CN215297681U - 可变焦高信噪比测风激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其包括光学天线，所述光学天线包括控制开关及多组变焦镜头，各组变焦镜头均朝向不同的方向。通过控制开关来控制探测激光在各组变焦镜头之间来回切换，有效提高探测激光出射角度改变的速度，进而提高风场探测的反应速度和实时性，而且可以通过调整变焦镜头的焦距，使得探测激光光强的空间分布发生改变。相比于传统的准直扩束镜头，探测激光的焦点发生后移，这样可以使得较远探测距离的大气回波信号更强，从而弥补由大气衰减造成远距离探测点处的激光光强和回波信号弱的缺点，有效提高测风激光雷达测探测距离和优化回波信号的信噪比。另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广使用。

Description

可变焦高信噪比测风激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及测风激光雷达系统技术领域，特别涉及一种可变焦高信噪比测风激光雷达系统。

背景技术

大气风场探测是人类研究大气动力学和气候变化的一个重要手段，其在风电、军事、环境，航空、气象以及海洋等诸多领域有着非常重要的作用。在风力发电的过程中，需要探测风机所处环境下的风场信息以及风场的演变过程，并反馈给风机的控制系统，这样可以提升风机的发电效率和降低风机损坏的几率。在军事应用领域，人员和装备伞降以及火炮射击等军事活动的气象保障都需要通过大气风场探测来实现。在航空飞机的起降过程中，近地面的风场信息的探测可以保障飞行安全。在气象预报中，由精准大气风场信息，可以更加准确的预测未来天气，尤其是对台风天气的预测。

目前，大气探测的主要手段有风向标、超声测风、微波测风雷达和测风激光雷达。其中，风向标和超声测风装置都只能测量探测器所在位置处的局部风场信息，常需要与测风塔配合使用，其整个系统的成本高，而且获得的风场信息量少。微波测风雷达广泛应用于军事领域，其测风精准度受限于天气情况，在晴天的情况下，微波测风雷达探测性能较差。然而，测风激光雷达其采用波长较短的红外激光，通过探测大气分子和气溶胶的散射信号来实现风信号的探测，探测性能受天气影响小，并且具有很高的时间和空间分辨率。

目前，应用最为广泛的测风激光雷达是基于多普勒相干探测原理的测风激光雷达。测风激光雷达利用单频激光本振光信号与大气气溶胶对脉冲激光后向散射信号做外差探测，通过检测多普勒差频信息计算视线风速，进一步反演得到风场信息，通过计算脉冲激光的收发时间延迟来获得探测点所在位置，其具有较高的时间和空间的分辨率。由于脉冲激光雷达的单脉冲能量较大，其适合远距离的风场探测，一般的探测范围在60m至8000m。然而，对于远距离的探测都需要较高输出功率的脉冲光纤激光器作为光源，这样大大提升了雷达系统的制造成本。测风激光雷达一般采用收发一体的光学系统，将光纤激光器输出端面的激光进行准直和扩束，最终以平行光出射到大气中。测风激光雷达的探测过程中，随着探测距离门的增大，信号的强度逐渐衰减。尤其当大气中的粉尘和气溶胶溶度较大时，信号的强度衰减率也加大，使得测风激光雷达的探测信噪比减小。这样容易造成其测风性能失效，有效探测距离缩短。

公开号“CN210487989U”，名称为“一种测风激光雷达系统”的实用新型公开了一种测风激光雷达系统，其的收发光学系统由望远镜和楔形棱镜构成，通过该光学系统来实现对激光束的扩大和准直并向待测空气中出射。利用该技术来探测不同距离的风场信息，由于探测激光束为平行光束，因此随着探测距离门的增大，信号的强度逐渐衰减，探测信噪比逐渐减小，有效探测距离较短。另外，为了改变探测激光的出射方向，该技术通过机械电机转动的扫描方式来实现，其反应速度有限，风场探测的实时性会受到限制，同时该扫描方式会给伺服组件带来磨损，使得雷达寿命缩短。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型的目的在于，提供一种探测精度高，探测距离远，研制成本低的可变焦高信噪比测风激光雷达系统。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案是：

一种可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其包括光学天线，所述光学天线包括控制开关及多组分别与该控制开关相连接并受其控制的变焦镜头，各组变焦镜头均朝向不同的方向。即各组变焦镜头的探测激光出射角度不同。

作为本实用新型的一种优选方案，所述变焦镜头的数量为四组。

作为本实用新型的一种优选方案，所述变焦镜头包括可伸缩镜筒及至少两片镀有增透膜的镜片，所述镜片设置在可伸缩镜筒内，并在可伸缩镜筒作伸缩动作时能相应调整镜片之间的距离。当大气的衰减强度较大时，在距离测风激光雷达较远处探测点的回波信号减弱时，可以通过调节可伸缩镜筒的伸缩，使得各镜片之间的间距发生改变，与此同时，变焦镜头的焦距也会发生改变，使激光的焦点朝着探测点附近移动，这样可以改变激光光强的空间分布，从而提高激光能量的利用率和回波信号的强度，提高整个光束测风的平均信噪比。

作为本实用新型的一种优选方案，所述变焦镜头的焦距大于五米。

作为本实用新型的一种优选方案，所述控制开关为光开关。

作为本实用新型的一种优选方案，其还包括脉冲光纤激光器模块、平衡探测模块、信号处理模块和环形器，所述控制开关分别与环形器和各组变焦镜头相连接构成光路控制及收发模块，所述脉冲光纤激光器模块生成的脉冲激光通过光路控制及收发模块出射到大气中；所述脉冲光纤激光器模块输出的本振光进入到平衡探测模块中；与此同时，大气中气溶胶射信号通过光路控制及收发模块进入平衡探测模块，并且与本振光产生拍频光信号；所述平衡探测模块再将拍频光转化为射频电信号，最后由信号处理模块对射频电信号进行采集和处理。

作为本实用新型的一种优选方案，所述脉冲光纤激光器模块包括种子源激光器、光纤分束器、声光调制器和光纤放大器；所述种子源激光器、光纤分束器、声光调制器和光纤放大器依次相连接。为了提高激光雷达隔离度，所述声光调制器采用两个声光调制器的级联形式，这样可以提高声光调制的通断消光比。

作为本实用新型的一种优选方案，所述平衡探测模块包括光耦合器和平衡探测器。光耦合器的两个输出端口分别连接到平衡探测器的输入端口，所述平衡探测模块使得测风激光雷达系统对大气回波信号与本振光进行拍频处理，并且产生多普勒频移的电信号。

作为本实用新型的一种优选方案，所述信号处理模块包括数据采集卡及与该数据采集卡相连接的信号处理板。所述信号处理模块使得平衡探测器产生的多普勒频移信号得到采集、处理。所述信号处理模块可以控制光开关实现光路的切换，同时控制声光调制器将连续光转化为脉冲光。

本实用新型的有益效果为：本实用新型结构设计合理，设有多组朝向不同的方向的变焦镜头，通过控制开关来控制探测激光在多组不同出射角度的变焦镜头之间来回切换，有效提高探测激光出射角度改变的速度，进而提高风场探测的反应速度和实时性，而且可以通过调整变焦镜头的焦距，使得测风激光雷达探测激光光强的空间分布发生改变。相比于传统的准直扩束镜头，探测激光的焦点发生后移，这样可以使得较远探测距离的大气回波信号更强，从而弥补由大气衰减造成远距离探测点处的激光光强和回波信号弱的缺点，有效提高测风激光雷达测探测距离，可以打破测风激光雷达的输出激光功率限制探测距离的瓶颈问题，同时可以降低测风激光雷达的研发成本。另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广使用。

下面结合附图与实施例，对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图2为本实用新型中实施例1与对比例1的信号对比图。

具体实施方式

参见图1，本实施例提供的一种可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其包括脉冲光纤激光器模块1、平衡探测模块2、信号处理模块3和光路控制及收发模块4。

所述脉冲光纤激光器模块1生成的脉冲激光通过光路控制及收发模块4出射到大气中；所述脉冲光纤激光器模块1输出的本振光进入到平衡探测模块2 中；与此同时，大气中气溶胶射信号通过光路控制及收发模块4进入平衡探测模块2，并且与本振光产生拍频光信号；所述平衡探测模块2再将拍频光转化为射频电信号，最后由信号处理模块3对射频电信号进行采集和处理。

所述光路控制及收发模块4包括环形器41和光学天线，所述光学天线包括控制开关及多组分别与该控制开关相连接并受其控制的变焦镜头42，各组变焦镜头42均朝向不同的方向。即各组变焦镜头42的探测激光出射角度不同。所述控制开关分别与环形器41和各组变焦镜头42相连接。所述控制开关优选为光开关43。

本实施例中，所述变焦镜头42的数量优选为四组，其他实施例中，该变焦镜头42的数量也可以为三组、五组或更多组。设有多组朝向不同的方向的变焦镜头42，通过控制开关来控制探测激光在多组不同出射角度的变焦镜头42之间来回切换，有效提高探测激光出射角度改变的速度，进而提高风场探测的反应速度和实时性，而且可以通过调整变焦镜头42的焦距，使得测风激光雷达探测激光光强的空间分布发生改变。

具体的，所述变焦镜头42包括可伸缩镜筒及至少两片镀有增透膜的镜片，所述镜片镶嵌设置在可伸缩镜筒的镜筒内，并在可伸缩镜筒作伸缩动作时能相应调整镜片之间的距离。通过可伸缩镜筒的伸缩来调节各镜片之间的距离。所述变焦镜头42的焦距大于五米，即变焦镜头42的焦距调节范围为五米至无穷远。通过改变变焦镜头42的焦距，使得测风激光雷达探测激光光强的空间分布发生改变，这样可以实现较远探测距离的大气回波信号增强，从而弥补由大气衰减造成远距离探测点处的激光光强和回波信号弱的缺点。同时可以根据不同天气情况，利用不同的焦距来优化回波信号的信噪比。

当大气的衰减强度较大时，在距离测风激光雷达较远处探测点的回波信号减弱时，可以通过调节可伸缩镜筒的伸缩，使得各镜片之间的间距发生改变，与此同时，变焦镜头42的焦距也会发生改变，使激光的焦点朝着探测点附近移动，这样可以改变激光光强的空间分布，从而提高激光能量的利用率和回波信号的强度，提高整个光束测风的平均信噪比。

具体的，所述脉冲光纤激光器模块1包括种子源激光器11、光纤分束器 12、声光调制器13和光纤放大器14。为了提高激光雷达隔离度，所述声光调制器13采用两个声光调制器13的级联形式，这样可以提高声光调制的通断消光比。所述平衡探测模块2包括光耦合器21和平衡探测器22。所述信号处理模块3包括数据采集卡31及信号处理板32。

参见图1，所述种子源激光器11的输出端连接光纤分束器12的输入端；光纤分束器12具有两个输出端：其中一个输出端连接声光调制器13的输入端，另一个输出端连接到光耦合器21的第一输入端；声光调制器13的输出端连接光纤放大器14的输入端，再由光纤放大器14输出脉冲激光到环形器41的(1) 端。所述环形器41的(2)号端口连接光开关43的输入端口，环形器41的(3) 号端口连接到光耦合器21的第二输入端；光开关43的输出系列端口分别连接到对应的四个变焦镜头42。所述光耦合器21的两个输出端口同时连接到平衡探测器22的输入端。所述平衡探测器22的输出端口连接数据采集卡的输入端口，数据采集卡的控制信号输出端口连接光开关43的信号输入端口，数据采集卡的控制信号输出端口连接声光调制器13的信号输入端口，数据采集卡的信号输出端口连接数据处理板的信号输入端口。

工作时，种子源激光器11出射的连续激光，经由分束器分为两束信号光，其中一束信号光作为待调制信号光被传输到声光调制器13的输入端，另一束信号光作为本振光被传输到光耦合器21的输入端。声光调制器13对本振信号光进行调制，使其变为脉冲信号光并且产生频移。由光纤放大器14对脉冲光信号进行放大处理，放大后的脉冲光信号被传输至环形器41的(1)端口，再由环形器41的(2)端口输出至光开关43的输入端，光开关43由数据采集卡发出时序逻辑电平控制，使得脉冲光信号从四个变焦镜头42中的其中一个变焦镜头输出到大气中，大气对脉冲光信号产生后向散射，后向散射光信号也称回波信号由同一个变焦镜头接收并回到光开关43的输入端，再由环形器41的 (2)端口输入到环形器41，环形器41将回波信号由其的(3)端口输出至光耦合器21的输入端。光耦合器21将该回波信号和另一输入端口接收到的本振光耦合到平衡探测器22的两个输入端口，在此过程中完成回波信号与本振光的拍频。平衡探测器22对拍频的光信号进行探测，将光信号转化为与大气运动速度有关的多普勒频移信号。该频移信号由平衡探测器22的输出端口进入到数据采集卡31的输入端口，数据采集卡31对频移信号进行模数转换将其转化为数字信号，最后输出到信号处理板32中。信号处理板32将数字信号进行算法处理，获得该时刻变焦镜头42对应的视线风速信息。接下来，数据采集卡31发出时序脉冲去实现光开关43的光路切换到另一个变焦镜头，重复以上的工作流程。直到四个变焦镜头的视线风速都被信号处理板32收集，再由软件算法算出对应的合成风场信息。同时，根据探测距离和大气消光度，来调节四个变焦镜头42的聚焦间距来优化回波信号的信噪比，从而提高激光能量的利用率和回波信号的强度，提高整个光束测风的平均信噪比。

实施例1：

为了验证本实用新型可变焦高信噪比测风激光雷达系统的实用性，本实施例利用多组变焦镜头作为测风激光雷达的光学天线，具体步骤如下：

(1)按照图1所示结构进行搭建测试链路；

(2)开启种子源激光器11，调节其输出功率在30mw～40mw之间；

(3)启动声光调制器13、光纤放大器14、光开关43和平衡探测器22；

(4)启动信号处理模块3，并发送脉宽200ns、重复频率20kHz的脉冲调制信号给声光调制器13，并且声光调制器13能够产生80MHz的频移，从而声光调制器13输出脉冲激光，其脉宽为200ns、重复频率为20kHz。同时信号处理模板3发送时序脉冲给光开关43，控制光开关的光路切换；

(5)通过信号处理板32发送驱动信号至光纤放大器14调节输入电流，使其输出功率为25mw的脉冲激光；

(6)调节变焦镜头的焦距为400m，使输出激光的焦点处于镜头组前方400m 处。通过信号处理输出显示终端查看测风激光雷达的风廓线功率谱，其最远探测距离为700m。

对比例1：

其与实施例1的区别在于变焦镜头的焦距为无穷大，使得激光输出平行光束，具体的操作步骤如下：

(1)开启种子源激光器11，调节其输出功率在30mw～40mw之间；

(2)启动声光调制器13、光纤放大器14、光开关43和平衡探测器22；

(3)启动信号处理模块3，并发送脉宽200ns、重复频率20kHz的脉冲调制信号给声光调制器13，并且声光调制器13能够产生80MHz的频移，从而声光调制器13输出脉冲激光，其脉宽为200ns、重复频率为20kHz。同时信号处理模块3发送时序脉冲给光开关43，控制光开关43的光路切换；

(4)调节光纤放大器14的输入电流，使其输出功率为25mw的脉冲激光；

(5)调节变焦镜头的焦距为无穷大，使输出激光的焦点处于镜头组前方无穷远处，此时变焦镜头输出平行光束。通过信号处理输出显示终端查看测风激光雷达的风廓线功率谱，其最远探测距离仅为70m。

参见图2，图2中的两个散点信号分别为变焦镜头的焦距为400米和激光以平行光束出射时，雷达接收到最远探测距离处(分别为700米处和70米处) 的回波频谱信号。由散点图可得变焦镜头的间距为400米时在更远距离处的探测信号的强度更强，由此说明探测激光的焦点发生后移，可以提高雷达接收到的大气回波信号的信噪比，同时可以增加雷达探测距离。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构的系统，均在本实用新型保护范围内。

Claims (9)

1.一种可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其包括光学天线，其特征在于，所述光学天线包括控制开关及多组分别与该控制开关相连接并受其控制的变焦镜头，各组变焦镜头均朝向不同的方向。

2.根据权利要求1所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述变焦镜头的数量为四组。

3.根据权利要求1所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述变焦镜头包括可伸缩镜筒及至少两片镀有增透膜的镜片，所述镜片设置在可伸缩镜筒内，并在可伸缩镜筒作伸缩动作时能相应调整镜片之间的距离。

4.根据权利要求1所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述变焦镜头的焦距大于五米。

5.根据权利要求1所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述控制开关为光开关。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，其还包括脉冲光纤激光器模块、平衡探测模块、信号处理模块和环形器，所述控制开关分别与环形器和各组变焦镜头相连接构成光路控制及收发模块，所述脉冲光纤激光器模块生成的脉冲激光通过光路控制及收发模块出射到大气中；所述脉冲光纤激光器模块输出的本振光进入到平衡探测模块中；与此同时，大气中气溶胶射信号通过光路控制及收发模块进入平衡探测模块，并且与本振光产生拍频光信号；所述平衡探测模块再将拍频光转化为射频电信号，最后由信号处理模块对射频电信号进行采集和处理。

7.根据权利要求6所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述脉冲光纤激光器模块包括种子源激光器、光纤分束器、声光调制器和光纤放大器；所述种子源激光器、光纤分束器、声光调制器和光纤放大器依次相连接。

8.根据权利要求6所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述平衡探测模块包括光耦合器及与该光耦合器相连接的平衡探测器。

9.根据权利要求6所述的可变焦高信噪比测风激光雷达系统，其特征在于，所述信号处理模块包括数据采集卡及与该数据采集卡相连接的信号处理板。

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