CN116165681A - 一种连续光测风系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续光测风系统，应用于风力发电技术领域，包括：种子激光器、激光放大器、光纤环形器、准直模组和探测采集模组，种子激光器，用于将发射的光线经过激光放大器射入光纤环形器的第一端口；光纤环形器，用于将第一端口接收到的光线传输至第二端口，光线经第二端口的端面透射得到第一光线，经第二端口的端面反射得到第二光线，第一光线经准直模组传输至大气中产生散射信号光，散射信号光经准直模组射入至第二端口后传输至第三端口；第二光线作为参考光传输至第三端口；探测采集模组，用于接收光纤环形器的第三端口发射的混频相干光，基于混频相干光进行风场测量；有利于提高风场测量的精确度。

Description

一种连续光测风系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种连续光测风系统。
背景技术
在连续光相干测风激光雷达系统中，需要使用高功率连续光激光器作为发射光源，连续光光源通常由种子激光器、激光放大器组成连续波激光发射源。种子激光器输出经过分光元件分出一少部分光作为参考光，另一部分光经过放大器放大，再经过环形器和望远镜出射至大气，大气产生后向散射信号光，信号光再经望远镜和环形器后在2×2耦合器中与参考光混频相干，相干信号后续经过探测采集系统，实现大气风场的测量。
由于参考光与信号光混频相干时的混频效率与两者的相位噪声有关，参考光只经过了2×2光纤耦合器，而信号光多经过了放大器、环形器和大气，两者经过的路径不一样导致相位噪声进一步加大，降低了混频效率，进而降低了信噪比，影响风场测量的精确度。
鉴于此，如何减少参考光与信号光的路程差，提高混频效率和信噪比成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种连续光测风系统，在使用过程中提高了混频效率和信噪比，有利于提高风场测量的精确度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种连续光测风系统，包括：种子激光器、激光放大器、光纤环形器、准直模组和探测采集模组，所述光纤环形器的第二端口的端面对入射的光线具有透射和反射作用，其中：
所述种子激光器，用于将发射的光线经过所述激光放大器射入所述光纤环形器的第一端口；
所述光纤环形器，用于将第一端口接收到的光线传输至第二端口，所述光线经所述第二端口的端面透射得到第一光线，经所述第二端口的端面反射得到第二光线，所述第一光线经所述准直模组传输至大气中产生散射信号光，所述散射信号光经所述准直模组射入至所述第二端口后传输至第三端口；所述第二光线作为参考光传输至第三端口；
探测采集模组，用于接收所述光纤环形器的第三端口发射的混频相干光，并基于所述混频相干光进行风场测量。
可选的，所述第二光线的光功率满足预设光功率范围。
可选的，所述预设光功率范围为0.5mW~5mW。
可选的，所述光纤环形器第二端口的端面角度为预设角度。
可选的，所述预设角度为1°~3°。
可选的，所述光纤环形器包括设置于所述第二端口的端面上的镀膜。
可选的，所述光纤环形器包括设置于所述第二端口的端面内侧的光纤光栅。
可选的，所述探测采集模组包括光电探测器、信号采集器和工控机。
可选的，所述准直模组包括望远镜。
本发明实施例提供了一种连续光测风系统，该系统包括：种子激光器、激光放大器、光纤环形器、准直模组和探测采集模组，光纤环形器的第二端口的端面对入射的光线具有透射和反射作用，其中：种子激光器，用于将发射的光线经过激光放大器射入光纤环形器的第一端口；光纤环形器，用于将第一端口接收到的光线传输至第二端口，光线经第二端口的端面透射得到第一光线，经第二端口的端面反射得到第二光线，第一光线经准直模组传输至大气中产生散射信号光，散射信号光经准直模组射入至第二端口后传输至第三端口；第二光线作为参考光传输至第三端口；探测采集模组，用于接收光纤环形器的第三端口发射的混频相干光，并基于混频相干光进行风场测量。
可见，本发明中的连续光测风系统中的种子激光器发射的光线经过激光放大器达到光纤环形器，光线经过光纤环形器的第一端口射入到达第二端口，并由第二端口的端面的透射和反射分为两路，一路为第一光线，另一路为第二光线作为参考光传输至第三端口，第一光线经过第二端口的端面射出后经准直模组传输至大气中，在大气中产生散射信号光后，散射信号光经准直模组的接收后传输至光纤环形器的第二端口并经第二端口达到第三端口，参考光和散射信号光在第三端口处混频后得到混频相干光并经第三端口射出至探测采集模组，以实现风场测量，本发明中的参考光和散射信号光之间的路径差异仅仅在于第二端口出射至准直模组，再经准直模组接收后达到第二端口，相比于现有技术本发明中参考光和散射信号光的路径更加接近，两者之间的相位噪声减少，混频效率和信噪比较高，有利于提高风场测量的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种连续光测风系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤环形器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种连续光测风系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种连续光测风系统，在使用过程中提高了混频效率和信噪比，有利于提高风场测量的精确度。
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、完整地描述，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。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种连续光测风系统的结构示意图。该连续光测风系统，包括：种子激光器1、激光放大器2、光纤环形器3、准直模组4和探测采集模组5，光纤环形器3的第二端口32的端面对入射的光线具有透射和反射作用，其中：
种子激光器1，用于将发射的光线经过激光放大器2射入光纤环形器3的第一端口31；
光纤环形器3，用于将第一端口31接收到的光线a传输至第二端口32，光线经第二端口32的端面透射得到第一光线a1，经第二端口32的端面反射得到第二光线a2，第一光线a1经准直模组4传输至大气中产生散射信号光a3，散射信号光a3经准直模组4射入至第二端口32后传输至第三端口33；第二光线a2作为参考光传输至第三端口33；
探测采集模组5，用于接收光纤环形器3的第三端口33发射的混频相干光，并基于混频相干光进行风场测量。
需要说明的是，本发明实施例中的光纤环形器3如图2所示，其中，光纤环形器3有三个端口，分别为第一端口31、第二端口32和第三端口33，每个端口对应一个端面，本发明实施例中的第二端口32的端面对入射的光线具有透射和反射作用，能够使从第一端口31输入的光线传输至第二端口32，并在第二端口32的端面处发生透射和反射，也即一部分光线会直接从第二端口32处射出，另一部分光线被第二端口32的端面反射后传输至第三端口33射出，另外，从第二端口32入射的光线会传输至第三端口33并射出。
具体的，本发明实施例中的种子激光器1发射的光线a通过激光放大器2传输至光纤环形器3的第一端口31，也即光线a从光纤环形器3的第一端口31射入至光纤环形器3中，光线a传输至光纤环形器3的第二端口32处，并在第二端口32的端面处发生透射和反射，其中，经第二端口32的端面透射得到的透射光线为第一光线a1，经第二端口32的端面的反射得到的反射光线为第二光线a2，反射的第二光线a2作为参考光直接从光纤环形器3内部传输至第三端口33，透射的第一光线a1传输至准直模组4传输至大气中，并在大气中产生后向的散射信号光a3，该散射光信号a3再次被准直模组4接收后传输至第三端口33，参考光（也即第二光线a2）和散射信号光a3在第三端口33处进行混频相干后得到混频相干光，并将该混频相干光射出至探测采集模组5进行风场测量。由上述可知，本发明中的参照光与散射信号光之间的路径差异仅仅是第二端口32至准直模组至大气之间的路径，与现有技术相比减小了路径差异，从而减少了参考光与散射信号光之间的相位噪声，提高了混频效率和信噪比。
还需要说明的是，本发明实施例中由于无需分光因此相比于相应技术中的连续光测风系统节约了分光元件，并且本发明中的参考光和散射信号光可以在光纤环形器3中的第三端口33处混频相干，因此也无需设置光纤耦合器，故本发明实施例提供的连续光测风系统相比于现有技术中可以进一步降低系统的复杂度，节约成本。
进一步的，请参照图3，在实际应用中，本发明实施例中的探测采集模组5可以包括光电探测器51、信号采集器52和工控机53。本发明实施例中的准直模组4可以包括望远镜41，也即通过望远镜41实现对光纤环形器3的第二端口32出射的第一光线的准直，并将准直后的第一光线发射至大气中，然后再通过望远镜41对大气中产生的散射信号光进行接收并聚焦后传输至光纤环形器3的第二端口32。
需要说明的是，本发明实施例中的第二光线的光功率满足预设光功率范围。也即，通过对光纤环形器3的第二端口32的端面进行预设处理后，能够使到达第二端口32的光线中的第一部分光线经过第二端口32的端面反射后得到的第二光线的光功率满足预设光功率范围，从而可以将该第二光线作为参考光以保证能够将信号放大。其中，该预设光功率范围可以为0.5mW~5mW，在实际应用中第二光线的光功率可以达到0.5 mW，当然其具体数值可以根据实际需要进行确定，本发明实施例在此不做特殊限定。
进一步的，为了使光纤环形器3的第二端口32的端面反射的第二光线的光功率满足预设范围的要求，本发明实施例中预先对光纤环形器3的第二端口32的端面进行研磨，使第二端口32的端面角度为预设角度，其中，该预设角度可以为1°~3°，例如1°或1.5°，在实际应用中该预设角度的具体数值可以根据实际情况进行确定，本发明实施例对此不做特殊限定。
进一步的，为了使光纤环形器3的第二端口32的端面反射的第二光线的光功率满足预设范围的要求，还可以预先在光纤环形器的第二端口的端面上设置镀膜，从而使大部分光线透射过去，使一小部分光线发射反射，并将反射的光线作为参考光。
另外，在实际应用中除了上述两种实现方式，为了使光纤环形器3的第二端口32的端面反射的第二光线的光功率满足预设范围的要求，还可以在光纤环形器的第二端口的端面内侧设置光纤光栅，从而使得第二端口的端面对连续光有一定的反射，并将反射的光线作为参考光。
可见，本发明中的连续光测风系统中的种子激光器发射的光线经过激光放大器达到光纤环形器，光线经过光纤环形器的第一端口射入到达第二端口，并由第二端口的透射和反射分为两路，一路为第一光线，另一路为第二光线作为参考光传输至第三端口，第一光线经过第二端口射出后经准直模组传输至大气中，在大气中产生散射信号光后，散射信号光经准直模组的接收后传输至光纤环形器的第二端口并经第二端口达到第三端口，参考光和散射信号光在第三端口处混频后得到混频相干光并经第三端口射出至探测采集模组，以实现风场测量，本发明中的参考光和散射信号光之间的路径差异仅仅在于第二端口出射至准直模组，再经准直模组接收后达到第二端口，相比于现有技术本发明中参考光和散射信号光的路径更加接近，两者之间的相位噪声减少，混频效率和信噪比较高，有利于提高风场测量的精确度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种连续光测风系统，其特征在于，包括：种子激光器、激光放大器、光纤环形器、准直模组和探测采集模组，所述光纤环形器的第二端口的端面对入射的光线具有透射和反射作用，其中：
所述种子激光器，用于将发射的光线经过所述激光放大器射入所述光纤环形器的第一端面；
所述光纤环形器，用于将第一端口接收到的光线传输至第二端口，所述光线经所述第二端口的端面透射得到第一光线，经所述第二端口的端面反射得到第二光线，所述第一光线经所述准直模组传输至大气中产生散射信号光，所述散射信号光经所述准直模组射入至所述第二端口后传输至第三端口；所述第二光线作为参考光传输至第三端口；
探测采集模组，用于接收所述光纤环形器的第三端口发射的混频相干光，并基于所述混频相干光进行风场测量。
2.根据权利要求1所述的连续光测风系统，其特征在于，所述第二光线的光功率满足预设光功率范围。
3.根据权利要求2所述的连续光测风系统，其特征在于，所述预设光功率范围为0.5mW~5mW。
4.根据权利要求2所述的连续光测风系统，其特征在于，所述光纤环形器第二端口的端面角度为预设角度。
5.根据权利要求4所述的连续光测风系统，其特征在于，所述预设角度为1°~3°。
6.根据权利要求2所述的连续光测风系统，其特征在于，所述光纤环形器包括设置于所述第二端口的端面上的镀膜。
7.根据权利要求2所述的连续光测风系统，其特征在于，所述光纤环形器包括设置于所述第二端口的端面内侧的光纤光栅。
8.根据权利要求1所述的连续光测风系统，其特征在于，所述探测采集模组包括光电探测器、信号采集器和工控机。
9.根据权利要求1所述的连续光测风系统，其特征在于，所述准直模组包括望远镜。
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