CN117214918A - 一种瑞利多普勒测温测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，包括：激光发射机，包括：种子光生成装置，在控制电压信号的控制下生成三种不同频率的第一种子光和第二种子光；脉冲激光器，在三种不同频率的第一种子光注入脉冲激光器的情况下，输出三种不同频率的第一脉冲激光；激光发射耦合单元，根据三种不同频率的第一脉冲激光，生成发射激光和第二脉冲激光，发射激光与大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；频率校准装置，根据第二种子光和第二脉冲激光，输出用于锁定种子光的激光频率的控制电压信号和电压电平信号；激光接收机，接收后向散射回波信号并根据后向散射回波信号和电压电平信号对大气环境中的风速和/或温度进行测量。

Description

一种瑞利多普勒测温测风激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，更具体地，涉及一种瑞利多普勒测温测风激光雷达。

背景技术

临近空间（20-100km）环境的探测对于地球大气环境变化、人类航空航天活动、空间飞行器的设计和飞行控制，都有着非常重要的意义，近些年来，临近空间风场、密度和温度的探测越来越受到各大国的高度重视。目前，对于平流层-中间层区域（30-70km）的温度、密度探测常用瑞利激光雷达进行。然而，现有的瑞利激光雷达反演大气密度和温度需要有密度参考点和温度参考点。在进行风速反演过程中，温度的反演误差也会引起风速的测量误差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，包括：

激光发射机，包括：

种子光生成装置，用于在控制电压信号的控制下生成第一种子光和第二种子光，其中，上述第一种子光和第二种子光均包括时序上三种不同频率的子种子光；

脉冲激光器，在上述第一种子光注入上述脉冲激光器的情况下，输出第一脉冲激光，其中，上述第一脉冲激光包括三种不同频率的子脉冲激光；

激光发射耦合单元，用于根据上述第一脉冲激光，生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，其中，上述发射激光与上述大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；

频率校准装置，用于根据上述第二种子光和上述第二脉冲激光，输出上述控制电压信号和电压电平信号，其中，上述控制电压信号用于锁定上述种子光的激光频率；

激光接收机，用于接收上述后向散射回波信号，并根据上述后向散射回波信号和上述电压电平信号同时对上述大气环境中的风速和温度进行测量。

根据本发明的实施例，上述种子光生成装置包括：

种子光激光器，用于在上述控制电压信号的控制下输出窄带线宽的连续激光；

光纤分束器，用于将上述连续激光分为第一激光和第二激光，其中，上述第一激光的功率大于上述第二激光的功率，上述第二激光表征上述第二种子光；

光纤声光移频器，用于根据上述第一激光，生成上述第一种子光。

根据本发明的实施例，上述激光发射耦合单元包括：

扩束镜，用于对上述第一脉冲激光的光斑和发散角进行调整，得到第三激光；

第一分光片，用于将上述第三激光分为上述发射激光和上述第二脉冲激光。

根据本发明的实施例，上述激光发射耦合单元还包括：

发射天线，用于将上述发射激光发射至上述大气环境中。

根据本发明的实施例，上述频率校准装置包括：

倍频器，用于对上述第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光；

频率校准器，用于根据上述第二脉冲激光和上述种子倍频光，生成第一电信号和第二电信号；

反馈电路，用于根据上述第一电信号生成上述控制电压信号；

积分器，用于根据上述第二电信号生成上述电压电平信号。

根据本发明的实施例，上述频率校准器包括：

第一碘分子池，用于：

利用碘分子的吸收光谱处理上述种子倍频光，得到处理后的种子倍频光；

利用碘分子的吸收光谱处理上述第二脉冲激光，得到处理后的第二脉冲激光；

第一光电二极管，用于对上述处理后的种子倍频光进行放大和光电转换处理，得到上述第一电信号；

第二光电二极管，用于对上述处理后的第二脉冲激光进行光电转换处理，得到上述第二电信号；

其中，上述电压电平信号用于锁定上述种子光频率和监测上述第一脉冲激光和上述第一种子光之间的频率差异，以修正探测误差。

根据本发明的实施例，上述激光接收机包括：

望远镜，用于接收上述大气环境返回的上述后向散射回波信号；

信号处理装置，用于根据上述后向散射回波信号，生成准平行光束；

碘分子处理装置，用于根据上述准平行光束，生成参考信号和目标信号；

计算处理器，用于根据上述参考信号、上述目标信号和上述电压电平信号同时对上述大气环境中的风速和温度进行测量。

根据本发明的实施例，上述信号处理装置包括：

斩光盘，用于在电机的驱动下，对上述散射回波信号中的近场强回波信号进行抑制，得到同步主信号；

准直透镜，用于将上述同步主信号准直为上述准平行光束。

根据本发明的实施例，上述信号处理装置还包括：

滤光片，用于对上述准平行光束中的背景光信号进行过滤处理，得到过滤后的准平行光束，以利用上述碘分子处理装置处理上述过滤后的准平行光束。

根据本发明的实施例，上述碘分子处理装置包括：

第二分光片，用于将上述准平行光束分为第一光信号和第二光信号；

第一光电倍增管，用于对上述第一光信号进行光电转换处理，得到第一电脉冲信号，其中，上述第一电脉冲信号表征上述参考信号；

第二碘分子池，用于对上述第二光信号进行吸收处理，得到目标回波信号；

第二光电倍增管，用于对上述目标回波信号进行光电转换处理，得到上述目标信号。

根据本发明的实施例，通过利用种子光生成装置生成包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光和第二种子光，利用脉冲激光器在分时注入第一种子光的情况下生成包括三种不同频率的子脉冲激光的第一脉冲激光，将其输入激光发射耦合单元以生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，同时频率校准装置基于第二种子光和第二脉冲激光，输出控制电压信号和电压电平信号，实现对种子光生成装置的控制，从而使得激光接收机从大气环境中接收的后向散射回波信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。由于本发明的瑞利多普勒测温测风激光雷达不再依赖于密度参考点和温度参考点，而是采用包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光作为系统光源实现温度和风速的绝对测量，避免了依赖温度参考点和密度参考点引起的温度测量误差以及温度误差引起的单频激光测风误差，从而大幅提升了瑞利多普勒测温测风激光雷达在温度和风速测量时的准确度和灵敏度。

通过采用分时序列发射532nm及其附近多个频率激光，分别对应接收回波信号强度，将风速引起的多普勒展宽和频移信息直接转化为多个频率的信号强度，根据回波信号强度反演出温度和信息。由于本发明在技术上可实现平流层-中间层区域（30-70km）温度的绝对测量，不再依赖于密度参考点和温度参考点；采用三频激光作为系统光源，同时实现温度的绝对测量，并在风速计算过程中同时考虑温度对谱线的影响，大幅提升了瑞利多普勒激光雷达测风和测温的准确度和灵敏度。因此，可以解决温度参考点和密度参考点引起的温度测量误差，以及温度误差引起的单频激光测风误差。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的一种瑞利多普勒测温测风激光雷达的框架图；

图2示出了根据本发明实施例的种子光生成装置的框架图；

图3示出了根据本发明实施例的激光发射耦合单元的框架图；

图4示出了根据本发明实施例的频率校准装置的框架图；

图5示出了根据本发明实施例的频率校准器的框架图；

图6示出了根据本发明实施例的激光接收机的框架图；

图7示出了根据本发明实施例的信号处理装置的框架图；

图8示出了根据本发明实施例的碘分子处理装置的框架图；

图9示出了根据本发明实施例的一种瑞利多普勒测温测风激光雷达的结构流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

对于平流层-中间层区域（30-70km）的温度、密度探测常用瑞利激光雷达进行，现有的瑞利激光雷达反演大气密度和温度需要有密度参考点和温度参考点。密度参考和温度参考的偏差都会对温度的计算带来误差，无法实现温度的绝对测量。现有瑞利多普勒激光雷达只发射单频激光，接收机通过干涉仪标准具或碘分子吸收池鉴频器鉴别大气风速引起的瑞利回波信号的多普勒频移信息，单频的回波信号中同时带有温度和风速的信息，在进行风速反演过程中，需要通过静力平衡方程和理想气体状态方程先计算出温度，然后再计算出风速，因此温度的反演误差也会引起风速的测量误差。

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种瑞利多普勒测温测风激光雷达。该激光雷达包括激光发射机，包括：种子光生成装置，用于在控制电压信号的控制下生成第一种子光和第二种子光，其中，第一种子光和第二种子光均包括时序上三种不同频率的子种子光；脉冲激光器，在第一种子光注入脉冲激光器的情况下，输出第一脉冲激光，其中，第一脉冲激光包括三种不同频率的子脉冲激光；激光发射耦合单元，用于根据第一脉冲激光，生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，其中，发射激光与大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；频率校准装置，用于根据第二种子光和第二脉冲激光，输出控制电压信号和电压电平信号，其中，控制电压信号用于锁定种子光的激光频率；激光接收机，用于根据后向散射回波信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。

图1示出了根据本发明实施例的一种瑞利多普勒测温测风激光雷达的框架图。

如图1所示，瑞利多普勒测温测风激光雷达包括：

激光发射机100，包括：种子光生成装置110，用于在控制电压信号的控制下生成第一种子光和第二种子光，其中，所述第一种子光和第二种子光均包括时序上三种不同频率的子种子光；脉冲激光器120，在第一种子光注入脉冲激光器120的情况下，输出第一脉冲激光，其中，所述第一脉冲激光包括三种不同频率的子脉冲激光；激光发射耦合单元130，用于根据第一脉冲激光，生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，其中，发射激光与大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号。

频率校准装置200，用于根据第二种子光和第二脉冲激光，输出控制电压信号和电压电平信号，其中，控制电压信号用于锁定种子光的激光频率；

激光接收机300，用于接收所述后向散射回波信号，并根据后向散射回波信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。

根据本发明的实施例，脉冲激光器120可为闪光灯泵浦也可为二极管泵浦激光器，本发明的脉冲激光器120的类别不做限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。在一种实施例中，脉冲激光器120的基频输出为1064.4nm第一脉冲激光，二倍频后输出532.2nm第一脉冲激光，在种子光生成装置110输出的包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光分时注入的情况，输出窄线宽的频率为、/>和/>的532.2nm三种不同频率的子脉冲激光的第一脉冲激光。

根据本发明的实施例，本发明的瑞利多普勒测温测风激光雷达在技术上可实现平流层-中间层区域（30-70km）温度和风速的绝对测量，不再依赖于密度参考点和温度参考点，而且在风速和温度的计算过程中同时考虑了温度对谱线的影响。

图2示出了根据本发明实施例的种子光生成装置的框架图。

根据本发明的实施例，种子光生成装置100包括：种子光激光器111，用于在控制电压信号的控制下输出窄带线宽的连续激光；光纤分束器112，用于将连续激光分为第一激光和第二激光，其中，第一激光的功率大于第二激光的功率，第二激光表征第二种子光；光纤声光移频器113，用于根据第一激光，生成三种不同频率的第一种子光。

根据本发明的实施例，种子光激光器111，为半导体激光器，输出窄带线宽的1064nm的连续激光，输出接口可以为光纤端口。

根据本发明的实施例，光纤分束器112，用于将种子激光器输出的1064nm激光分成两路输出。第一激光输出至少20mW功率，用于光纤声光调制；第二激光输出至少10mW，用于倍频后激光频率稳定。其中，第二激光表征第二种子光。

根据本发明的实施例，光纤声光移频器113，内部集成有切换开关，第一激光经一分三开关分为三路：一路不改变种子光频率，输出频率为的子种子光；一路移频，输出激光频率为/>的子种子光；最后一路移频，输出频率为/>的子种子光。开关切换时间根据该激光雷达系统时序控制，设置为1秒切换一次。不同频率的子种子光经三合一开关合成一路激光输出，作为脉冲激光器120的种子注入激光，即包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光。

根据本发明的实施例，种子光激光器111在控制电压信号的控制下输出窄带线宽的连续激光经过光纤分束器112将连续激光分为第一激光和第二激光，其中，第二激光表征输入至频率校准装置200的第二种子光；第一激光经过光纤声光移频器113生成第一种子光，并将输出的第一种子光输入至脉冲激光器120。

图3示出了根据本发明实施例的激光发射耦合单元的框架图。

根据本发明的实施例，激光发射耦合单元130包括：扩束镜131，用于对第一脉冲激光的光斑和发散角进行调整，得到第三激光；第一分光片132，用于将第三激光分为发射激光和第二脉冲激光。

根据本发明的实施例，扩束镜131采用双镜伽利略式结构，目镜为凹透镜，输出镜为凸透镜，用于改善脉冲激光器120的532.2nm的第一脉冲激光的发散角和降低光束功率密度，例如放大激光光斑的大小、改善光束发散角到所述望远镜310的接收视场内。本发明的扩束镜131的类别不做限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。

根据本发明的实施例，第一分光片132表面镀有分光膜，分光比可为99.5%/0.5%，第一分光片132将扩束镜131输出的第三激光分为两路，即发射激光和第二脉冲激光，发射激光用于发射到大气环境中，和大气中的分子发生相互作用产生后向散射回波信号；第二脉冲激光作为频率校准装置200的输入，用于第一脉冲激光频率监测，检测第一脉冲激光频率和第一种子光频率之间的频率差。本发明的第一分光片132的类别不做限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。

根据本发明的实施例，激光发射耦合单元还包括：发射天线133，用于将发射激光发射至大气环境中。

根据本发明的实施例，发射天线133由光学镜架和532nm反射镜片组成，将所述第一分光片132输出的发射激光发射到大气环境中。

根据本发明的实施例，扩束镜131对第一脉冲激光进行调整得到第三激光；第一分光片132将第三激光分为发射激光和第二脉冲激光，其中，发射激光由发射天线133发射至大气环境，第二脉冲激光输入至频率校准装置200。

图4示出了根据本发明实施例的频率校准装置的框架图。

根据本发明的实施例，频率校准装置200包括：倍频器210，用于对第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光；频率校准器220，用于根据第二脉冲激光和种子倍频光，生成第一电信号和第二电信号；反馈电路230，用于根据第一电信号生成控制电压信号；积分器240，用于根据第二电信号生成电压电平信号。

根据本发明的实施例，倍频器210采用周期性铌酸锂PPLN晶体制成，用于将光纤分束器112的第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光，例如将光纤分束器112的其中一路输出的1064.4nm连续的第二种子光，倍频为532.2nm的连续的种子倍频光。

根据本发明的实施例，频率校准器220具有两路输入，一路输入种子倍频光，通过碘分子的吸收光谱来锁定种子光激光器的频率，生成第一电信号；另一路输入第二脉冲激光，监测第一脉冲激光和连续种子激光的频率差异，修正探测误差，生成第二电信号。

根据本发明的实施例，反馈电路230根据频率校准器220输出的第一电信号，由内部的比例-积分-微分（PID）控制器计算出控制电压信号，输出给种子光激光器111的波长调节模块，从而跟踪锁定种子的激光频率。

根据本发明的实施例，积分器240的内部带有触发模块、延时调节模块、门宽调节模块和高速采集积分电路。触发模块用于同步激光脉冲和和内部采集积分电路；延时调节模块用于调节同步激光脉冲和内部采集积分电路，保证能够采集积分到完整的脉冲信号；门宽调节覆盖频率校准器220输出的532.2nm第一脉冲激光碘分子吸收后光谱信号，门宽度设置覆盖整个脉冲宽度；内部采集积分电路，用于将输出的第二电信号生成一个电压电平信号，并采集为数字形式存储在内部寄存器上。

根据本发明的实施例，倍频器210对激光发射机100输出的第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光，并通过频率校准器220生成第二电信号；频率校准器220对激光发射机100输出的第二脉冲激光生成第一电信号；反馈电路230根据第一电信号生成控制电压信号，并输入回激光发射机100；积分器240根据第二电信号生成电压电平信号，并输入至激光接收机300。

图5示出了根据本发明实施例的频率校准器的框架图。

根据本发明的实施例，频率校准器220包括：第一碘分子池221，用于：利用碘分子的吸收光谱处理种子倍频光，得到处理后的种子倍频光；利用碘分子的吸收光谱处理第二脉冲激光，得到处理后的第二脉冲激光；第一光电二极管222，用于对处理后的种子倍频光进行放大和光电转换处理，得到第一电信号；第二光电二极管223，用于对处理后的第二脉冲激光进行光电转换处理，得到第二电信号，其中，电压电平信号用于监测第一脉冲激光和第一种子光之间的频率差异，以修正探测误差。

根据本发明的实施例，第一光电二极管222是带有放大功能的光电二极管；第二光电二极管223是一般光电二极管。

图6示出了根据本发明实施例的激光接收机的框架图。

根据本发明的实施例，激光接收机300包括：望远镜310，用于接收大气环境返回的散射回波信号；信号处理装置320，用于根据散射回波信号，生成准平行光束；碘分子处理装置330，用于根据准平行光束，生成参考信号和目标信号；计算处理器340，用于根据参考信号、目标信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。

根据本发明的实施例，望远镜310用于接收532.2nm三个频率激光、和/>和大气相互作用后带有风速引起的多普勒频移信号的大气分子后向散射回波信号。

望远镜310可以采用常用的牛顿型望远镜或卡塞格林型望远镜接收大气分子回波信号，本发明的望远镜的类别不做限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。望远镜指向可根据实际科学探测需要设置合适的方向，例如，需要探测纬向风，可将望远镜指向向东或向西方向，天顶倾斜角一般设置在15°-30°之间；需要探测经向风，可将望远镜指向向东或向西方向，天顶倾斜角一般设置在15°-30°之间；需要探测垂直风，望远镜指向天顶。望远镜镜片需镀有针对532.2nm波长的高反膜，保证回波信号接收效率。

根据本发明的实施例，计算处理器340既包含有光子计数卡和各种常用接口，完成该瑞利多普勒测温测风激光雷达的信号采集和部件的协同控制功能，用于采集显示散射回波信号和监测发射激光的频率变化。

图7示出了根据本发明实施例的信号处理装置的框架图。

根据本发明的实施例，信号处理装置320包括：斩光盘321，用于在电机的驱动下，对散射回波信号中的近场强回波信号进行抑制，得到同步主信号；准直透镜322，用于将同步主信号准直为准平行光束。

根据本发明的实施例，斩光盘用于抑制低空强回波信号，保证后续探测部分工作在线性范围内。斩光盘的盘片上设置有槽口，由高速电机驱动盘片按照雷达系统设定的速度高速旋转，实现对激光雷达系统近场强回波信号的抑制。在斩光盘的两侧，安装有触发信号产生发射和接收模块，用于输出激光雷达系统所需的同步主信号。

根据本发明的实施例，准直透镜用于将所述望远镜接收的回波信号经传输光纤后的光信号准直为准平行光束。

根据本发明的实施例，信号处理装置还包括：滤光片323，用于对准平行光束中的背景光信号进行过滤处理，得到过滤后的准平行光束，以利用所述碘分子处理装置330处理过滤后的准平行光束。

根据本发明的实施例，滤光片323可以初步滤除准平行光束中的背景噪声信号，用于初步抑制天空背景光信号，而有用的532.2nm回波信号可以通过滤光片323，得到过滤后的准平行光束。

图8示出了根据本发明实施例的碘分子处理装置的框架图。

根据本发明的实施例，碘分子处理装置330包括：第二分光片331，用于将准平行光束分为第一光信号和第二光信号；第一光电倍增管334，用于对第一光信号进行光电转换处理，得到第一电脉冲信号，其中，第一电脉冲信号表征参考信号；第二碘分子池332，用于对第二光信号进行吸收处理，得到目标回波信号；第二光电倍增管333，用于对目标回波信号进行光电转换处理，得到目标信号。

根据本发明的实施例，第二分光片331用于将回波信号分为两路，一路反射光，比例1%即可；另一路透射，比例99%。其中，一路作为参考回波，即第一光信号，用于消除回波信号本身抖动；另一路为第二光信号，其作为主探测回波信号，其中，反射和投射的比例可以根据实际需求具体设定。

根据本发明的实施例，第一光电倍增管334，用于将第一光信号转换为第一电脉冲信号。该路作为参考信号，用于归一化信号功率抖动影响。

根据本发明的实施例，第二碘分子池332，分时同光路透过三频激光、和/>大气回波信号，对第二光信号进行吸收处理，得到目标回波信号，其吸收强弱和回波信号频率有关，通过对三频信号吸收强弱，起到了鉴别主探测回波信号内所包含的风速引起的频移信息的作用。

根据本发明的实施例，第二光电倍增管333，用于探测经碘分子吸收池吸收后带有大气分子随风速运动引起的多普勒频移的三频回波信号，将其转换为目标信号。

图9示出了根据本发明实施例的一种瑞利多普勒测温测风激光雷达的结构流程图。

在一种具体的实施例中，如图9所示，种子光激光器111输出窄带线宽的连续激光，经过光纤分束器112将连续激光分为第一激光和第二激光，其中，第一激光输入光纤声光移频器113，生成包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光和第二种子光；第二激光作为第二种子光输入倍频器得到种子倍频光并输入至频率校准器220中。上述第一种子光输入脉冲激光器120后输出包括三种不同频率的子脉冲激光的第一脉冲激光。第一脉冲激光通过扩束镜131得到第三激光。第三激光经过第一分光片132分为发射激光和第二脉冲激光，其中，发射激光通过发射天线133发射至大气环境中；第二脉冲激光输入至频率校准器220中。种子倍频光和第二脉冲激光经过频率校准器220得到第一电信号，第一电信号通过反馈电路230生成控制电压信号，输出给种子激光器111的波长调节模块，从而跟踪锁定种子激光频率；种子倍频光经过频率校准器220得到第二电信号，第二电信号通过积分器240生成电压电平信号。

望远镜310从大气环境中接收后向散射回波信号并输入至斩光盘321，斩光盘321对后向散射回波信号中的近场强回波信号进行抑制，得到同步主信号。同步主信号经过准直透镜322得到准平行光束，由滤光片323进行过滤处理。过滤后的准平行光束由第二分光片331分为第一光信号和第二光信号，其中，第一光信号由第一光电倍增管334处理得到第一电脉冲信号，即参考信号；第二光信号由第二碘分子池处理332得到目标回波信号，后经过第二光电倍增管333处理得到目标信号。

上述参考信号、目标信号和电压电平信号通过计算机处理器340对大气环境中的风速和/或温度进行测量。

根据本发明的实施例，通过利用种子光生成装置生成包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光和第二种子光，利用脉冲激光器在分时注入第一种子光的情况下生成包括三种不同频率的子脉冲激光的第一脉冲激光，将其输入激光发射耦合单元以生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，同时频率校准装置基于第二种子光和第二脉冲激光，输出控制电压信号和电压电平信号，实现对种子光生成装置的控制，从而使得激光接收机从大气环境中接收的后向散射回波信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。由于本发明的瑞利多普勒测温测风激光雷达不再依赖于密度参考点和温度参考点，而是采用包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光作为系统光源实现温度和风速的绝对测量，避免了依赖温度参考点和密度参考点引起的温度测量误差以及温度误差引起的单频激光测风误差，从而大幅提升了瑞利多普勒测温测风激光雷达在温度和风速测量时的准确度和灵敏度。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出三种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射机，包括：

种子光生成装置，用于在控制电压信号的控制下生成第一种子光和第二种子光，其中，所述第一种子光和第二种子光均包括时序上三种不同频率的子种子光；

脉冲激光器，在所述第一种子光注入所述脉冲激光器的情况下，输出第一脉冲激光，其中，所述第一脉冲激光包括三种不同频率的子脉冲激光；

激光发射耦合单元，用于根据所述第一脉冲激光，生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，其中，所述发射激光与所述大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；

频率校准装置，用于根据所述第二种子光和所述第二脉冲激光，输出所述控制电压信号和电压电平信号，其中，所述控制电压信号用于锁定所述第一种子光的激光频率；

激光接收机，用于接收所述后向散射回波信号，并根据所述后向散射回波信号和所述电压电平信号同时对所述大气环境中的风速和温度进行测量。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述种子光生成装置包括：

种子光激光器，用于在所述控制电压信号的控制下输出窄带线宽的连续激光；

光纤分束器，用于将所述连续激光分为第一激光和第二激光，其中，所述第一激光的功率大于所述第二激光的功率，所述第二激光表征所述第二种子光；

光纤声光移频器，用于根据所述第一激光，生成所述第一种子光。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射耦合单元包括：

扩束镜，用于对所述第一脉冲激光的光斑和发散角进行调整，得到第三激光；

第一分光片，用于将所述第三激光分为所述发射激光和所述第二脉冲激光。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射耦合单元还包括：

发射天线，用于将所述发射激光发射至所述大气环境中。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述频率校准装置包括：

倍频器，用于对所述第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光；

频率校准器，用于根据所述第二脉冲激光和所述种子倍频光，生成第一电信号和第二电信号；

反馈电路，用于根据所述第一电信号生成所述控制电压信号；

积分器，用于根据所述第二电信号生成所述电压电平信号。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述频率校准器包括：

第一碘分子池，用于：

利用碘分子的吸收光谱处理所述种子倍频光，得到处理后的种子倍频光；

利用碘分子的吸收光谱处理所述第二脉冲激光，得到处理后的第二脉冲激光；

第一光电二极管，用于对所述处理后的种子倍频光进行放大和光电转换处理，得到所述第一电信号；

第二光电二极管，用于对所述处理后的第二脉冲激光进行光电转换处理，得到所述第二电信号；

其中，所述电压电平信号用于监测所述第一脉冲激光和所述第一种子光之间的频率差异，以修正探测误差。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收机包括：

望远镜，用于接收所述大气环境返回的所述散射回波信号；

信号处理装置，用于根据所述散射回波信号，生成准平行光束；

碘分子处理装置，用于根据所述准平行光束，生成参考信号和目标信号；

计算处理器，用于根据所述参考信号、所述目标信号和所述电压电平信号同时对所述大气环境中的风速和温度进行测量。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置包括：

斩光盘，用于在电机的驱动下，对所述散射回波信号中的近场强回波信号进行抑制，得到同步主信号；

准直透镜，用于将所述同步主信号准直为所述准平行光束。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置还包括：

滤光片，用于对所述准平行光束中的背景光信号进行过滤处理，得到过滤后的准平行光束，以利用所述碘分子处理装置处理所述过滤后的准平行光束。

10.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述碘分子处理装置包括：

第二分光片，用于将所述准平行光束分为第一光信号和第二光信号；

第一光电倍增管，用于对所述第一光信号进行光电转换处理，得到第一电脉冲信号，其中，所述第一电脉冲信号表征所述参考信号；

第二碘分子池，用于对所述第二光信号进行吸收处理，得到目标回波信号；

第二光电倍增管，用于对所述目标回波信号进行光电转换处理，得到所述目标信号。