CN1804658A - 便携式测风激光雷达多普勒校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式测风激光雷达多普勒校准方法，其特征在于设置一个Nd:YAG激光器，激光器发出的脉冲光经过衰减后、及光纤延时器延时后，经过准直镜、出射光阑以一定入射倾角照明转盘的边缘，转盘转动使得转盘边缘上的散射光产生多普勒频移，包含有多普勒频移信号的散射光经过接收光阑后经过另一路光纤传输；以熔融光纤耦合器的另一输入端产生的串扰信号作为参考光，经过可调衰减后，再与包含多普勒频移信号的反射光一起，分别经由另一光纤耦合器耦合后，到达测风激光雷达接收机进行信号分析与处理。本发明和已有的校准方法相比，具有精度高，校准误差约为1％(相对值)；等效性好，最大频谱展宽0.7MHz，这与实际大气气溶胶对激光脉冲的频谱展宽效应一致；因此可以满足测风激光雷达的校准要求。

Description

便携式测风激光雷达多普勒校准方法

技术领域

本发明属于一种激光雷达领域，具体是一种测风激光雷达的多普勒校准方法。

背景技术

测风激光雷达的多普勒校准是多普勒测风激光雷达的重要单元。从国内外的调研结果来看，用于测风激光雷达的多普勒校准仪器目前还是空白，能够对测风激光雷达系统本身进行多普勒校准的实用、可靠的仪器还没有。

验证各种测风激光雷达的测量正确性的通常办法是与其它测风方法测得的结果进行比较，由于各种方法本身的测量误差较大，所以无法达到校准的目的。目前已见报道的校准方法是硬目标校准法，但只是搭建临时的光路进行粗略的校准，精度不高。

从大部分报道来看：沿直线导轨运动的硬目标要求实验场地很大，造价昂贵，而且因为机械振动，校准的速度范围很小。而已有的旋转硬目标：首先转盘较大，系统不够稳定；其次，未考虑转动目标的频率展宽可能引起的测量误差；另外，实验临时搭建的光路相对庞大和分散，不便于移动。

发明内容

本发明提供了一种测风激光雷达的多普勒校准方法，它可以用于各种多普勒激光雷达系统的多普勒校准。

本发明的技术方案如下：

便携式测风激光雷达多普勒校准方法，其特征在于设置一个Nd:YAG激光器，激光器发出的脉冲光经过衰减后，耦合到传导光纤上，该传导光纤再连接到熔融光纤耦合器的输入端，该熔融光纤耦合器同一侧还有另一输入端；脉冲光经过该熔融光纤耦合器后再经过光纤延时器延时后，经过准直镜、出射光阑以一定入射倾角照明转盘的边缘，转盘转动使得转盘边缘上的散射光产生多普勒频移，包含有多普勒频移信号的散射光经过接收光阑后经过另一路光纤传输；从前述熔融光纤耦合器的另一输入端产生的串扰信号作为参考光，经过可调衰减后，再与包含多普勒频移信号的反射光一起，分别经由另一光纤耦合器耦合后，到达测风激光雷达接收机进行信号分析与处理。

本发明选用全光纤器件搭建光路，所述的转盘是外缘镶嵌有聚四氟乙烯环的铝盘。

本发明选用可程序控制、可正反向高速运转、闭环工作模式的电机，设计了严格配重的、直径较小的标准聚四氟乙烯转盘，配合优化入射和接收角，可以进行高精度的大速度范围内的多普勒校准。

本发明选用与多模光纤匹配的自带尾纤型光纤耦合镜和光纤准直镜，光纤准直镜的出射激光束的发散角、光纤耦合镜的接收视场角以及出射光阑的宽度的选择使得硬目标频谱展宽与大气气溶胶频谱展宽一致。

本发明和已有的校准方法相比，具有精度高，校准误差约为1％(相对值)；等效性好，最大频谱展宽0.7MHz，这与实际大气气溶胶对激光脉冲的频谱展宽效应一致；因此可以满足测风激光雷达的校准要求。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

图2为本发明方法对某一设定速度的测量结果图。

图3是比较实验结果得出的校准曲线。

具体实施方式

参见附图。

便携式测风激光雷达多普勒校准方法，待校准的测风激光雷达系统中使用Nd:YAG激光器，激光器发出脉冲光后，使用尾纤型光纤耦合镜1将激光脉冲耦合到分束比为5/95的1×2型熔融光纤耦合器1的输入端。实验发现熔融光纤耦合器1两输入端有较强的串扰信号，因此可以利用另一输入端的串扰信号作为参考光。前述的光纤耦合器的输出光经过光纤延时器后由光纤准直镜输出。出射光经过出射光阑后照射在转盘的边缘。转盘由电机驱动，其转动使得散射光发生多普勒频移。部分散射信号经过接收光阑后被光纤耦合镜2接收。从前述熔融光纤耦合器1的另一输入端产生的参考光经过可调节光纤衰减器后，与载有多普勒频移信号的散射光一起，经熔融光纤耦合器2合并后输入待校准的测风激光雷达的接收机。

所述准直镜、尾纤型耦合镜的光束发散角为9mrad，光束直径4.4mm，后向反射35db，焦距11mm；所述的1×2型熔融光纤耦合器2对参考信号和多普勒频移信号的耦合比为5/95；所述的转盘是外缘镶嵌有聚四氟乙烯环的铝盘；所述的转盘直径为20cm，厚度6mm，转盘严格配重，高速运转稳定；优化的入射和接收角度以及电机转速，使得多普勒频移最大化(相当±50m/s速率)，光束入射角与散射接收角在仪器装调时可以精确测量；考虑耦合效率，系统中均采用芯径105μm的多模光纤，光纤各输出端采用斜面FC/APC连接器，以降低端面后向反射。

本发明的特点：

1.使用尾纤型光纤耦合镜1将激光器发出的激光束耦合到、分束比为5/95的2×1型熔融光纤耦合器1的输入端口a。实验发现熔融光纤耦合器1两输入端口有较强的串扰信号，因此可以利用同一测输入端口b的串扰信号作为参考光。参考光经熔融光纤耦合器2后输入待校准的测风激光雷达的接收机。

2.光阑宽度的调节范围0.1～3.0mm，经过计算，当矩形光阑的宽度为0.56mm时，后项散射的最大频谱展宽为0.7MHz，硬目标的频谱展宽效应与大气气溶胶的后向散射谱分布一致(谱展宽为0.7MHz)，提高了校准的可靠性。

3.在参考信号光路上安装可调衰减器，可以调节参考光相对于多普勒信号的强度，当参考光与多普勒信号光强度的比值接近1时，调节耦合镜1的耦合效率，可以避免接收机中的光子计数探测器的饱和。

4.光纤耦合器1的输出光经过光纤延时器后由光纤准直镜输出。当50Hz的脉冲光入射时，由于光纤延时器的使用，在时域上可以方便地分开参考光和多普勒频移后的信号分开。由于光子计数器和数字采集卡的使用，对每一发脉冲光入射，可以在不同时间单元分别对参考光信号和多普勒频移后的信号进行累加，以提高信噪比，这与实际激光雷达测风时的累加方式一样。

5.转盘由电机驱动，其转动使得散射光发生多普勒频移。通过脉宽调制技术可以连续调节并设定转盘的正反向转速。考虑系统稳定性，电机运转采用速度补偿模式，转速范围300：6000rpm，若选择转盘圆心到准直镜光轴的距离为l＝85mm，那么在出射光束方向，径向分速的可调范围为±(2.7～53.4)m/s。

6.在转盘半径80mm处安装光电门，使用8051单片机电路测量其转速。仪器自身设定速度的相对误差小于1％。

根据本发明方法，申请人设计了便携式多普勒校准仪，由全光纤器件，具有抗震性好、运行稳定、结构紧凑、体积小(346×285×175mm3)、重量轻(14.3kg)等特点，可以用于地基、车载、机载等各种测风激光雷达进行周期性的多普勒校准。

典型实验结果：

实验时，α和θ分别为发射光纤准直镜、接收光纤准直镜的光轴与转盘边缘被照明处的切线速度的夹角，测得其余弦值分别为cosα＝0.826和cosθ＝0.979，则可得测速激光雷达测得转盘的边缘速度为：

$V=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\cos \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{\Δv}$

其中λ₀为测风激光雷达的工作波长、Δv为由测风激光雷达测得的多普勒频移。由校准仪的测速装置测得的边缘速度为：

$V=\mathrm{\ωr}=2\mathrm{\π}\·\frac{n}{60}\·r$

其中n(rpm)为单片机8051单元测得的实际转速、r为转盘半径。当探测累计光子数接近2000时，激光雷达对某一设定速度进行100次测量的结果如图2所示：设定速度为36.8m/s，测得速度平均值36.4m/s，标准偏差0.7m/s。

对多个设定速度进行测量的结果如图3所示：线形拟合的斜率值为1.01，各点偏离拟合曲线的值从0.1m/s：0.9m/s变换，标准偏差值为0.6m/s。

Claims (4)

1、便携式测风激光雷达多普勒校准方法，其特征在于设置一个Nd:YAG激光器，激光器发出的脉冲光经过衰减后，耦合到传导光纤上，该传导光纤再连接到熔融光纤耦合器的输入端，该熔融光纤耦合器同一侧还有另一输入端；脉冲光经过该熔融光纤耦合器后再经过光纤延时器延时后，经过准直镜、出射光阑以一定入射倾角照明转盘的边缘，转盘转动使得转盘边缘上的散射光产生多普勒频移，包含有多普勒频移信号的散射光经过接收光阑后经过另一路光纤传输；从前述熔融光纤耦合器的另一输入端产生的串扰信号作为参考光，经过可调衰减后，再与包含多普勒频移信号的反射光一起，分别经由另一光纤耦合器耦合后，到达测风激光雷达接收机进行信号分析与处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于选用全光纤器件搭建光路，所述的转盘是外缘镶嵌有聚四氟乙烯环的铝盘。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于选用可程序控制、可正反向高速运转、闭环工作模式的电机，设计了严格配重的、直径较小的标准聚四氟乙烯转盘，配合优化入射和接收角，可以进行高精度的大速度范围内的多普勒校准。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于选用与多模光纤匹配的自带尾纤型光纤耦合镜和光纤准直镜，光纤准直镜的出射激光束的发散角、光纤耦合镜的接收视场角以及出射光阑的宽度的选择使得硬目标频谱展宽与大气气溶胶频谱展宽一致。

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