CN212675160U - 一种二维扫描激光测风雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种二维扫描激光测风雷达，包括光学扫描球、光学系统、伺服稳定平台与电子舱基座；光学系统包括光学收发天线、激光发射机、相干探测接收机、系统电源、信号处理机，用于发射激光和接收回波信，并对信号进行处理；光学扫描球由前盖、后盖和激光发射窗口组成，将光学系统集成与光学扫描球内，并安装于伺服稳定平台俯仰轴上；所述伺服稳定平台包括俯仰驱动和方位驱动，安装于电子舱基座上，对光学扫描球的扫面范围进行确定，电子舱基座与不同的接口对接，实现信息交换；本实用新型具有体积小、重量轻、结构紧凑、模块化、维修简易、小功耗远距离探测，精度高，多功能，环境适应性强。
Description
技术领域
本实用新型属于脉冲激光相干探测技术领域，涉及一种二维扫描激光测风雷达，实现激光测风雷达的小型化、机动化。
背景技术
现有的激光测风雷达为了实现扫描空域的多维性、功能的多样性，更好的利用脉冲激光相干探测技术，都采用了二维扫描反射转镜结构。从光学天线出射的探测光束通过方位反射转镜实现了光束在水平方向的360o改变，再通过俯仰反射转镜实现了光束在垂直于水平方向的360o改变，从而实现多维度的探测。但这种转镜扫描方式探测光束需要经过两次反射，一方面会衰减出射光束的能量，从而不能探测到更远距离的风数据；另一方面复杂的反射镜结构形式使探测的影响因素变多，精度变差，从而影响反演数据的精度。
发明内容
(一)发明目的
本实用新型的目的是：针对上述现有技术的不足之处，提供一种二维扫描激光测风雷达，让发射激光的衰减更小，探测精度更高，数据更准确。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种二维扫描激光测风雷达，其包括：光学扫描球1、伺服稳定平台2和电子舱基座3；光学扫描球1安装于伺服稳定平台2上，伺服稳定平台2上设置有俯仰驱动机构21和方位驱动机构22，光学扫描球1通过俯仰驱动机构21安装在伺服稳定平台2上，伺服稳定平台2通过方位驱动机构22安装在电子舱基座3上；光学扫描球1用于发射激光，在指定的探测区域内通过接收空气中随风漂移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干拍频，完成对回波信号的处理；通过控制伺服稳定平台2 动作来控制光学扫描球1进行0到90°纵向俯仰及0到360°的方位运动，实现上半球空域任意方位的精细化扫描。
其中，所述光学扫描球1浇铸成球形结构。
其中，所述光学扫描球1前后1/3部分为可拆卸前盖11与后盖 12，前盖11中央位置安装有激光进出窗口13，用于发射激光和接收散射回波信号。
其中，所述俯仰驱动机构21安装于光学扫描球1的两侧，起到调节光学扫描球1纵向转动以及固定支撑的作用，方位驱动机构22 安装于电子舱基座3的上方，为雷达提供360°圆周转动，有效解决了原有雷达中使用多片光学反射镜，提高了光学效率。
其中，所述俯仰驱动机构21和方位驱动22机构均采用伺服电机驱动控制工作。
其中，所述光学扫描球1内部集成有光学系统4，光学系统4安装于伺服稳定平台2的俯仰轴上；光学系统4包括激光发射机41、相干探测接收机42、光学收发天线43、信号处理机44和系统电源 45；系统电源45为整个系统提供工作必须的电源，激光发射机41对光源进行调制与放大，光学接收天线43将激光通过激光进出窗口13 发射出去，当激光与空气中的气溶胶相遇，产生的散射回波信号通过光学接收天线43接收，传送至相干探测接收机42号进行降噪处理并生成光电信号，信号处理机44对光电信号进行进行信号采样、距离门划分频谱处理和阈值的选取流程，最终通过反演的方式得到所需的风廓线、侧风、迎头风与水平风信息。
其中，所述激光发射机41输出的激光有90％输出到声光调制器，用于发射激光；另10％作本振光，对回波信号进行相干拍频。
其中，所述相干探测接收机42包括光学环行器、光纤耦合器和平衡探测器；其中的光学环行器利用激光的偏振特性实现发射光与信号光的分离，光纤耦合器将本振光与信号光进行合路连接后按照50： 50进行分光，并将等比光输入到光电探测器中以消除或抑制信号所带的噪声，以提高信噪比。
其中，所述电子舱基座3配置有AC-DC电源板31、雷达中控32 和进出接线口33，雷达中控32控制整个雷达发射激光和信息输入与输出，电子舱基座3上安装有信息转换进出接线口33，与外部PC连接以实现对雷达的控制以及信息实时导出；AC-DC电源板31实现交流与直流的转换。
其中，所述电子舱基座3上还设置有扶手34和安装孔35，用于搬运设备和安装与固定。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的二维扫描激光测风雷达，促进了相干探测技术的小型化、便携性、多功能、低功率、高测程，开辟了激光测风雷达的新方向，新方式。与现有技术相比，最大的优势就是实现了光学系统的独立性，便于进行独立安装、独立调试，直接探测，减小激光发射功率的衰减。实现激光器功率小、整机功耗低，测程不减的新方式。新型二维扫描转台的伺服平台外观简洁，美观，外形动力学性能好，可实现地基，舰载，机载等多平台安装，接口简单。新型二维扫描激光测风雷达还可根据应用领域不同实现控制算法的简单开发，多用途工作。新型二维扫描激光测风雷达的光学系统独立安装于扫描球内，具有较好的气密性。因此可实现多地域使用，维护简单，便于携带等特点。
附图说明
图1是一种新型扫描激光测风雷达结构的总体图。
图2是图1光学扫描球内部光学系统结构示意图。
图3是图1扫描方向驱动控制结构剖面示意图。
图4是图1的电子仓基座内部结构剖面示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1和图3所示，本实用新型二维扫描激光测风雷达包括：光学扫描球1、伺服稳定平台2和电子舱基座3；光学扫描球1安装于伺服稳定平台2上，伺服稳定平台(2)上设置有俯仰驱动机构(21)和方位驱动机构(22)，光学扫描球1通过俯仰驱动机构(21)安装在伺服稳定平台(2)上，伺服稳定平台(2)通过方位驱动机构(22)安装在电子舱基座3上；光学扫描球1用于发射激光，在指定的探测区域内通过接收空气中随风漂移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干拍频，完成对回波信号的处理；通过控制伺服稳定平台(2)动作来控制光学扫描球(1)进行0到90°纵向俯仰及0到360°的方位运动，实现上半球空域任意方位的精细化扫描。
上述伺服稳定平台2作为二维扫描转台，实现发射激光的直接二维扫描，进而实现激光测风雷达的直接探测。
所述光学扫描球1浇铸成球结构，保证光学舱具有较好的气密性。
所述光学扫描球1前后1/3部分为可拆卸前盖11与后盖12，前盖11 中央位置安装有激光进出窗口(13)，用于发射激光和接收散射回波信号；后盖12兼做光纤放大器，将调制输入的种子脉冲进行放大，对雷达探测距离起到调节作用。
俯仰驱动机构21安装于光学扫描球1的两侧，起到调节光学扫描球1纵向转动以及固定支撑的作用，方位驱动机构22安装于电子舱基座3的上方，为雷达提供360°圆周转动，有效解决了原有雷达中使用多片光学反射镜，提高了光学效率。所述俯仰驱动机构21和方位驱动 22机构均采用伺服电机驱动控制工作。
如图2所示，是光学扫描球1内部所集成的光学系统4的结构示意图，光学系统4集成于光学扫描球1内，并安装于伺服稳定平台2的俯仰轴上；光学系统4包括激光发射机41、相干探测接收机42、光学收发天线43、信号处理机44和系统电源45；系统电源45为整个系统提供工作必须的电源，激光发射机41对光源进行调制与放大，光学接收天线43将激光通过激光进出窗口(13)发射出去，当激光与空气中的气溶胶相遇，产生的散射回波信号通过光学接收天线43接收，传送至相干探测接收机42号进行降噪处理并生成光电信号，信号处理机44对光电信号进行进行信号采样、距离门划分频谱处理和阈值的选取等流程，最终通过反演的方式得到所需的风廓线、侧风、迎头风与水平风信息等。
所述激光发射机41根据需求调制出对应的激光脉冲波形，并对其进行放大与发射，同时还为相干拍频提供本振光源。激光发射机(41) 输出的激光有90％输出到声光调制器，用于发射激光；另10％作本振光，对回波信号进行相干拍频。
所述相干探测接收机42主要由光学环行器、光纤耦合器和平衡探测器等组成，其中的光学环行器主要是利用激光的偏振特性实现发射光与信号光的分离，光纤耦合器是将本振光与信号光进行合路连接后按照50：50进行分光，并将等比光输入到光电探测器中以消除或抑制信号所带的噪声，以提高信噪比。
图4所示是该测风雷达的电子舱基座内部结构剖面示意图，其电子舱基座3配置有AC-DC电源板31、雷达中控32和进出接线口33，雷达中控32控制整个雷达发射激光和信息输入与输出，电子舱基座3上安装有信息转换进出接线口33，可与外部PC连接以实现对雷达的有效控制以及信息实时导出；AC-DC电源板31可有效地实现交流与直流的快捷转换。
所述进出接线口33是有多种接线口，可以连接多种设备，实现信息的全方位、多角度的交流。电子舱基座3上还设置有扶手(34)和安装孔(35)，可用于搬运设备和安装与固定。
本实用新型采用模块化的设计方式，将各部件分区域集成；将激光发射机41、相干接收机42、光学收发天线43、信息处理机44、系统电源45等集约整合为一体，将光学系统4进行独立，装入新型二维扫描转台；通过控制新型二维扫描转台，实现激光测风的直接探测；新设计光学扫描球1具有较好的气密性，可具备对上半球空域任意方向上的探测能力以及不同的扫描方式，同时也具有更远的探测能力。
本实用新型有效解决了原有侧风雷达扫描系统中需要多片光学反射镜，因而系统光学效率得到了较大提升；采用二轴光电扫描球1，在二轴扫描伺服电机驱动下实现纵向和圆周方向的运动，新型二维扫描转台的伺服平台外观简洁，美观，外形动力学性能好，可实现地基，舰载，机载等多平台安装，接口简单，同时该雷达具有便携性、多功能、低功率、高测程等特点，开辟了激光测风雷达的新方向，新方式。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种二维扫描激光测风雷达，其特征在于，包括：光学扫描球(1)、伺服稳定平台(2)和电子舱基座(3)；光学扫描球(1)安装于伺服稳定平台(2)上，伺服稳定平台(2)上设置有俯仰驱动机构(21)和方位驱动机构(22)，光学扫描球(1)通过俯仰驱动机构(21)安装在伺服稳定平台(2)上，伺服稳定平台(2)通过方位驱动机构(22)安装在电子舱基座(3)上；光学扫描球(1)用于发射激光，在指定的探测区域内通过接收空气中随风漂移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干拍频，完成对回波信号的处理；通过控制伺服稳定平台(2)动作来控制光学扫描球(1)进行0到90°纵向俯仰及0到360°的方位运动，实现上半球空域任意方位的精细化扫描。
2.如权利要求1所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述光学扫描球(1)浇铸成球形结构。
3.如权利要求2所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述光学扫描球(1)前后1/3部分为可拆卸前盖(11)与后盖(12)，前盖(11)中央位置安装有激光进出窗口(13)，用于发射激光和接收散射回波信号。
4.如权利要求3所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述俯仰驱动机构(21)安装于光学扫描球(1)的两侧，起到调节光学扫描球(1)纵向转动以及固定支撑的作用，方位驱动机构(22)安装于电子舱基座(3)的上方，为雷达提供360°圆周转动，有效解决了原有雷达中使用多片光学反射镜，提高了光学效率。
5.如权利要求4所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述俯仰驱动机构(21)和方位驱动机构(22)均采用伺服电机驱动控制工作。
6.如权利要求5所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述光学扫描球(1)内部集成有光学系统(4)，光学系统(4)安装于伺服稳定平台(2)的俯仰轴上；光学系统(4)包括激光发射机(41)、相干探测接收机(42)、光学收发天线(43)、信号处理机(44)和系统电源(45)；系统电源(45)为整个系统提供工作必须的电源，激光发射机(41)对光源进行调制与放大，光学收发天线(43)将激光通过激光进出窗口(13)发射出去，当激光与空气中的气溶胶相遇，产生的散射回波信号通过光学收发天线(43)接收，传送至相干探测接收机(42)号进行降噪处理并生成光电信号，信号处理机(44)对光电信号进行进行信号采样、距离门划分频谱处理和阈值的选取流程，最终通过反演的方式得到所需的风廓线、侧风、迎头风与水平风信息。
7.如权利要求6所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述激光发射机(41)输出的激光有90％输出到声光调制器，用于发射激光；另10％作本振光，对回波信号进行相干拍频。
8.如权利要求7所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述相干探测接收机(42)包括光学环行器、光纤耦合器和平衡探测器；其中的光学环行器利用激光的偏振特性实现发射光与信号光的分离，光纤耦合器将本振光与信号光进行合路连接后按照50：50进行分光，并将等比光输入到光电探测器中以消除或抑制信号所带的噪声，以提高信噪比。
9.如权利要求8所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述电子舱基座(3)配置有AC-DC电源板(31)、雷达中控(32)和进出接线口(33)，雷达中控(32)控制整个雷达发射激光和信息输入与输出，电子舱基座(3)上安装有信息转换进出接线口(33)，与外部PC连接以实现对雷达的控制以及信息实时导出；AC-DC电源板(31)实现交流与直流的转换。
10.如权利要求9所述的二维扫描激光测风雷达，其特征在于，所述电子舱基座(3)上还设置有扶手(34)和安装孔(35)，用于搬运设备和安装与固定。
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