CN1880969A - 基于f－p标准具的多普勒测风激光雷达的结构及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于F－P标准具的多普勒测风激光雷达的结构及其探测方法，光路中有Nd:YAG激光器，输出的激光分为二束，其中一束经过由平面反射镜组成的二维扫描单元向天空发射；另一束激光经过光纤接入二合一光纤耦合器的输入端；望远镜镜筒的焦点处安装有光纤接收端口，该光纤也接入二合一光纤耦合器的输入端，二合一光纤耦合器的输出端通过光纤接到准直镜；准直镜后的光路中依次安装有滤光片、透反比为4∶1的分束片、F－P标准具，标准具的透射光路和分束片的反射光路中，均分别安装有一直角反射棱镜，每个直角反射棱镜的反射面两侧各安装有一个光子计数探测器，光子计数探测器的输出端接入数据采集与处理设备。本发明采用双边缘技术直接探测对流层大气风场的分布。

Description

基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达的结构及其探测方法

技术领域

本发明属于一种激光雷达的探测方法，具体是一种基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达及其探测方法。

背景技术

风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和全球气候变化的能力。目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力。

基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达采用的是直接探测技术中的双边缘技术。目前国内利用边缘技术测风的有采用碘吸收技术来检测多普勒频移，但频率检测对温度的控制非常严格，且只能采用532nm波段，应用范围受到限制，并且处于人眼最敏感波段，不适合作为星载平台的载荷。基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达采用精密设计的双F-P标准具，自带恒温装置，同时利用PZT回馈电压调节F-P标准具的腔长锁定激光器的频率，可以探测对流层三维风场分布，能够为数值天气预报、全球气候研究和大气光学研究等方面提供可靠数据。

发明内容

本发明提出一种基于双F-P标准具的多普勒测风激光雷达结构和探测方法，采用双边缘技术直接探测对流层大气风场的分布。

本发明的技术方案如下：

基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达的结构，其特征在于光路中有Nd:YAG激光器，输出的激光分为二束，其中一束激光接入扩束镜，扩束镜后有一组平面反射镜组，接收望远镜镜筒焦点外安装有与水平方向呈45度的反射镜，另有一组相互平行、和水平方向呈45度角、镀1064nm波长全反的介质膜的平面反射镜组成的二维扫描单元，望远镜镜筒内的反射镜和位于其上方的二维扫描单元的平面反射镜平行，该二维扫描单元可以做水平旋转和垂直旋转；另一束激光经过光纤接入二合一光纤耦合器的输入端；望远镜镜筒的焦点处安装有光纤接收端口，该光纤也接入二合一光纤耦合器的输入端，二合一光纤耦合器的输出端通过光纤接到准直镜；准直镜后的光路中依次安装有滤光片、透反比为4∶1的分束片、F-P标准具，标准具的透射光路和分束片的反射光路中，均分别安装有一直角反射棱镜，每个直角反射棱镜的反射面两侧各安装有一个光子计数探测器，光子计数探测器的输出端接入数据采集与处理设备。

基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达的探测方法，其特征在于有中心波长为1064nm、脉冲重复频率为50Hz的Nd:YAG的激光器，输出的激光分为二束，其中一束经过扩束镜，再经过一组平面反射镜反射，到达接收望远镜镜筒焦点外安装的与水平方向呈45度的反射镜，反射进入相互平行、和水平方向呈45度角、镀1064nm波长全反的介质膜的平面反射镜组并向天空发射，该平面反射镜组可以做水平旋转和垂直旋转；另一束耦合进入光纤耦合器导入准直镜；望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤耦合器，由光纤导入到准直镜后成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由透反比为4∶1的分束片分成两部分，反射信号作为能量探测，由直角反射棱镜分成两束，分别由光子计数探测器接收；透射信号作为信号探测，经过双F-P标准具的两个通道后，由于透过率的不一样，得到强度不等的两束光信号，由直角反射棱镜分为两束，由相应的光子计数探测器接收，四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后，输入光子计数卡内，最后由工控机中的系统运行控制程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显示径向风速廓线、径向风速和水平风速随时间分布图。

采用本发明的方法的多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成。

激光发射单元(Nd:YAG激光器)、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。Nd:YAG激光器的中心波长是1064nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。脉冲重复频率为50Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。

二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。由两个镀有1064nm波长全反的介质膜的平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。通过软件控制或者手动调节能够全方位扫描，水平方向可以旋转0°至360°，垂直方向可以旋转0°至180°。

接收望远镜在二维扫描单元的正下方，有效通光口径为300nm，主镜镀有1064nm波长全反的介质膜，反射率高达99％。

控制柜内安装有工控机，其内安装的多普勒测风激光雷达的系统运行控制软件通过RS232串口控制激光器、二维扫描单元和双F-P标准具工作，起着系统的整体协调作用。控制柜内还有双F-P标准具的控制器CS100、二维扫描单元的控制器、门控装置以及同轴系统对光时使用的监视器和各部件的电源。

表1多普勒测风激光雷达主要技术参数

名称	参数值
		Nd:YAG波长/nm最大脉冲能量/mJ脉冲重复频率/Hz工作仰角/°望远镜直径/mm望远镜视场角/μrad滤光片带宽/nm标准具半宽/MHz标准具中心间隔/MHz探测器量子效率/％MCA采样速率/ns	106450050453001500.551702002200

多普勒测风基本原理

多普勒测风激光雷达的关键技术之一就是采用高分辨率的双F-P标准具，它在一对基板上通过镀膜或沉积方式形成两个面积和大小相同的半圆形干涉仪，根据镀膜的厚度可以形成标准具的两个通道频谱中心分离，形成透过率响应曲线的交叠。由于它们固定在一个基板上，双F-P标准具的两个通道的中心频率的相对位置受温度的漂移变化相同，可以保证标准具的频谱中心间隔大小恒定。

高精度高分辨率的双F-P标准具的两个通道Etalon-1和Etalon-2的频谱中心以一定的频率间隔分开，出射激光频率位于两个标准具频谱的交叉点处，发射激光被大气中运动的分子和气溶胶散射。由于多普勒效应，后向散射光的频谱相对于发射激光有一个频移并进入双F-P标准具检测系统。散射信号谱中的瑞利散射信号谱相对于多普勒频移和气溶胶谱宽很多，在测量的动态范围内可以近似看成均匀分布，即可以近似看成是一种均匀的背景噪声信号。如果多普勒为零或风速为零时，两个标准具的输出信号相平衡或相等；当米散射信号存在多普勒频移时，通过两个标准具的输出信号强度就会有差别，比较它们之间的差别大小就可以直接得到多普勒频移。

多普勒测风激光雷达结构

多普勒测风激光雷达是一个同轴系统，总体上分为激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分。

激光发射单元由激光器、平窗镜、扩束镜与激光发射调整装置组成。激光发射调整装置主要由三个导光的平面反射镜及其调整架组成，将发射激光导入至接收望远镜的光轴位置，并调节激光发射光轴与望远镜接收光轴平行。

二维扫描单元采用两平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。平面反射镜成45°角安装在水平旋转机构和垂直旋转机构上，垂直旋转机构和水平旋转机构之间转动连接，垂直旋转机构下端有转盘，水平旋转机构和垂直旋转机构均通过涡轮蜗杆传动机构驱动。

回波信号接收单元包括接收望远镜和后继光路，接收望远镜接收端口朝上放置，焦点位置放置光纤，将信号传输至后继光路。后继光路安置在一个密闭的箱体中，由准直镜、滤光片、分束片、Fabry-Perot标准具、两个直角分光棱镜、四个聚焦透镜和四个光学调整架组成。通过光学调整架调整光纤端面处于聚焦透镜的焦点位置。

信号探测和数据采集单元包括四个小型模块化的探测器和两个光子计数卡。探测器带FC卡头，聚焦后的信号光由光纤直接导入探测器阴极面。探测器带门控，可调节探测距离远近，光子计数卡安装在工控机主机的PCI插槽中。

控制单元包括系统运行控制软件、工控机、二维扫描单元控制器、Fabry-Perot标准具控制器CS100和门控装置。控制单元和调光使用的监视器、稳压电源以及各部件电源都安装在控制柜内。

测量方法

多普勒测风激光雷达向大气发射激光脉冲，由接收望远镜接收大气后向散射回波信号。由于风的作用或大气粒子的运动，接收的光信号包含气溶胶和分子散射，它们的频谱宽度不同，但是都产生相对于发射激光频率的多普勒频移，该多普勒频移直接与径向风速的关系为：

$V_r=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\mathrm{\Δv}$

式中，V_r是径向风速，λ是激光波长，Δv是多普勒频移。

进行常规探测时采用三波束法，水平方位依次按照0°、120°和240°三个方位探测。径向风速和发射激光方位、光束天顶角的关系，为

              V_r＝Vcosαsinθ

式中，V是水平风速大小，α是风速方位或激光雷达扫描方位角，θ是激光雷达天顶角。

本发明具有以下特点：

1)探测边界层和低对流层的风分布(0.3-10km左右)，具有多方面的应用潜力；

2)实现了白天和夜晚的连续运转，具有长期观测的能力，探测误差1m/s通常天气条件下，无论白天或夜晚，垂直探测的最大高度可达到8km，有卷云天气，探测高度能有所提高；

3)具有快速探测的特点，通常天气条件下，大气风场的探测周期约7分钟；

4)具有实用性、空间和时间分辨率高、测量精度高和覆盖空间范围。

附图说明

图1为本发明雷达结构示意图。

图2为双F-P标准具结构示意图。

图3为多普勒测风激光雷达的扫描方式。

图4为双F-P标准具透过率响应曲线。

图5为双Fabry-Perot标准具透过率响应曲线。

图6为2006年3月14日多普勒测风激光雷达探测到的信号PRR。

图7为2006年3月14日多普勒测风激光雷达探测到的径向风速分布。

图8为2006年3月14日多普勒测风激光雷达探测到的水平风速分布。

图9为多普勒测风激光雷达与微波雷达风速风向比较图。

具体实施方式

参见附图1，其中标号表示的含义为：1、反射镜，2、滤光片，3、分束片，4、直角反射棱镜，5、会聚透镜，6、光纤，7、二合一光纤耦合器。

测量的典型结果

双F-P标准具的透过率曲线的测量是通过系统运行控制软件的CS100控制子程序对其腔长大小的控制获得。图4是2005年4月27日19:04，500个脉冲累加平均测量得到的双F-P标准具的透过率曲线，通道一(实圆点)与通道二(虚圆点)的频谱中心间隔为228.2MHz，半宽度分别为205.0MHz和224.3MHz，实曲线与虚曲线分别为两通道的相应拟合曲线，其峰值透过率分别为73.7％和70.8％。

由于环境因素引起光学单元和电子器件的漂移，而且操作人员的活动可能引起接收机部件的振动而造成双F-P标准具的腔长漂移，以及激光器长时间工作引起频率的漂移，都对标准具透过率曲线的测量产生影响。为了检验双F-P标准具的性能，从2005年4月24日至2005年5月15日内，进行了8次测量，透过率响应曲线如图5，实曲线和虚曲线分别对应Etalon-1和Etalon-2的透过率响应曲线，相对误差分别为0.8％和0.6％。从图中可以看出，虽然时间相距21天，但是8组透过率响应曲线的重合度很好，说明系统的稳定性很好。

图6、图7和图8分别给出了2006年3月14日10:20至22:20连续12个小时探测得到的PR²、径向风速和合成水平风速分布图。对比可以看出当气溶胶信号比较强的时候，能够更好地反演出风速，图6中边界层约在2.25km左右，气溶胶主要分布在9.5km以下，13:00至17:00时间段，在12.5km左右有卷云分布。在图7径向风速分布中，能看到很好地反演出9.5km以下风速分布，图8的水平风速分布图中垂直探测高度可以达到7km，当有卷云的时候，也能在相应高度反演出风速大小。当日的风力约为3～4级，相当于地面风为6m/s-8m/s左右，图8中测量风速大小范围与之相符。

为了验证多普勒测风激光雷达的探测数据的可靠性，于2006年2月24日下午与微波雷达数据进行比较，图9是在16:01同时探测得到的一组对比结果。由于微波雷达的距离分辨率为300m，且对云水粒子的回波信号较强，因此仅获得5个可对比数据。图9(a)是测量的风速廓线比较图，点划线是多普勒测风激光雷达探测的风速廓线分布，圆圈是微波雷达测量的结果，二者的风速变化趋势基本一致，在5km以下完全吻合，5km以上风速分布也在微波雷达测量误差范围之内。图9(b)是风向大小比较图，可以看出微波雷达测量的5个点与多普勒测风激光雷达在相应高度测量得到的风向完全相同。充分证明了多普勒测风激光雷达测量数据的可靠性。同时，对对流层风场探测来说，多普勒测风激光雷达最低探测高度从0.28km开始，不存在盲区，且不需要云水粒子的强散射回波信号，距离分辨率是微波雷达的10倍，有着微波雷达不能比拟的优点。

Claims (2)

1、基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达的结构，其特征在于光路中有Nd:YAG激光器，输出的激光分为二束，其中一束激光接入扩束镜，扩束镜后有一组平面反射镜组，接收望远镜镜筒焦点外安装有与水平方向呈45度的反射镜，另有一组相互平行、和水平方向呈45度角、镀1064nm波长全反的介质膜的平面反射镜组成的二维扫描单元，望远镜镜筒内的反射镜和位于其上方的二维扫描单元的平面反射镜平行，该二维扫描单元可以做水平旋转和垂直旋转；另一束激光经过光纤接入二合一光纤耦合器的输入端；望远镜镜筒的焦点处安装有光纤接收端口，该光纤也接入二合一光纤耦合器的输入端，二合一光纤耦合器的输出端通过光纤接到准直镜；准直镜后的光路中依次安装有滤光片、透反比为4∶1的分束片、F-P标准具，标准具的透射光路和分束片的反射光路中，均分别安装有一直角反射棱镜，每个直角反射棱镜的反射面两侧各安装有一个光子计数探测器，光子计数探测器的输出端接入数据采集与处理设备。

2、基于F-P标准具的多普勒测风激光雷达的探测方法，其特征在于有中心波长为1064nm、脉冲重复频率为50Hz的Nd:YAG的激光器，输出的激光分为二束，其中一束经过扩束镜，再经过一组平面反射镜反射，到达接收望远镜镜筒焦点外安装的与水平方向呈45度的反射镜，反射进入相互平行、和水平方向呈45度角、镀1064nm波长全反的介质膜的平面反射镜组并向天空发射，该平面反射镜组可以做水平旋转和垂直旋转；另一束耦合进入光纤耦合器导入准直镜；望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤耦合器，由光纤导入到准直镜后成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由透反比为4∶1的分束片分成两部分，反射信号作为能量探测，由直角反射棱镜分成两束，分别由光子计数探测器接收；透射信号作为信号探测，经过双F-P标准具的两个通道后，由于透过率的不一样，得到强度不等的两束光信号，由直角反射棱镜分为两束，由相应的光子计数探测器接收，四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后，输入光子计数卡内，最后由工控机中的系统运行控制程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显示径向风速廓线、径向风速和水平风速随时间分布图。

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