CN116736336B - 一种大气数据同路径同步探测系统及方法 - Google Patents
一种大气数据同路径同步探测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116736336B CN116736336B CN202310988646.4A CN202310988646A CN116736336B CN 116736336 B CN116736336 B CN 116736336B CN 202310988646 A CN202310988646 A CN 202310988646A CN 116736336 B CN116736336 B CN 116736336B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- atmospheric
- path
- receiving
- data
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 101
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 26
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 53
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 33
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 9
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 238000010009 beating Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 claims 18
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 claims 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000005437 stratosphere Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000005436 troposphere Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/59—Transmissivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
- G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种大气数据同路径同步探测系统及方法。所述探测系统包括发射单元、接收单元和数据处理单元；所述发射单元包括多台激光器，用于同步共路径发射不同波长的激光；所述接收单元包括接收望远镜，所述接收望远镜对称设置多个子瞳，用于接收不同波长激光与大气作用后的回波信号；所述数据处理单元用于通过所述回波信号对大气数据参数进行计算。通过本发明可以实现多个大气数据参数的同步同路径探测。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种大气数据同路径同步探测系统及方法。
背景技术
大气多参数的综合探测在激光大气传输、环境监测以及航空航天等方面有重要的意义。激光在大气传输过程中，大气透过率表征激光的能量衰减情况，大气湍流影响激光在空间光的相位分布、光强起伏、光束漂移等情况，大气风场影响空间中的介质分布，并对非线性光学领域的热晕效应有较大影响。这三个参数之间也是互相影响，共同作用于激光在大气中的传输过程；因此，大气透过率、大气湍流特性和大气风场的综合探测更为重要。
激光雷达因具备高时空分辨率、实时、连续测量的特点，且可实现单一制定路径探测，在大气探测方面应用得到普遍的关注。
激光雷达探测大气透过率时，通过接收后向回波散射信号，经过数据采集与反演，得到大气透过率信息。激光雷达可测垂直消光廓线，但斜程路径测量大气透过率较少。
对于风场探测，激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等，通常有两种探测机制—非相干多普勒测风激光雷达与相干多普勒测风激光雷达。非相干多普勒测风激光雷达系统可探测对流层及平流层以上的大气风场，但需要大能量的激光器并对其进行稳频，通过鉴频器扫透过率曲线得到多普勒频移，后继光路较为复杂，系统体积较为庞大。相干测风激光雷达系统得益于全光纤通信及其相关产品的升级，结构紧凑、稳定便于集成化设计。
大气相干长度不仅可以表征湍流的强度信息，也可以表征湍流的相位起伏，因此准确获取来表征大气湍流特性显得十分重要。激光雷达为实现制定路径探测大气相干长度是主动发射激光，聚焦形成瑞利信标，在光学系统中对信标成像，通过两个光斑的质心抖动方差来反演大气相干长度。Fried在研究光学传递函数时，在弱起伏条件下建立了大气相干长度和大气折射率结构常数的关系。传统的湍流激光雷达是垂直进行探测，要获取不同高度的r0需要聚焦不同高度的信标，难度较大。
目前，实现对上述多种大气参数（大气透过率、湍流特性和风场）探测的方法一般是利用多台不同类型激光雷达同时探测，但这需要同时操作多台激光器、望远镜和信号检测设备，技术复杂、探测难度大导致运行可靠性不高。多台激光雷达系统无法实现同步发射激光，且多个激光束会在空间上产生一定偏离，造成多台激光雷达回波信号在时间和空间上的不一致，因而无法实现对大气透过率、湍流特性和风场的同时、共路径探测。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种大气数据同路径同步探测系统，所述探测系统包括发射单元、接收单元和数据处理单元；
所述发射单元包括多台激光器，用于同步共路径发射不同波长的激光；
所述接收单元包括接收望远镜，所述接收望远镜对称设置多个子瞳，用于接收不同波长激光与大气作用后的回波信号；
所述数据处理单元用于通过所述回波信号对大气数据参数进行计算。
进一步的，所述激光器包括第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器固定在所述接收望远镜的上方，用于同时同路径发射第一设定波长的第一基频和对应的二倍频的激光，所述第一激光器的前端依次安装全反射镜和扩束器；
所述第二激光器整体安装在所述接收望远镜下方，用于与所述第一激光器同步准直发射第二设定波长的第二基频的激光。
进一步的，所述第二激光器的发射光路采用离轴式发射，且与接收光路同置；
出射激光与所述接收望远镜的光轴保持平行。
进一步的，所述第一基频的出射激光采用扩束准直发射；
对应的二倍频的激光的出射激光采用扩束聚焦发射。
进一步的，所述接收单元整体为卡塞格林反射式结构，上下左右对称设置有上子瞳、下子瞳、左子瞳和右子瞳，并且两子瞳间间距大于2倍子瞳直径。
进一步的，四个所述子瞳的平面上，左右两侧对应设置有左出射孔和右出射孔，左出射孔发射出的第一基频的出射激光，右出射孔发射对应的二倍频的激光，右出射孔布置在垂直于左右子瞳连线的中点线上。
进一步的，所述数据处理单元包括大气透过率探测通道、大气相干长度探测通道和大气风场探测通道；
所述大气透过率探测通道包括第一APD探测器和第一数据采集器，所述第一APD探测器用于将所述第一基频激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射空间光信号转换为电信号，所述第一数据采集器用于采集电信号；
所述大气相干长度探测通道包括反射镜、第二滤光片和第二ICCD探测器，所述反射镜和第二滤光片用于将接收到的回波信号送至所述第二ICCD探测器的靶面上，所述第二ICCD探测器用于将所述回波信号转换为数字信号；
所述大气风场探测通道包括环形器、光纤耦合器、平衡探测器和第二数据采集器，所述环形器用于将回波信号输出给光纤耦合器，光纤耦合器用于对回波信号与另一路本振光拍频后进行分束，所述平衡探测器用于将光信号转换为电信号，所述第二数据采集器用于将电信号转换为数字信号。
进一步的，所述探测系统还包括计算单元；
所述计算单元在接收处理大气透过率探测通道中输出的数据时，所述计算单元获取数据采集器而对大气透过率进行计算；在接收处理大气相干长度探测通道传输的数字信号时，计算单元可以实现大气相干长度测量，在接收处理大气风场探测通道的数字信号时，对数字信号通过FFT变换后得到信号功率谱后利用公式反演计算输出风速。
进一步的，所述探测系统还包括扫描平台和控制单元；所述扫描平台包括主控板和驱动器；所述驱动器用于根据所述主控板的指令对发射单元和接收单元的扫描参数进行控制，其中所述扫描参数包括方位角、俯仰角、速度和步长；
所述控制单元用于对同时触发多台激光器产生激光脉冲，并同步触发大气透过率探测通道、大气相干长度探测通道和大气风场探测通道进行同步共路径数据采集、存储和反演。
本发明还公开了一种大气数据同路径同步探测方法，所述探测方法包括以下步骤：
使用多台激光器同步共路径发射不同波长的激光；
使用接收望远镜接收不同波长激光与大气作用后的回波信号，其中，所述接收望远镜对称设置多个子瞳；
通过接收的回波信号分别对大气数据参数进行计算。
通过本发明可以实现多个大气数据参数的同步同路径探测。
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大气数据同路径同步探测系统中发射单元的示意图；
图2示出了根据本发明实施例中大气数据同路径同步探测系统中接收单元和数据处理单元的示意图；
图3示出了根据本发明实施例中大气数据同路径同步探测系统的结构示意图。
图中：101、第一激光器；102、第一全反射镜；103、第一扩束器；104、第二全反射镜；105、第三全反射镜；106、第二扩束器；107、第四全反射镜；108、左出射孔；109、右出射孔；111、第二激光器；2、接收单元；20、接收望远镜；201、子瞳；21、折返镜；22、第二滤光片；23、光束分束镜；24、小孔光阑；25、第一滤光片；26、会聚透镜；3、数据处理单元；31、大气透过率探测通道；311、第一APD探测器；312、第一数据采集器；32、大气相干长度探测通道；321、第二ICCD探测器；33、大气风场探测通道；331、环形器；332、光纤耦合器；333、平衡探测器；334、第二数据采集器；4、计算单元。
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。
本发明公开了一种大气数据同路径同步探测系统，如图1-3所示，所述探测系统包括发射单元1、接收单元2和数据处理单元3。
所述发射单元1包括多台激光器，用于同步共路径发射不同波长的激光；在本实施例中，以两台激光器为例。
所述接收单元2包括接收望远镜20，所述接收望远镜20对称设置多个子瞳201，用于接收不同波长激光与大气作用后的回波信号；
所述数据处理单元3用于通过所述回波信号对大气数据参数进行计算。
以下分别对发射单元1、接收单元2和数据处理单元3做详细描述。
发射单元1
发射单元1的两台激光器同步共路径发射不同波长的激光束，不同波长的激光束与大气中粒子作用后产生不同的回波信号。接收望远镜20由于设置了多个子瞳201，不同子瞳201接收不同的回波信号。不同子瞳201接收到不同的回波信号后将回波信号发送至数据处理单元3，数据处理单元3通过不同的回波信号采用不同的处理方式，最终得到多种大气数据参数。本实施例中发射单元1中两台激光器同步同路径发射，接收望远镜20的不同子瞳201同时接收到回波信号，并且数据处理单元3的多个探测通道同时对回波信号进行处理得到大气数据参数。由此可知通过本实施例能够实现大气数据参数的同路径同步探测，最大程度的保证获取到同一时刻的各项大气参数。
两台激光器分别为第一激光器101和第二激光器111，所述第一激光器101固定在所述接收望远镜20的上方，用于同时同路径发射第一设定波长的第一基频和对应的二倍频的激光，所述第一激光器101的激光输出端依次安装有多个全反射镜和扩束器；具体地说，在第一基频的光路上，第一激光器101发射的激光经过多个全反射镜和第一扩束器103，输出波长为第一设定波长的第一基频光束，第二扩束器106为固定倍数，用于扩束准直。在二倍频的光路上，第一激光器101发射的激光经过多个全反射镜和第一扩束器103，所述第二扩束器106为螺旋可调式扩束器，用于扩束聚焦，输出波长为第一设定波长的二倍频光束。其中所述第二激光器111整体安装在所述接收望远镜20下方，用于与所述第一激光器101同步准直发射第二设定波长的第二基频的激光。
示例性的，所述第一激光器101为一台种子注入稳频并配备电源控制和温度控制的Nd:YAG激光器，所述第二激光器111为一台脉冲掺铒光纤激光器。所述Nd:YAG激光器同时发射1064nm基频和532nm二倍频的激光；所述脉冲掺铒光纤激光器准直发射1550nm的激光。
具体的，为保证脉冲掺铒光纤激光器与Nd:YAG激光器光路同步且平行发射，所述脉冲掺铒光纤激光器的发射光路采用离轴式发射。为保证所述接收望远镜20能够接收到更多的回波信号，出射激光与所述接收望远镜20的光轴保持平行。
示例性的，Nd:YAG激光器同时发射1064nm基频和532nm二倍频的激光。其中两束激光经过全反射镜进入扩束器扩束后，波长为1064nm的基频出射激光探测大气透过率为满足出射激光发散角小于接收视场角的1/2和实现更高的探测要求，设计采用2倍扩束准直发射，出射激光的发散角压缩至0.25mrad；532nm探测大气相干长度采用10倍扩束聚焦发射。示例性的，如图1所示，对于第一激光器101的两条光路，具体为：在第一基频的光路上，1064nm的激光经过第三全反射镜105进入第二扩束器106扩束后，再由第四全反射镜107垂直发射到大气中，通过调整第三全反射镜105使得激光完全进入第二扩束器106以实现激光2倍扩束并减小发射角，通过调整第四全反射镜107使得发射光轴与接收望远镜20主轴平行。在第一基频的二倍频光路上，所述全反射镜包括第一全反射镜102和第二全反射镜104，其中，第一激光器101发射的激光经过第一全反射镜102进入第一扩束器103扩束后，再由第二全反射镜104垂直发射到大气中。通过调整第一反射镜102使得激光完全进入第一扩束器103，以实现激光10倍扩束并减小发射角，通过调整第二全反射镜104使得发射光轴与接收望远镜20主轴平行。值得说明的是，第一全反射镜102、第二全反射镜104、第三全反射镜105和第四全反射镜107可根据需要选择多块全发射镜进行组合，例如为改变光路，第一全反射镜102由三块相同属性的全反射镜组成。
示例性的，所述第二激光器111发射1550nm波长依次经过分束镜112和声光调制器113，放大器114和环形器331进入接收望远镜20进行发射，与接收光路同置。
接收单元2
由于接收的三波长跨度较大，为了接收更多的回波信号，所述接收单元2整体为卡塞格林反射式结构，上下左右对称设置四个子瞳201，分别为上子瞳、下子瞳、左子瞳和右子瞳，并且子瞳201间间距大于2倍子瞳直径。四个所述子瞳201的平面上，左右两侧对应设置有左出射孔108和右出射孔109，左出射孔108发射出的波长为1064nm的激光，右出射孔109发射出波长为532nm的激光，右出射孔109布置在垂直于左右子瞳连线的中点线上。
具体的，所述上子瞳用于接收所述第一基频的脉冲激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射空间光信号，下称回波信号；所述左子瞳和右子瞳用于接收第一基频相对应的二倍频激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的回波信号；所述下子瞳用于接收第二基频的脉冲激光与大气相互作用产生携带风场信息的回波信号。
示例性的，1064nm波长激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的回波信号后，由上子瞳接收，上子瞳内包括依次设置的主镜、次镜、转折镜、光阑、目镜、滤光片和汇聚透镜，最终回波信号被APD（雪崩光电二极管）实现探测，然后通过数据处理单元结合反演算法得到不同距离的大气透过率信息。左右两侧子瞳处放置楔形镜，接收532nm波长激光与大气分子与气溶胶粒子相互作用产生的回波信号，并将两个光斑分开，然后利用卡塞格林系统的主镜和次镜分别接收两个光斑信号。光斑信号依次经过反射镜和滤光片等后继光路后送入增强电荷耦合相机ICCD的靶面实现成像，最后由数据处理单元根据图像实现大气相干长度的测量。脉冲掺铒光纤激光器发出的1550nm激光与大气相互作用后，回波信号被下方子瞳接收，然后依次通过接收望远镜主镜和反射镜，导入到光纤内，实现大气风场的测量。优选的，由于大气风场探测通道焦距与大气透过率探测通道焦距差距过大，为了保证同时接收回波信号和便于接收望远镜的一体化结构，所述下子瞳内安装折返镜21改变光路的方向。
示例性的，接收单元2包括光学接收单元和后继分光单元。光学接收单元由接收望远镜20和折返镜21，后继分光单元包括第二滤光片22、光束分束镜23、小孔光阑24和第一滤光片25和会聚透镜26。光学接收单元的光轴沿垂直方向，后继分光单元的光轴经由光束分束镜23沿水平方向和垂直方向。
1064nm米散射信号沿光路在接收望远镜20、小孔光阑24、第一滤光片25和会聚透镜26，会聚透镜26的焦点与接收望远镜20的焦点重合，把接收望远镜20接收到的大气后向散射光会聚成平行光后，再导入第一APD探测器311；532nm米散射信号经由滤光片导入至第二ICCD探测器321；1550nm米散射信号经由环形器331导入光纤耦合器332后送至平衡探测器333。
数据处理单元3
所述数据处理单元包括大气透过率探测通道31、大气相干长度探测通道32和大气风场探测通道33。
所述大气透过率探测通道31包括第一APD探测器311和第一数据采集器312，所述第一APD探测器311用于将所述第一基频激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射空间光信号转换为电信号，所述第一数据采集器312用于采集电信号；
所述大气相干长度探测通道32包括光束分束镜23、第二滤光片22和第二ICCD探测器321，所述光束分束镜23和第二滤光片22用于将接收到的回波信号送至所述第二ICCD探测器321的靶面上，所述第二ICCD探测器321用于将所述回波信号转换为数字信号；
所述大气风场探测通道33包括环形器331、光纤耦合器332、平衡探测器333和第二数据采集器334，所述环形器331用于将回波信号输出给光纤耦合器332，光纤耦合器332用于对回波信号与另一路本振光拍频后进行分束，所述平衡探测器333用于将光信号转换为电信号，所述第二数据采集器334用于将电信号转换为数字信号。
示例性的，1064nm波长激光与大气分子作用后产生的回波信号进入大气透过率探测通道31后，经第一ICCD探测器311光电转换后，获得任意斜程路径的米散射回波信号，所述第一数据采集器312得到激光器触发信号后连续采集得到不同高度的回波信号，反演计算后输出大气透过率参数。
大气相干长度探测通道32中，第二ICCD探测器321接收到532nm激光与大气分子作用后的回波信号后，经过光束分束镜23和第二滤光片22等后继光路将接收到的回波光信号送入所述第二ICCD探测器321的靶面上。通过激光器的Q-switch输出触发信号，触发所述第二ICCD探测器321工作，而后转换成数字信号形成光斑图像，输送至所述计算机4，实现大气相干长度测量。
1550nm波长脉冲激光与大气相互作用产生携带风场信息的后向散射空间光信号导入到光纤内后送入大气风场探测通道33，经环形器331输出给光纤耦合器332，与外触发信号卡脉冲信号的驱动下所述Nd:YAG激光器发出的本振光拍频，而后按照50/50进行分束，分束过的光信号经过平衡探测器333将光信号转换为电信号，电信号经过所述第二数据采集器334的A/D转换后输出数字信号，通过FFT变换后得到信号功率谱。最后对脉冲累积得到80±50MHz范围内的离散的功率谱峰值频率，减去AOM的中频信号80MHz后利用公式反演计算输出风速。
进一步的，所述探测系统还包括计算单元4和扫描平台5。
所述计算单元4用于计算三个通道的数据得到对应的结果，在接收处理大气透过率探测通道31中输出的数据时，所述计算单元4获取数据采集器312而对大气透过率进行计算；在接收处理大气相干长度探测通道32传输的数字信号时，计算单元4可以实现大气相干长度测量，在接收处理大气风场探测通道33的数字信号时，对数字信号通过FFT变换后得到信号功率谱后利用公式反演计算输出风速。
所述扫描平台5包括主控板和驱动器；所述驱动器用于根据所述主控板的指令对发射单元和接收单元2的扫描参数进行控制，其中所述扫描参数包括方位角、俯仰角、速度和步长。具体的，扫描平台主要由主控板和电机驱动器构成。可实现对主体设备定位和扫描探测过程的稳定控制。其中，扫描探测方式包括VAD扫描、PPI扫描和RHI扫描三种类型。采用光电（绝对）编码器，控制扫描参数如方位角、俯仰角、速度和步长，实现转台的定位、预置位、扫描和巡航等功能。全方位0°-360°扫描，俯仰0°-90°扫描，定位精度可以达到±0.03°，在保证精度的同时满足制定路径上的不同大气探测扫描方式。
进一步的，所述探测系统还包括控制单元，所述控制单元用于对同时触发多台激光器产生激光脉冲，并同步触发大气透过率探测通道31、大气相干长度探测通道32和大气风场探测通道33进行同步共路径数据采集、存储和反演。
具体的，控制单元实现对整体系统的综合控制和数据的获取和信息的处理：一是同时触发两台激光器产生激光脉冲，并同步触发三个接收探测通道进行同时、共路径数据采集、存储和反演，实时显示大气透过率、大气相干长度和大气风场。二是稳定、可靠控制扫描探测过程。
本实施通过设计两台激光器发射光路、一体化接收望远镜同时耦合接收光纤与空间光，采用多传感器融合技术，即APD 探测大气透过率、ICCD 探测大气相干长度和平衡探测器探测大气风场，多参数同时、共路径探测，提高效率。系统硬件模块化设计，整体结构紧凑、体积小、可以整体作俯仰和方位移动而不改变内部光学结构。扫描平台可实现任意路径稳定、可靠扫描。系统整体结构简单、运行自动化程度高、长期稳定性好，可实现多参数同时、稳定、全天时探测。
进一步的，如图2所示，所述接收望远镜采用离轴系统、一体化箱式结构；另一部分封装数据处理单元。此系统结构紧凑、体积小，可以整体作俯仰和方位移动而不改变内部光学结构；箱体封装结构作用在于避免激光发射光和天空背景光干扰接收信号光，同时有效防止灰尘污染内部光学部件。光学接收望远镜采用卡塞格林反射式结构。其中，相干测风采用离轴式收发同置的结构。
在本发明的另一实施例中还公开了一种大气数据同路径同步探测方法，所述探测方法包括以下步骤：
使用多台激光器同步共路径发射不同波长的激光；
使用接收望远镜接收不同波长激光与大气作用后的回波信号，其中，所述接收望远镜对称设置多个子瞳；
通过接收的回波信号分别对大气数据参数进行计算。
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 (8)
1.一种大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述探测系统包括发射单元、接收单元和数据处理单元；
所述发射单元包括多台激光器，用于同步共路径发射不同波长的激光；
所述接收单元包括接收望远镜，所述接收望远镜对称设置多个子瞳，用于接收不同波长激光与大气作用后的回波信号；
所述数据处理单元用于通过所述回波信号对大气数据参数进行计算；
所述激光器包括第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器固定在所述接收望远镜的上方，用于同时同路径发射第一设定波长的第一基频和对应的二倍频的激光，所述第一激光器的前端依次安装全反射镜和扩束器；
所述第二激光器整体安装在所述接收望远镜下方，用于与所述第一激光器同步准直发射第二设定波长的第二基频的激光；
所述数据处理单元包括大气透过率探测通道、大气相干长度探测通道和大气风场探测通道；
所述大气透过率探测通道包括第一APD探测器和第一数据采集器，所述第一APD探测器用于将所述第一基频激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射空间光信号转换为电信号，所述第一数据采集器用于采集电信号；
所述大气相干长度探测通道包括反射镜、第二滤光片和第二ICCD探测器，所述反射镜和第二滤光片用于将接收到的回波信号送至所述第二ICCD探测器的靶面上，所述第二ICCD探测器用于将所述回波信号转换为数字信号；
所述大气风场探测通道包括环形器、光纤耦合器、平衡探测器和第二数据采集器，所述环形器用于将回波信号输出给光纤耦合器，光纤耦合器用于对回波信号与另一路本振光拍频后进行分束，所述平衡探测器用于将光信号转换为电信号，所述第二数据采集器用于将电信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述第二激光器的发射光路采用离轴式发射，且与接收光路同置；
出射激光与所述接收望远镜的光轴保持平行。
3.根据权利要求1所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述第一基频的出射激光采用扩束准直发射；
对应的二倍频的激光的出射激光采用扩束聚焦发射。
4.根据权利要求1所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述接收单元整体为卡塞格林反射式结构，上下左右对称设置有上子瞳、下子瞳、左子瞳和右子瞳，并且两子瞳间间距大于2倍子瞳直径。
5.根据权利要求4所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
四个所述子瞳的平面上，左右两侧对应设置有左出射孔和右出射孔，左出射孔发射出的第一基频的出射激光，右出射孔发射对应的二倍频的激光，右出射孔布置在垂直于左右子瞳连线的中点线上。
6.根据权利要求1所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述探测系统还包括计算单元；
所述计算单元在接收处理大气透过率探测通道中输出的数据时，所述计算单元获取数据采集器而对大气透过率进行计算；在接收处理大气相干长度探测通道传输的数字信号时，计算单元用于实现大气相干长度测量，在接收处理大气风场探测通道的数字信号时，对数字信号通过FFT变换后得到信号功率谱后利用公式反演计算输出风速。
7.根据权利要求1所述的大气数据同路径同步探测系统，其特征在于，
所述探测系统还包括扫描平台和控制单元；
所述扫描平台包括主控板和驱动器；所述驱动器用于根据所述主控板的指令对发射单元和接收单元的扫描参数进行控制，其中所述扫描参数包括方位角、俯仰角、速度和步长；
所述控制单元用于对同时触发多台激光器产生激光脉冲，并同步触发大气透过率探测通道、大气相干长度探测通道和大气风场探测通道进行同步共路径数据采集、存储和反演。
8.一种大气数据同路径同步探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：
使用多台激光器同步共路径发射不同波长的激光；
所述激光器包括第一激光器和第二激光器；
使用接收望远镜接收不同波长激光与大气作用后的回波信号，其中，所述接收望远镜对称设置多个子瞳；
所述第一激光器固定在所述接收望远镜的上方，用于同时同路径发射第一设定波长的第一基频和对应的二倍频的激光，所述第一激光器的前端依次安装全反射镜和扩束器；
所述第二激光器整体安装在所述接收望远镜下方，用于与所述第一激光器同步准直发射第二设定波长的第二基频的激光；
数据处理单元包括大气透过率探测通道、大气相干长度探测通道和大气风场探测通道；通过接收的回波信号分别对大气数据参数进行计算；
所述大气透过率探测通道包括第一APD探测器和第一数据采集器，所述第一APD探测器用于将所述第一基频激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射空间光信号转换为电信号，所述第一数据采集器用于采集电信号；
所述大气相干长度探测通道包括反射镜、第二滤光片和第二ICCD探测器，所述反射镜和第二滤光片用于将接收到的回波信号送至所述第二ICCD探测器的靶面上，所述第二ICCD探测器用于将所述回波信号转换为数字信号；
所述大气风场探测通道包括环形器、光纤耦合器、平衡探测器和第二数据采集器，所述环形器用于将回波信号输出给光纤耦合器，光纤耦合器用于对回波信号与另一路本振光拍频后进行分束，所述平衡探测器用于将光信号转换为电信号，所述第二数据采集器用于将电信号转换为数字信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310988646.4A CN116736336B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种大气数据同路径同步探测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310988646.4A CN116736336B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种大气数据同路径同步探测系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116736336A CN116736336A (zh) | 2023-09-12 |
| CN116736336B true CN116736336B (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=87901500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310988646.4A Active CN116736336B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种大气数据同路径同步探测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116736336B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103267969A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-08-28 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法 |
| KR101435584B1 (ko) * | 2013-09-17 | 2014-09-25 | 이화여자대학교 산학협력단 | 난류 검출 시스템 및 검출 방법 |
| CN109283550A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-01-29 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法 |
| CN114910883A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-16 | 安徽蓝科信息科技有限公司 | 一种三维扫描式测风激光雷达系统 |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310988646.4A patent/CN116736336B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103267969A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-08-28 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法 |
| KR101435584B1 (ko) * | 2013-09-17 | 2014-09-25 | 이화여자대학교 산학협력단 | 난류 검출 시스템 및 검출 방법 |
| CN109283550A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-01-29 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法 |
| CN114910883A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-16 | 安徽蓝科信息科技有限公司 | 一种三维扫描式测风激光雷达系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于1064nm米散射激光雷达的大气消光特性的研究;杨昭 等;激光技术;第30卷(第02期);170-173 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116736336A (zh) | 2023-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9804265B2 (en) | Radar device | |
| CN1316262C (zh) | 利用激光Raman－Mie散射探测大气信号的方法及激光雷达 | |
| CN204758827U (zh) | 用于激光雷达的复合式扫描系统 | |
| CN108955563B (zh) | 用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及测量方法 | |
| US7221438B2 (en) | Coherent laser radar apparatus | |
| CA2800267A1 (en) | Method and apparatus for a pulsed coherent laser range finder | |
| CN109991623A (zh) | 一种分布式激光雷达 | |
| CN109991622A (zh) | 一种激光雷达 | |
| CN112711031B (zh) | 改进的准无盲区多普勒相干激光雷达风速测量系统及方法 | |
| EP0947834B1 (en) | Detection of air flow speed and flow direction | |
| CN110161280B (zh) | 混合探测多普勒激光雷达风速测量系统及其测量方法 | |
| CN113391327A (zh) | 一种基于连续激光的多普勒测风雷达系统及方法 | |
| CN111708004A (zh) | 一种新型激光测距方法及激光雷达系统 | |
| CN112269190A (zh) | 一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达 | |
| CN112130171A (zh) | 激光测风雷达、激光测风雷达系统和风力发电机 | |
| CN210155331U (zh) | 一种激光雷达 | |
| CN102213763A (zh) | 基于锁模激光器的相干多普勒测风激光雷达测距系统及测距方法 | |
| CN116736336B (zh) | 一种大气数据同路径同步探测系统及方法 | |
| CN103424750A (zh) | 一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置与方法 | |
| CN116990828A (zh) | 激光雷达和可移动设备 | |
| CN217332861U (zh) | 一种雷达系统和车辆 | |
| CN114895281B (zh) | 一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置 | |
| CN103424380A (zh) | 一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置与方法 | |
| CN215297681U (zh) | 可变焦高信噪比测风激光雷达系统 | |
| CN216485509U (zh) | 基于单光束探测的手持式测风激光雷达 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |