CN116299338A - 一种激光雷达测风系统及切换方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达测风系统及切换方法、装置，激光雷达测风系统包括激光器、光放大器、光开关以及多个准直镜，激光器用于产生一路种子激光，使该路种子激光入射至光放大器，光放大器用于基于种子激光生成所需能量的激光，光开关用于切换至任一准直镜，使得激光通过本准直镜向外界发射出并通过本准直镜接收返回光。在光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断光放大器的泵浦源，然后在到达光开关的切换时间段时，控制光开关进行切换操作，在光开关的切换时间段结束之后，使光放大器的泵浦源处于正常工作状态。本发明实现了在光开关切换过程中关断光放大器的泵浦源，能够降低对光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。

Description

一种激光雷达测风系统及切换方法、装置

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种激光雷达测风系统切换方法及装置。本发明还涉及一种激光雷达测风系统。

背景技术

在当前的科研及生产中，有高速数据更新率的测风需求，而精确的遥感测风手段，通常使用激光雷达的形式来实现。相干激光雷达就是一种满足现实化需求的成熟技术。

激光雷达测风系统需要切换多个方向进行测量，来获得风场信息，其中使用光开关配合多个准直镜实现。光开关切换光路需要一定时间，在现有的激光雷达测风系统中，在光开关切换过程中光源部分持续工作，但系统不能进行有效测量。在高数据更新率的测风场合下，每次数据更新都需要光开关进行切换，光开关切换过程所用时间的占比较高，比如数据更新率为50％，每组数据的时间总计为20ms，光开关切换过程占用10ms，这样光源部分有高达50％的时间是无效工作的。这样不仅消耗光源部分，使其工作寿命减短，并且增加了系统功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光雷达测风系统切换方法及装置，能够降低对激光雷达测风系统中光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。本发明还提供一种激光雷达测风系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光雷达测风系统切换方法，应用于激光雷达测风系统，所述激光雷达测风系统包括激光器、光放大器、光开关以及多个准直镜，所述激光器用于产生一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述光放大器，所述光放大器用于基于所述种子激光生成所需能量的激光，所述光开关用于切换至任一所述准直镜，使得所述激光通过本准直镜向外界发射出并通过本准直镜接收返回光；

所述方法包括：

在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源；

在到达所述光开关的所述切换时间段时，控制所述光开关进行切换操作；

在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态。

可选地，在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态包括：

在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号，使得在所述光开关的所述切换时间段结束之后，所述泵浦源处于正常工作状态。

可选地，在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号包括：向所述泵浦源输入驱动信号且输入的驱动信号的量值是逐渐增大的。

可选地，在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源包括：在所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之前，停止向所述泵浦源输入驱动信号。

可选地，还包括：

在关断所述光放大器的所述泵浦源时，控制所述激光雷达测风系统停止采集数据；

或/和，在所述光放大器的所述泵浦源进入正常工作状态的时刻，控制所述激光雷达测风系统开始采集数据。

可选地，关断所述光放大器的所述泵浦源的时刻与所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之间的时间间隔，与所述泵浦源的储能释放所需时长匹配。

可选地，依据第一时序控制所述光开关，依据第二时序控制所述光放大器的所述泵浦源，所述第一时序以及所述第二时序均具有周期性。

可选地，所述激光雷达测风系统还包括耦合器、探测器和数据采集板，所述激光器还用于产生另一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述耦合器，所述耦合器用于将返回光和入射至自身的种子激光混合，使混合光入射至所述探测器，所述探测器用于将光信号转换为电信号，所述数据采集板用于从所述探测器采集信号，通过控制所述数据采集板实现控制所述激光雷达测风系统停止采集数据或者开始采集数据。

一种激光雷达测风系统切换装置，应用于激光雷达测风系统，所述激光雷达测风系统切换装置用于执行以上任一项所述的激光雷达测风系统切换方法。

一种激光雷达测风系统，包括以上所述的激光雷达测风系统切换装置。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种激光雷达测风系统切换方法及装置，应用于激光雷达测风系统，激光雷达测风系统包括激光器、光放大器、光开关以及多个准直镜，激光器用于产生一路种子激光，使该路种子激光入射至光放大器，光放大器用于基于种子激光生成所需能量的激光，光开关用于切换至任一准直镜，使得激光通过本准直镜向外界发射出并通过本准直镜接收返回光。具体在光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断光放大器的泵浦源，然后在到达光开关的切换时间段时，控制光开关进行切换操作，在光开关的切换时间段结束之后，使光放大器的泵浦源处于正常工作状态。本发明的激光雷达测风系统切换方法及装置实现了在光开关切换过程中关断光放大器的泵浦源，能够降低对激光雷达测风系统中光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。

本发明提供的一种激光雷达测风系统，能够达到上述有益效果。

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，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为本发明一实施例提供的一种激光雷达测风系统切换方法的流程图；

图2为本发明一实施例的激光雷达测风系统切换方法中第一时序和第二时序的示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种激光雷达测风系统的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-激光器，2-光放大器，3-环形器，4-光开关，5-第一准直镜，6-第二准直镜，7-第三准直镜，8-第四准直镜，9-耦合器，10-探测器，11-数据采集板，12-工控机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种激光雷达测风系统切换方法，应用于激光雷达测风系统，所述激光雷达测风系统包括激光器、光放大器、光开关以及多个准直镜，所述激光器用于产生一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述光放大器，所述光放大器用于基于所述种子激光生成所需能量的激光，所述光开关用于切换至任一所述准直镜，使得所述激光通过本准直镜向外界发射出并通过本准直镜接收返回光。

可参考图1，图1为一实施例提供的一种激光雷达测风系统切换方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

S11：在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源。

光开关的切换时间段是指进入切换时间段时光开关进行切换操作，在切换时间段结束时光开关完成切换。

光放大器的泵浦源用于出射泵浦光，使泵浦光入射至光放大器的工作物质，使光放大器的工作物质进入高能级状态，使得当种子激光通过光放大器的工作物质时在受激辐射作用下产生所需能量的激光。关断光放大器的泵浦源是指使光放大器的泵浦源停止出射泵浦光。

S12：在到达所述光开关的所述切换时间段时，控制所述光开关进行切换操作。

S13：在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态。

光放大器的泵浦源处于正常工作状态是指泵浦源正常地向光放大器的工作物质出射泵浦光，使光放大器正常工作。

本实施例的激光雷达测风系统切换方法实现了在光开关切换过程中关断光放大器的泵浦源，能够降低对激光雷达测风系统中光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。

考虑到光放大器的泵浦源的储能释放需要一段时间，因此，在光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断光放大器的泵浦源，给泵浦源储能释放留出一段时间的余量。相应地，关断所述光放大器的所述泵浦源的时刻与所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之间的时间间隔，与所述泵浦源的储能释放所需时长匹配。本实施例中，对关断光放大器的泵浦源的时刻与光开关的切换时间段的起始时刻之间的时间间隔的具体取值不做限定，这一时间间隔可以等于或者稍大于光放大器的泵浦源的储能释放所需时长，若这一时间间隔太大会影响系统的有效工作时间比例。示例性地这一时间间隔可以设定为3-5ms。在实际应用中，可以依据第一时序控制光开关，依据第二时序控制光放大器的泵浦源，可通过第一时序和第二时序精确控制。示例性地可参考图2，图2为一实施例的激光雷达测风系统切换方法中第一时序和第二时序的示意图，如图所示，在t1时刻关断光放大器的泵浦源，光开关的切换时间段为t2-t4，t2时刻为切换时间段的起始时刻，t4时刻为切换时间段的结束时刻。

在一些实施方式中，通过向泵浦源输入驱动信号来控制泵浦源工作。可选地，在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源可以是在所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之前，停止向所述泵浦源输入驱动信号。向泵浦源输入驱动信号可以是但不限于向泵浦源输入驱动电流，停止向泵浦源输入驱动信号可以是将向泵浦源输入的驱动电流直接降为0。

在一些实施方式中，在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态可包括：在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号，使得在所述光开关的所述切换时间段结束之后，所述泵浦源处于正常工作状态。由于光放大器自身特性，其泵浦源由关闭状态进入正常工作状态需要一段时间，泵浦源处于正常工作状态时光放大器才能够基于种子激光生成而输出所需能量的激光，因此在光开关的切换时间段的结束时刻之前就开始向泵浦源输入驱动信号，避免在光开关的切换时间段结束之后才开始向泵浦源输入驱动信号，这样在光开关将要完成切换时，即开始进行泵浦源逐渐上电，最大限度的消除泵浦源的开关动作对数据可累积时间的影响。

具体地，在光开关的所述切换时间段的结束时刻之前向所述泵浦源输入驱动信号可以包括：在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号且输入的驱动信号的量值是逐渐增大的。由于器件特性，启动泵浦源时向泵浦源输入的驱动信号的量值需要逐渐增大，比如向泵浦源输入驱动电流来控制其工作，启动泵浦源时向泵浦源输入的驱动电流需要逐渐增大至设定电流值。示例性地可参考图2所示，t4时刻为光开关的切换时间段的结束时刻，在t4时刻之前的时刻t3即开始进行对泵浦源的驱动电流增加操作。直至t5时刻泵浦源即可进入正常工作状态。如此在光开关切换接近稳定时，开始对光放大器的泵浦源供电电流逐渐升高，光开关正式稳定后，光放大器也很快进入正常工作状态。

进一步地，本实施例方法还包括：在关断所述光放大器的所述泵浦源时，控制所述激光雷达测风系统停止采集数据。这样使得在光放大器处于工作状态的时间内激光雷达测风系统进行有效工作，有效利用时间。进一步地，本实施例方法还包括：在所述光放大器的所述泵浦源进入正常工作状态的时刻，控制所述激光雷达测风系统开始采集数据。这样使得在光放大器处于工作状态的时间内激光雷达测风系统进行有效工作，有效利用时间。另外，考虑到光开关的切换时间点的波动性，本实施例方法在光开关切换动作中，提前进行数据采集中断，并在切换完成后延后一段时间再开始采集操作。可结合参考图2所示，在t1时刻关断泵浦源同时激光雷达测风系统停止采集数据。在t5时刻泵浦源进入正常工作状态，数据采集开始进行数据采集及累积工作。t5时刻至t6时刻之间激光雷达测风系统正常进行数据采集，直至下一个切换动作，

优选地，依据第一时序控制光开关，依据第二时序控制光放大器的泵浦源，第一时序以及第二时序均具有周期性，依据第一时序和第二时序重复循环地控制光开关、光放大器的泵浦源以及数据采集板，实现激光雷达测风系统切换进行多个方向的风场测量。

激光器产生的种子激光为连续的窄带宽激光，种子激光输入光放大器后，光放大器将连续光变为脉冲光，且对脉冲光的能量进行放大，产生高能量的激光脉冲。在一些实施方式中，光放大器包括移频器、泵浦源和工作物质，移频器用于将进入光放大器的连续光变为脉冲光；泵浦源用于出射泵浦光，使泵浦光入射至光放大器的工作物质，使工作物质进入高能级状态，当脉冲光通过光放大器的工作物质时在受激辐射作用下产生所需能量的激光。移频器可以是但不限于声光移频器，泵浦源可以是泵浦管，光放大器可以是但不限于光纤放大器，工作物质可以采用增益光纤，在增益光纤中掺杂离子。示例性地，为连续光的种子激光进入光放大器后，首先经过声光移频器，将连续光变为百纳秒程度的脉冲光，然后进入后续的增益光纤；增益光纤中同时有泵浦管持续发出泵浦光，入射进入增益光纤，将增益光纤中掺杂离子激发进入高能级状态，然后当脉冲光同样进入增益光纤后，受种子脉冲光激发，掺杂离子迅速进低增益状态，同时发射出与种子脉冲光波长一致的光子，因此种子脉冲光的能量将迅速增大直至发射出去。而泵浦光会持续重新对增益光纤进行充能，循环性地形成高脉冲能量的光脉冲。

在一些实施方式中，激光雷达测风系统还包括耦合器、探测器和数据采集板，所述激光器还用于产生另一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述耦合器，所述耦合器用于将返回光和入射至自身的种子激光混合，使混合光入射至所述探测器，所述探测器用于将光信号转换为电信号，所述数据采集板用于从所述探测器采集信号，通过控制所述数据采集板实现控制所述激光雷达测风系统停止采集数据或者开始采集数据。可以依据第一时序即控制光放大器的泵浦源的时序来控制数据采集板。

激光雷达测风系统还可包括环形器，环形器的第一端口与光放大器连接，第二端口与光开关连接，第三端口与耦合器连接。示例性地可参考图3，图3为一实施例提供的一种激光雷达测风系统的示意图，如图所示，激光器1与光放大器2、耦合器9分别连接，环形器3的第一端口与光放大器2连接，第二端口与光开关4连接，第一准直镜5、第二准直镜6、第三准直镜7和第四准直镜8分别与光开关4连接。环形器3的第三端口与耦合器9连接，耦合器9、探测器10、数据采集板11以及工控机12依次连接。以上各个器件之间分别可以通过光纤连接。光放大器2可以是光纤放大器，耦合器9可以是光纤耦合器，探测器10可以是平衡探测器。

光开关4是光路切换器件，具有一根输入光纤，多个输出光纤。改变控制信号来改变输入光纤对应的输出光纤，且光路可逆，光束进入与输入光纤对应的输出光纤，可由输出光纤出射。

环形器3即光环行器是三端口器件，光只能沿一个方向传播。信号若从第一端口输入，则从第二端口输出；而信号从第二端口输入，则将从第三端口输出，其输出损耗都很小。光从第二端口输入时，从第一端口输出时损耗很大，同样光从第三端口输入时，从第一端口，第二端口输出时损耗也很大。光学环行器是不可逆光学器件。

激光器1产生连续的窄带宽激光，其中一束光进入光放大器2将连续光变为脉冲光，且对脉冲光的能量进行放大，产生高能量的激光脉冲。激光脉冲进入环形器3的第一端口，再由第二端口出射后进入光开关4，由光开关4对应光纤输入端口的其中一个出射端口出射，经过对应准直镜进行准直后激光脉冲进入大气。激光脉冲在大气中的后向回波经过相同的准直镜接收而耦合进入光开关4的光纤出射端口，然后由光路可逆性再由光开关4的输入端口输出，再进入环形器3的第二端口，由第三端口出射。激光器1还发出一束连续光，与回波信号一同进入耦合器9，两束光经过混合后输出，进入探测器10。探测器10将光信号转换为电信号，使用数据采集板11进行高速采集，转换为数字信号，数字信号传输进入工控机12。

本激光雷达测风系统进行数据反演，可采用滑动平均的形式进行测风数据更新，每完成一个朝向的数据采集，结合其它朝向最近时间的已采集数据，即可实现一次风场测量。通过控制切换频率，即可实现不同频率的数据更新。数据采集板11根据相应时序，进行变方向的数据采集，并循环进行多个朝向的数据采集，以利用实际风场在各个朝向测量结果的三角函数的投影关系，可完成实际风场信息的反演。

由于光放大器的结构特点，其寿命主要受泵浦源限制，泵浦源在长时间工作中其泵浦发射能量逐渐下降，直至光放大器的脉冲能量低于正常阈值，光放大器寿命终结。本方法在光开关切换时提前关闭光放大器的泵浦源，并在切换将要完成时重新对泵浦源进行供电工作。在需要高频的测风数据更新的场合中，其光开关切换过程的时间占比较高，无法进行数据采集，在这个时间段内关闭泵浦源，将有效提升光放大器的工作寿命。对泵浦源供电进行最优化控制，在寿命节约和时间测量有效率方面获取最佳效果。同时，光放大器的整体功耗中，比较大的部分用在泵浦源的工作上，对泵浦源进行工作状态切换控制，将明显地降低光放大器的工作功耗，反应到整体系统上，也将有助于系统功耗控制，还能降低系统散热压力，可提高系统高温工作上限。

本实施例的激光雷达测风系统切换方法通过控制光开关的切换及泵浦源的关断和启动，在不影响数据采集累积的前提下减少泵浦源工作时间，提高系统工作寿命，降低系统功耗。

本实施例还提供一种激光雷达测风系统切换装置，应用于激光雷达测风系统，所述激光雷达测风系统切换装置用于执行以上任一项实施方式所述的激光雷达测风系统切换方法。

本实施例的激光雷达测风系统切换装置实现了在光开关切换过程中关断光放大器的泵浦源，能够降低对激光雷达测风系统中光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。

本实施例还提供一种激光雷达测风系统，包括以上所述的激光雷达测风系统切换装置。

本实施例的激光雷达测风系统实现了在光开关切换过程中关断光放大器的泵浦源，能够降低对激光雷达测风系统中光放大器的消耗，避免使其工作寿命减短，并且能够降低系统功耗。

以上对本发明所提供的一种激光雷达测风系统及切换方法、装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达测风系统切换方法，应用于激光雷达测风系统，其特征在于，所述激光雷达测风系统包括激光器、光放大器、光开关以及多个准直镜，所述激光器用于产生一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述光放大器，所述光放大器用于基于所述种子激光生成所需能量的激光，所述光开关用于切换至任一所述准直镜，使得所述激光通过本准直镜向外界发射出并通过本准直镜接收返回光；

所述方法包括：

在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源；

在到达所述光开关的所述切换时间段时，控制所述光开关进行切换操作；

在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态。

2.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，在所述光开关的所述切换时间段结束之后，使所述光放大器的所述泵浦源处于正常工作状态包括：

在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号，使得在所述光开关的所述切换时间段结束之后，所述泵浦源处于正常工作状态。

3.根据权利要求2所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，在所述光开关的所述切换时间段的结束时刻之前，向所述泵浦源输入驱动信号包括：向所述泵浦源输入驱动信号且输入的驱动信号的量值是逐渐增大的。

4.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，在所述光开关的切换时间段的起始时刻之前，关断所述光放大器的泵浦源包括：在所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之前，停止向所述泵浦源输入驱动信号。

5.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，还包括：

在关断所述光放大器的所述泵浦源时，控制所述激光雷达测风系统停止采集数据；

或/和，在所述光放大器的所述泵浦源进入正常工作状态的时刻，控制所述激光雷达测风系统开始采集数据。

6.根据权利要求1至5任一项所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，关断所述光放大器的所述泵浦源的时刻与所述光开关的所述切换时间段的起始时刻之间的时间间隔，与所述泵浦源的储能释放所需时长匹配。

7.根据权利要求1至5任一项所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，依据第一时序控制所述光开关，依据第二时序控制所述光放大器的所述泵浦源，所述第一时序以及所述第二时序均具有周期性。

8.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统切换方法，其特征在于，所述激光雷达测风系统还包括耦合器、探测器和数据采集板，所述激光器还用于产生另一路种子激光，使该路所述种子激光入射至所述耦合器，所述耦合器用于将返回光和入射至自身的种子激光混合，使混合光入射至所述探测器，所述探测器用于将光信号转换为电信号，所述数据采集板用于从所述探测器采集信号，通过控制所述数据采集板实现控制所述激光雷达测风系统停止采集数据或者开始采集数据。

9.一种激光雷达测风系统切换装置，应用于激光雷达测风系统，其特征在于，所述激光雷达测风系统切换装置用于执行权利要求1至8任一项所述的激光雷达测风系统切换方法。

10.一种激光雷达测风系统，其特征在于，包括权利要求9所述的激光雷达测风系统切换装置。

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