CN202421211U - 多普勒测风激光雷达速度精确校准仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种多普勒测风激光雷达速度精确校准仪，本实用新型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和第二准直器后再经过另一路光纤传输到第二光纤耦合器的输入端，第一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器后，再与包含多普勒频移信号的散射光一起，分别经由第二光纤耦合器耦合后，到达激光雷达接收机进行信号分析与处理。本实用新型采用伺服电机与光电编码器组成的高精度伺服系统作为校准仪的控制系统，从而提高测量转速精度使得系统的最大速度偏差的理论值为0.4mm/s，最大相对误差为0.001％。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多普勒测风激光雷达速度精确校准仪，属于校准仪技术领域。
背景技术
近年来激光测风雷达作为一种测量工具被用于风速的测量，但风速测量中为了提高所测风速的准确度，需要通过一定的方法对所测量的风速进行校准，因此风速校准成为风速测量准确性的关键问题之一。国内有关速度校准的报道不多，中国环境监测总站高小晋等人曾对“速度场系数在烟气流速测定中的应用与研究”的课题进行了研究，提出了用参比方法对连续监测系统流速测定值进行流速校准。而涉及激光测风雷达测量风速过程中对速度进行校准的国内报道就更少了，青岛海洋大学的刘智深等在“激光雷达研制及其探测大气气溶胶的实验研究”一文中提到了风速校准的内容，但没有涉及本课题提出的研究内容和方法。目前从校准方法上来看，国内外通常的校准方法几乎都是进行对比实验，即与其它测量工具例如微波多普勒雷达、探空仪、声雷达或气球等进行对比实验，由于各种方法的测量结果自身也都会存在误差，因此这种校准方式只是一种粗略的校准。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决现有国内外通常的校准方法几乎都是进行对比实验，由于各种方法的测量结果自身也都会存在误差，因此这种校准方式只是一种粗略的校准的问题，进而提供一种多普勒测风激光雷达速度精确校准仪。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多普勒测风激光雷达速度精确校准仪，包括：第一光纤耦合器、光纤延时器、第二准直器、第一准直器、转盘、伺服电机及编码器、伺服控制器、微机、Nd:YAG激光器、激光雷达接收机、第二光纤耦合器、衰减器、第三准直器、可调衰减器、发射光阑和接收光阑，所述Nd:YAG激光器发出的脉冲光经过衰减器耦合到第三准直器上，第三准直器通过传导光纤与第一光纤耦合器的输入端相连接，脉冲光经过第一光纤耦合器后再经过光纤延时器和第一准直器，再经过发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和第二准直器后再经过另一路光纤传输到第二光纤耦合器的输入端，第一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器后，再与包含多普勒频移信号的散射光一起，分别经由第二光纤耦合器耦合后，到达激光雷达接收机进行信号分析与处理，激光雷达接收机的信号输出端与微机的信号输入端相连接，微机的信号输出端与Nd:YAG激光器的信号输入端相连接，伺服电机及编码器为一个整体，伺服电机的输出端与转盘相连接，伺服电机及编码器与伺服控制器相连接，伺服控制器通过信号线与微机相连接。
本实用新型具有以下优点：
1、测风激光雷达速度精确校准仪中采用了全光纤系统，整机的光学系统实现全光纤传输，避免了参考光对信号光的干扰。
2、在全光纤系统中采用了光纤延迟技术，即在信号光和参考光中使信号光通过100米光纤后再进入信号采集系统，从而使得信号光得到延迟，并有效实现参考光对信号光的分离。
3、采用伺服电机与光电编码器组成的高精度伺服系统作为校准仪的控制系统，从而提高测量转速精度使得系统的最大速度偏差的理论值为0.4mm/s，最大相对误差为0.001％。
4、将双边缘检测推广到光纤压力测试仪中，创造性的在光纤压力测试中提出了双边缘解调的方法，结果表明单边缘解调与双边缘解调相比，在0～6MPa范围内双边缘解调灵敏度是单边缘解调灵敏度的2～3倍。
5、提出了瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准的方法，并就理论依据和可行性进行了阐述，并力图通过比较等方法间接的得到气体分子的风速校准，为瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准提供了一种有效的途径。
附图说明
图1是本实用新型多普勒测风激光雷达速度精确校准仪的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本实施例所涉及的一种多普勒测风激光雷达速度精确校准仪，包括：第一光纤耦合器1、光纤延时器2、第二准直器3、第一准直器4、转盘5、伺服电机及编码器6、伺服控制器7、微机8、Nd:YAG激光器9、激光雷达接收机10、第二光纤耦合器11、衰减器12、第三准直器13、可调衰减器14、发射光阑15和接收光阑16，所述Nd:YAG激光器9发出的脉冲光经过衰减器12耦合到第三准直器13上，第三准直器13通过传导光纤与第一光纤耦合器1的输入端相连接，脉冲光经过第一光纤耦合器1后再经过光纤延时器2和第一准直器4，再经过发射光阑15以一定入射倾角照明转盘5的边缘，转盘5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16和第二准直器3后再经过另一路光纤传输到第二光纤耦合器11的输入端，第一光纤耦合器1的另一输入端产生的串扰信号作为参考光经过可调衰减器14后，再与包含多普勒频移信号的散射光一起，分别经由第二光纤耦合器11耦合后，到达激光雷达 接收机10进行信号分析与处理，激光雷达接收机10的信号输出端与微机8的信号输入端相连接，微机8的信号输出端与Nd:YAG激光器9的信号输入端相连接，伺服电机及编码器6为一个整体，伺服电机的输出端与转盘5相连接，伺服电机及编码器6与伺服控制器7相连接，伺服控制器7通过信号线与微机8相连接。
在多普勒测风激光雷达校准仪中激光入射和接收角度的确定是由多个因素构成的，当转盘半径、电机转速、光束直径、支架的宽度、风速测量范围等诸多客观因素被一一确定后，确立当多普勒校准仪中转盘半径为100mm、准直器到转盘的距离L＜50mm时，选取激光入射与接收方向的夹角＝25°、入射角＝20°。
本实用新型的基本原理是：激光雷达发出的激光束分别照射到软(随风一起运动的气溶胶)、硬运动的目标上，激光测风雷达系统接收机接收并检测多普勒散射光，并测量出散射信号的多普勒频移(径向速度)，运动硬目标速度是作为标准的，它是可知的，并且可以保障高精度的，这样就可以将照射到软目标上所得到的速度与硬目标速度比较，并得到软、硬目标的校准曲线，通过校准曲线来实现多普勒测风激光雷达速度精确较准。这种校准方法所依据原理的前提条件是激光气溶胶散射谱与激光硬目标的散射谱一致，根据前人实验结果报道，所采用的激光光谱宽度是60MHz，而对于0.01-0.1um半径的气溶胶粒子由于布郎运动而引起的多普勒展宽约为0.7KHz到0.7MHz，因此气溶胶散射对激光线宽的展宽作用完全可以忽略，因此这里所采用的这种等效目标是合理的。
本实用新型的意义还在于研制出一台多普勒激光雷达速度校准仪，所完成的校准仪提供了一个频率展宽与气溶胶展宽特性类似，速度精确已知，速度在±50m/s连续可调的校准装置；系统在国内率先采用了全光纤系统，由于采用全光纤器件搭建光路，系统具有全封闭性、高稳定性和结构紧凑的特点，易于对地基、机载和星栽测风激光雷达进行周期性校准；控制系统率先采用伺服系统后大大提升了测试系统的测量精度，系统中采用131072脉冲的高分辨率编码器大大提高了伺服电机旋转分辨率，实现平稳的机械转动。这一系统理论上最大速度偏差为0.4mm/s。线速度的最大相对误差为0.001％，如此高精度的校准仪在国内未见报道；开展了多项实验测试，先后完成了稳定性测试、时续 性测试，并在此基础上开展了速度校准测试，得到了理想的测试结果，实践表明研究路线合理、方法正确、样机性能稳定、精度高，实现了成果拓展，本实用新型将双边缘检测的方式推广到光纤压力测试仪中，创造性的在光纤压力测试中提出了双边缘解调的方式，并研制出双边缘解调的光栅光纤压力测试系统，在原课题的基础上提出了瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准的方法，并就理论依据和可行性进行了阐述，为瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准提供了一种有效的方法。
系统稳定性测试：
为了保障系统的稳定性和精确性，其电机与光电编码器采用国际先进的日本富士电机机器制御株式会社生产的富士伺服系统，采用这个系统后可以实现伺服系统分析功能、试运行功能、监控输出功能，系统结构紧凑，利用电脑编程器、触摸面板实现操作和显示。这种高分辨率编码器，采用131072脉冲的高分辨率编码器提高了伺服电机旋转分辨率，实现低速平稳的机械运动。因此我们第一个测试内容就是针对新搭建系统的稳定性的测试.我们选定500r/min，1000r/min，1500r/min，2000r/min，2500r/min3000r/min，3500r/min和4000r/min这8个速度进行了稳定性测试。
伺服电机的转速稳定性非常好，即交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整。
从测试的数据来看，伺服电机的偏差脉冲量最大为1个脉冲，即速度的相对误差最大为ΔV＝0.00274×2π÷360×0.1×5000÷60≈4×10-4米/秒。即最大速度偏差为0.0004m/s。线速度的最大相对误差为 
如此高的精度完全满足校准仪的精度要求。
Claims (1)
1.一种X多普勒测风激光雷达速度精确校准仪，包括：第一光纤耦合器、光纤延时器、第二准直器、第一准直器、转盘、伺服电机及编码器、伺服控制器、微机、Nd:YAG激光器、激光雷达接收机、第二光纤耦合器、衰减器、第三准直器、可调衰减器、发射光阑和接收光阑，其特征在于，所述Nd:YAG激光器发出的脉冲光经过衰减器耦合到第三准直器上，第三准直器通过传导光纤与第一光纤耦合器的输入端相连接，脉冲光经过第一光纤耦合器后再经过光纤延时器和第一准直器，再经过发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和第二准直器后再经过另一路光纤传输到第二光纤耦合器的输入端，第一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器后，再与包含多普勒频移信号的散射光一起，分别经由第二光纤耦合器耦合后，到达激光雷达接收机进行信号分析与处理，激光雷达接收机的信号输出端与微机的信号输入端相连接，微机的信号输出端与Nd:YAG激光器的信号输入端相连接，伺服电机及编码器为一个整体，伺服电机的输出端与转盘相连接，伺服电机及编码器与伺服控制器相连接，伺服控制器通过信号线与微机相连接。
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