernald方法反演得到；

根据能见度

与消光系数关系

可反演得到，能见度

，单位km；

为发射激光波长，单位

；

为总消光系数，单位为

。根据Kim模型，

的取值为：

所述退偏比由工作模式3时反演得到；

所述工作模式3时，在接收望远镜输出光纤中，平行态的信号光在慢轴传播，垂直态的信号光在快轴传播，偏振控制器的功能为交替的将慢轴的平行态信号光旋转到快轴，将快轴的垂直态的信号的旋转至慢轴；

对拍频信号的奇数脉冲和偶数脉冲信号分别累积得到信号强度CNR1和CNR2，所述退偏比

的计算公式为：

所述信噪比

反演后向散射系数、消光系数、能见度、退偏比应用于识别出烟羽轨迹、云低云高、颗粒污染等参数。

S3、根据谱宽

和偏度

对功率谱进行分类和分离；

对于谱宽

大于第一阈值且偏度

大于低于第二阈值的信号原始功率谱识别为具有多成分的功率谱，其他功率谱则识别为单一成分功率谱；

对于单一成分功率谱，通过单高斯拟合获得第二多普勒速度；

所述单一成分的功率谱为气溶胶谱：

式中，

为气溶胶信号强度,

为多普勒速度，

为气溶胶对应的第二多普勒速度。

为气溶胶谱宽；

对于多成分功率谱，通过多高斯拟合获各成分得第二多普勒速度：

式中，m为气溶胶成分的下表，

为多成分的数目；

当多成分谱为降雨谱时，可分离出雨滴成分的气溶胶成分；

当多成分谱为云谱时，可分离出不同相态的云成分。

S4、根据第二多普勒速度

，反演二维风场、风廓线。

所述二维风场由固定低仰角的扫描的第二多普勒速度

反演得到；

所述三维风场由固定高仰角的多波束扫描的第二多普勒速度

反演得到。

S5、根据反演二维风场、风廓线，计算湍流耗散率、风切变强度等参数。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，包括激光产生模块、脉冲调制模块、放大模块、信号收发模块、偏振控制模块、信号拍频模块、信号采集模块、大气多参数反演模块、多功能应用模块；

所述激光产生模块包括激光器和保偏分束器，脉冲调制模块包括脉冲调制器和信号发生器，放大模块包括放大器，信号收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，偏振控制模块包括偏振控制器，信号拍频模块包括耦合器和平衡探测器，信号采集模块包括信号采集系统，大气多参数反演模块包括大气多参数反演系统，多功能应用模块包括多功能应用模块；

所述激光器的输出端和保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端和脉冲调制器输入端连接，模拟信号发生器的的输出端和脉冲调制器输入端连接，脉冲调制器输出端和放大器输入连接，放大器输出端和发射望远镜输入连接，发射望远镜将激光出射到大气中；

所述保偏分束器的输出端和耦合器的输入端连接，接收望远镜输出端和偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端和耦合器的输入端连接，耦合器的输出端和平衡探测器的输入端连接，平衡探测器的输出端和信号采集系统的输入端连接，信号采集系统的输出端和大气多参数反演系统的输入端连接，大气多参数反演系统的输出端连接和多功能应用模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述多功能激光雷达包括3种探测模式。

3.根据权利要求2所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，第一种探测模式用于包括风场探测、气溶胶探测、能见度探测、云探测和雨探测，第二种探测模式为米级分辨率采集模式，用于包括飞机尾流、空气动力学应用领域，第三种探测模式为偏振探测，用于包括污染物识别和分类、云层相态分析。

4.根据权利要求1所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述激光产生模块用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束成2束连续光；

所述脉冲调制模块用于对激光产生模块输入的连续光信号进行脉冲调制；

所述放大模块用于放大脉冲调制模块产生的脉冲激光信号；

所述信号收发模块用于将激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号；

所述偏振控制模块用于将输入激光的振动方向旋转90度；

所述信号拍频模块用于将大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号；

所述信号采集模块用于将信号拍频模块输入的电信号通过快速傅里叶变换，获得原始信号功率谱；

所述大气多参数反演模块用于将信号采集模块输入的原始信号功率谱，反演出大气多参数，包括信噪比、多普勒速度、谱宽、偏度、退偏比、消光系数、能见度、湍流耗散率、湍流折射率常数、风切变强度；

所述多功能应用模块用于将反演的大气多参数用于异味溯源、导弹发射、风切变预警、气溶胶、空气污染、云雾雨雪探测应用。

5.根据权利要求4所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述脉冲调制模块在第二种探测模式下的脉冲调制信号为包括可选脉冲相关对序列、脉冲编码序列、相位/强度编码序列的其中一种，在第一种探测模式和第三种探测模式下的脉冲调制信号为高斯脉冲信号。

6.根据权利要求4所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述偏振控制模块在第三种探测模式下工作，在第一种探测模式和第二种探测模式下不工作。

7.根据权利要求1所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述偏振控制器交替的将慢轴信号旋转到快轴，将快轴的信号的旋转至慢轴。

8.根据权利要求1所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述耦合器为50：50输入和输出，除接收望远镜外，激光均沿着慢轴传播，快轴截止，接收望远镜快轴和慢轴同时工作。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种大气多参数探测多功能激光雷达，其特征在于，所述多功能激光雷达的使用方法包括以下步骤：

S1、根据采集到的信号原始功率谱，提取其基本功率谱参数信噪比、第一多普勒速度、谱宽、偏度；

S2、信噪比反演后消光系数、能见度、退偏比；

S3、根据谱宽和偏度对功率谱进行分类和分离；

S4、根据第二多普勒速度，反演二维风场、风廓线；

S5、根据反演二维风场、风廓线，计算湍流耗散率、风切变强度等参数。

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