CN216485509U - 基于单光束探测的手持式测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本公开是关于小型化基于单光束探测的手持式测风激光雷达。包括：脉冲光纤激光器模块、光信号收发模块、平衡探测模块、信号处理模块；所述脉冲光纤激光器模块产生本振激光以及第一脉冲激光；光信号收发模块将所述第一脉冲激光出射到大气中，并接收大气散射回波信号；平衡探测模块用于将由本振激光与回波信号干涉而产生的拍频光信号转化为射频电信号；信号处理模块实时采集所述射频电信号并对其进行信号处理，以得到所述大气中的风场信息。本实用新型能够优化整个雷达系统的体积、重量以及光学链路的插入损耗。

Description

基于单光束探测的手持式测风激光雷达

技术领域

本公开涉及激光雷达大气遥感技术领域，尤其涉及基于单光束探测的手持式测风激光雷达。

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。目前，大气风场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。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，显然，以上几种风场探测方式中，激光雷达探测方式的可靠性更高。

测风激光雷达的是通过激光探测不同出射方向上的视线风速，从而通过风速反演算法获得三维风场信息的，为了获得不同方向出射的激光束，光学天线需要采用特定的形式。目前，测风激光雷达主流的光学天线结构形式主要有三种，其一为由光开关控制多镜头的天线收发形式，其二为单镜头-楔形棱镜机械扫描式，其三为单镜头-双反射镜机械扫描式。以上形式的光学天线都能够很好的实现雷达激光束出射方向的变化，但是，由于其光学结构和伺服系统的复杂性，使得整个雷达系统的小型化受到阻碍。同时由于光开关、楔形棱镜以及双反射镜的引入为光学链路带来较大的插入损耗，对回波信号的接收影响较大。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种基于单光束探测的手持式测风激光雷达，通过调整优化光学天线的组成形式，来优化整个雷达系统的体积、重量以及光学链路的插入损耗。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供基于单光束探测的手持式测风激光雷达，包括：脉冲光纤激光器模块、光信号收发模块、平衡探测模块、信号处理模块；

所述脉冲光纤激光器模块，用于产生本振激光以及第一脉冲激光，将所述第一脉冲激光输出给所述光信号收发模块，并将所述本振激光输出给所述平衡探测模块；

所述光信号收发模块，用于将所述第一脉冲激光出射到大气中，并接收大气中气溶胶对所述第一脉冲激光的大气散射回波信号并将其输出给所述平衡探测模块；

所述平衡探测模块，用于对所述回波信号进行相干平衡探测，将由所述本振激光与回波信号干涉而产生的拍频光信号转化为射频电信号；

所述信号处理模块，用于实时采集所述射频电信号并对其进行信号处理，以得到所述大气中的风场信息。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型中的基于单光束探测的手持式测风激光雷达系统，其光信号收发模块采用简单的单光束镜头作为光学天线并结合姿态传感器，通过姿态传感器检测回波信号的方向。这样可以使传统测风激光雷达光学天线体积大、结构重的问题得到解决。并且通过手持的方式即可正常工作，为测风激光雷达开辟了新的应用场景。

在一个实施例中，所述光信号收发模块包括：环形器、光学天线、姿态传感器；

所述环形器的第一端连接所述脉冲光纤激光器模块的第一脉冲激光输出端，第二端连接所述光学天线的输入端，第三端连接所述平衡探测模块；

所述光学天线的输出端指向大气；所述光学天线用于发射所述第一脉冲激光，还用于接收所述大气散射回波信号；

所述姿态传感器与所述光学天线连接，所述姿态传感器用于检测所述回波信号的散射方向数据。

在一个实施例中，所述姿态传感器固定在所述光学天线的镜筒上；所述姿态传感器的寻北方向与所述光学天线出射的第一脉冲激光方向平行，且所述姿态传感器所处平面与所述第一脉冲激光的出射方向平行；所述姿态传感的信号输出端连接所述信号处理模块的输入端。

在一个实施例中，所述光学天线为单个镜头的望远镜系统结构。

在一个实施例中，所述平衡探测模块包括：光耦合器和平衡探测器；

所述光耦合器的两个输入端分别与所述脉冲光纤激光器模块的本振激光输出端、所述光信号收发模块的回波信号输出端连接；所述光耦合器的输出端连接所述平衡探测器的输入端；

所述平衡探测器的输出端连接所述信号处理模块；所述平衡探测器用于探测所述光耦合器产生的拍频光信号，并将所述拍频光信号转化为与大气运动速度有关的射频电信号，并将所述射频电信号输出至信号处理模块。

在一个实施例中，所述信号处理模块包括：数据采集卡和信号处理板；

所述数据采集卡的第一输入端连接所述平衡探测模块的输出端，用于采集所述射频电信号；所述数据采集卡的第二输入端连接所述姿态传感器的数据输出端，用于采集所述回波信号的散射方向数据；所述数据采集卡的信号输出端连接所述信号处理板的信号输入端。

在一个实施例中，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、光纤放大器；

所述种子源激光器的输出端连接所述光纤分束器的输入端，所述种子源激光器用于产生连续本振激光；

所述光纤分束器的第一输出端连接所述声光调制器的输入端，所述光纤分束器的第二输出端连接所述平衡探测模块；

所述声光调制器的输出端连接所述光纤放大器的输入端；所述声光调制器用于对所述光纤分束器提供的连续本振激光进行声光调制，得到第二脉冲激光并输出给所述光纤放大器；

所述光纤放大器的输出端连接所述光信号收发模块，所述光纤放大器用于对所述第二脉冲激光进行放大，得到第一脉冲激光并输出给所述光信号收发模块。

在一个实施例中，所述信号处理模块的控制信号输出端连接所述声光调制器的调制信号输入端。

在一个实施例中，所述声光调制器采用两个声光调制器的级联形式。

在一个实施例中，所述信号处理板还与所述光纤放大器连接，所述信号处理板用于向所述光纤放大器输出用于控制所述光纤放大器放大功率的控制信号。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本实用新型实施例提供的一种基于单光束探测的手持式测风激光雷达的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的一种基于单光束探测的手持式测风激光雷达的详细结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开实施例提供基于单光束探测的手持式测风激光雷达，如图1所示，该基于单光束探测的手持式测风激光雷达包括：包括：脉冲光纤激光器模块1、光信号收发模块2、平衡探测模块3、信号处理模块4。其中，脉冲光纤激光器模块1，用于产生本振激光以及第一脉冲激光，将所述第一脉冲激光输出给所述光信号收发模块2，并将所述本振激光输出给所述平衡探测模块3。光信号收发模块2，用于将所述第一脉冲激光出射到大气中，并接收大气中气溶胶对所述第一脉冲激光的大气散射回波信号并将其输出给所述平衡探测模块3。平衡探测模块3，用于对所述回波信号进行相干平衡探测，将由所述本振激光与回波信号干涉而产生的拍频光信号转化为射频电信号。信号处理模块4，用于实时采集所述射频电信号并对其进行信号处理，以得到所述大气中的风场信息。

本实施例中，脉冲光纤激光器模块1生成的第一脉冲激光通过光信号收发模块2出射到大气中，且脉冲光纤激光器模块1输出的本振激光进入到平衡探测模块3中；同时大气中气溶胶对所述第一脉冲激光的大气散射回波信号通过光信号收发模块2进入平衡探测模块3，并且与所述本振激光产生拍频光信号；平衡探测模块3再将拍频光转化为射频电信号，最后由信号处理模块4对射频信号进行采集和处理。

图2为本实用新型实施例提供的本实用新型实施例提供的一种基于单光束探测的手持式测风激光雷达的详细结构示意图，其中用虚线箭头表示光信号，用实线表示电信号。

在一可选实施例中，如图2中所示，脉冲光纤激光器模块1由种子源激光器11、光纤分束器12、声光调制器13、光纤放大器14构成。其中，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的第一输出端连接声光调制器13的输入端，光纤分束器12的第二输出端连接平衡探测模块3，光纤分束器12用于将所述连续本振激光分为两束光信号，将其中一束光信号输出至声光调制器13，并将其中另一束光信号输出至平衡探测模块3；声光调制器13的输出端连接光纤放大器14的输入端，声光调制器13用于对所述光纤分束器12提供的连续本振激光进行声光调制，得到第二脉冲激光并输出给光纤放大器14；光纤放大器14的输出端连接光信号收发模块2，光纤放大器14用于对所述第二脉冲激光进行放大，得到第一脉冲激光并输出给光信号收发模块2。

优选地，为了提高该激光雷达隔离度，声光调制器13采用两个声光调制器的级联形式，可以进一步提高声光调制的通断消光比。

在一可选实施例中，如图2中所示，光信号收发模块2包括：环形器21、光学天线22、姿态传感器23。其中，环形器21的第一端连接所述脉冲光纤激光器模块1的第一脉冲激光输出端，第二端连接所述光学天线22的输入端，第三端连接所述平衡探测模块3；光学天线22的输出端指向大气，光学天线22用于发射所述第一脉冲激光，还用于接收所述大气散射回波信号；姿态传感器23与光学天线22连接，姿态传感器23用于检测所述大气散射回波信号的散射方向数据。本实施例中，脉冲光纤激光器模块1生成的第一脉冲激光经由环形器21和光学天线22出射至大气中，同时大气对第一脉冲激光产生的后向散射回波信号原路返回从环形器21的第二端进入环形器21，并由环形器21的第三端输出到平衡探测模块3。

进一步优选地，姿态传感器23固定在光学天线22的镜筒上；姿态传感器23的寻北方向与光学天线22出射的第一脉冲激光方向平行，且姿态传感器23所处平面与所述第一脉冲激光的出射方向平行；此外，姿态传感的信号输出端连接信号处理模块4的输入端。本实施例中，通过姿态传感器23可以实时监测输出到大气中回波信号的散射方向，并将方向信息传送给信号处理模块4。

示例地，光学天线22采用单个镜头的望远镜系统结构。

在一可选实施例中，如图2中所示，平衡探测模块3包括：光耦合器31和平衡探测器32。其中，光耦合器31的两个输入端分别与脉冲光纤激光器模块1的本振激光输出端、光信号收发模块2的回波信号输出端连接；光耦合器31的输出端连接平衡探测器32的输入端；平衡探测器32的输出端连接信号处理模块4。本实施例中，大气散射的回波信号与本振激光在光耦合器31中混合产生拍频光信号，平衡探测器32将所述拍频光信号转化为射频电信号，并将所述射频电信号输出至信号处理模块4。其中，所述射频电信号为与大气运动速度有关的多普勒频移电信号。

在一可选实施例中，如图2中所示，信号处理模块4包括：数据采集卡41和信号处理板42；其中，数据采集卡41的第一输入端连接平衡探测模块3的输出端，用于采集所述射频电信号；数据采集卡41的第二输入端连接光信号收发模块2中的姿态传感器23的数据输出端，用于采集所述回波信号的散射方向数据；数据采集卡41的信号输出端连接信号处理板42的信号输入端。优选地，信号处理模块4的控制信号输出端连接所述声光调制器13的调制信号输入端，即信号处理模块4还用于产生声光调制器13所需的调制信号。本实施例中，信号处理模块的设计，使得平衡探测器32产生的多普勒频移信号和姿态传感器23获取的激光出射方向信息得到采集、处理，同时控制声光调制器13将连续的本振激光转化为第二脉冲激光。

在一可选实施例中，信号处理板42还与所述光纤放大器14连接，所述信号处理板42用于向所述光纤放大器14输出用于控制所述光纤放大器14放大功率的控制信号。

图2所示实施例的工作原理如下：种子源激光器11出射的连续激光，经由分束器12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激光被传输到光耦合器31的第一输入端。声光调制器13对本振激光进行调制，使其变为第二脉冲激光并且产生频移。由光纤放大器14对第二脉冲激光进行信号放大处理，得到第一脉冲激光被传输至环形器21的第一端，再由环形器21的第二端输出至光学天线22的输入端，经过光学天线22的准直和扩束后由光学天线22的输出端发射到大气中。大气对第一脉冲激光产生后向散射，后向散射光信号也称回波信号原路返回，回波信号从环形器21的第二端进入环形器21，并由环形器21的第三端输出到平衡探测模块3的光耦合器31的第二输入端。随后光耦合器31将第一输入端输入的本振激光信号和第二输入端输入的回波信号进行耦合，在耦合过程中完成回波信号与本振激光的拍频，输出拍频光信号。平衡探测器32对拍频光信号进行探测，将拍频光信号转化为与大气运动速度有关的射频电信号(多普勒频移信号)，该射频电信号由平衡探测器32的输出端输出，与此同时，固定在光学天线22镜筒上的姿态传感器23检测到所述回波信号的散射方向数据，并将该方向数据传送至数据采集卡41的第二输入端。数据采集卡41对所述频移信号和方向数据进行实时采集，并对采集到的信号进行模数转换为数字信号，最后将数字信号输出到信号处理板42中。信号处理板42将收到的频移信号和方向数据的数字信号进行预定算法处理，获得该时刻对应方向上的视线风速信息，再由信号处理板进行数据存储。随后，可以通过调节该激光雷达的姿态以改变所述光学天线22的朝向，当根据上述方法探测到3个不同方向上的视线风速后，再由预设算法算出对应的合成风场信息。

优选地，本实用新型实施例的脉冲光纤激光器模块1中使用的种子源激光器11输出的激光为连续窄线宽激光，线宽的宽度小于200KHz。

优选地，本实用新型实施例的脉冲光纤激光器模块1中使用的光纤分束器12为一个输入端和两个输出端的结构，且其两个输出端的光功率之比大于8:1。

优选地，本实用新型实施例的脉冲光纤激光器模块1中使用的光纤放大器14采用掺饵光纤和铒镱共掺光纤作为增益介质，并采用多级放大的方式，实现脉冲激光放大。

优选地，本实用新型实施例的平衡探测模块3中使用的光耦合器31为两个输入端和两个输出端的结构，且其两个输出端的光功率之比为1：1。

优选地，本实用新型实施例的光信号收发模块2中的环形器21为三个通道的光纤环形器。

优选地，本实用新型实施例的光信号收发模块2中1的姿态传感器23，具体利用地球磁场来感知姿态传感器23自身的航向角、俯仰角、横滚角，且其探测精度为±0.01度。

为了验证本实用新型实施例提供的基于单光束探测的手持式测风激光雷达系统的实用性，设计人员开展了相应的实施例实验。实验步骤如下：

S1：按照图2所示结构搭建测试系统，并手持整个系统置于空旷的大气环境中。

S2：开启种子源激光器11，调节其输出功率在30mw～40mw之间。

S3：启动声光调制器13、光纤放大器14、姿态传感器23和平衡探测器32。

S4：启动信号处理模块4，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，并且使得声光调制器13能够产生120MHz的频移，从而声光调制器13输出脉宽为200ns、重复频率为20kHz的第二脉冲激光。

S5：调节光纤放大器14的输入电流，使其输出功率为50mw的第一脉冲激光，并与光学天线输出至大气中。

S6：此时数据采集卡41开始采集姿态传感器23和平衡探测器32的输出数据，通过模数转换为数字信号，并将该数字数据传输至信号处理板42，信号处理板42对数据进行处理和存储。

S7：调整手持式测风激光雷达系统的姿态，使得整个系统的航向角和俯仰角和横滚角在原基础上分别增加5度左右，随后重复步骤S6。

S8：调整手持式测风激光雷达系统的姿态，使得整个系统的航向角和俯仰角和横滚角在原基础上分别再增加10度左右，随后重复步骤S6。

S9：信号处理板42调用步骤S6-S8中存储的三组数据，并结合风速反演算法得到大气中的风廓线数据。

本实用新型中的基于单光束探测的手持式测风激光雷达系统，其光信号收发模块采用简单的单光束镜头作为光学天线并结合姿态传感器，通过姿态传感器检测回波信号的方向。这样可以使传统测风激光雷达光学天线体积大、结构重的问题得到解决。并且通过手持的方式即可正常工作，为测风激光雷达开辟了新的应用场景。

本实用新型中的基于单光束探测的手持式测风激光雷达系统可应用于军事领域中单兵作战，为士兵射击提供周围的风场数据资料；也可应用于航海领域，为帆船航行提供航道的横风数据。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，包括：脉冲光纤激光器模块(1)、光信号收发模块(2)、平衡探测模块(3)、信号处理模块(4)；

所述脉冲光纤激光器模块(1)，用于产生本振激光以及第一脉冲激光，将所述第一脉冲激光输出给所述光信号收发模块(2)，并将所述本振激光输出给所述平衡探测模块(3)；

所述光信号收发模块(2)，用于将所述第一脉冲激光出射到大气中，并接收大气中气溶胶对所述第一脉冲激光的大气散射回波信号并将其输出给所述平衡探测模块(3)；

所述平衡探测模块(3)，用于对所述回波信号进行相干平衡探测，将由所述本振激光与回波信号干涉而产生的拍频光信号转化为射频电信号；

所述信号处理模块(4)，用于实时采集所述射频电信号并对其进行信号处理，以得到所述大气中的风场信息；

所述光信号收发模块(2)包括：环形器(21)、光学天线(22)、姿态传感器(23)；

所述环形器(21)的第一端连接所述脉冲光纤激光器模块(1)的第一脉冲激光输出端，第二端连接所述光学天线(22)的输入端，第三端连接所述平衡探测模块(3)；

所述光学天线(22)的输出端指向大气；所述光学天线(22)用于发射所述第一脉冲激光，还用于接收所述大气散射回波信号；

所述姿态传感器(23)固定在所述光学天线(22)上，所述姿态传感器(23)用于检测所述回波信号的散射方向数据。

2.根据权利要求1所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述姿态传感器(23)固定在所述光学天线(22)的镜筒上；所述姿态传感器(23)的寻北方向与所述光学天线(22)出射的第一脉冲激光方向平行，且所述姿态传感器(23)所处平面与所述第一脉冲激光的出射方向平行；所述姿态传感的信号输出端连接所述信号处理模块(4)的输入端。

3.根据权利要求1所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述光学天线(22)为单个镜头的望远镜系统结构。

4.根据权利要求1所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述平衡探测模块(3)包括：光耦合器(31)和平衡探测器(32)；

所述光耦合器(31)的两个输入端分别与所述脉冲光纤激光器模块(1)的本振激光输出端、所述光信号收发模块(2)的回波信号输出端连接；所述光耦合器(31)的输出端连接所述平衡探测器(32)的输入端；

所述平衡探测器(32)的输出端连接所述信号处理模块(4)；所述平衡探测器(32)用于探测所述光耦合器(31)产生的拍频光信号，并将所述拍频光信号转化为与大气运动速度有关的射频电信号，并将所述射频电信号输出至信号处理模块(4)。

5.根据权利要求1所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述信号处理模块(4)包括：数据采集卡(41)和信号处理板(42)；

所述数据采集卡(41)的第一输入端连接所述平衡探测模块(3)的输出端，用于采集所述射频电信号；所述数据采集卡(41)的第二输入端连接所述姿态传感器(23)的数据输出端，用于采集所述回波信号的散射方向数据；所述数据采集卡(41)的信号输出端连接所述信号处理板(42)的信号输入端。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，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)、光纤放大器(14)；

所述种子源激光器(11)的输出端连接所述光纤分束器(12)的输入端，所述种子源激光器(11)用于产生连续本振激光；

所述光纤分束器(12)的第一输出端连接所述声光调制器(13)的输入端，所述光纤分束器(12)的第二输出端连接所述平衡探测模块(3)；

所述声光调制器(13)的输出端连接所述光纤放大器的输入端；所述声光调制器(13)用于对所述光纤分束器(12)提供的连续本振激光进行声光调制，得到第二脉冲激光并输出给所述光纤放大器(14)；

所述光纤放大器(14)的输出端连接所述光信号收发模块(2)，所述光纤放大器(14)用于对所述第二脉冲激光进行放大，得到第一脉冲激光并输出给所述光信号收发模块(2)。

7.根据权利要求6所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述信号处理模块(4)的控制信号输出端连接所述声光调制器(13)的调制信号输入端。

8.根据权利要求6所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述声光调制器(13)采用两个声光调制器的级联形式。

9.根据权利要求6所述的基于单光束探测的手持式测风激光雷达，其特征在于，所述信号处理板(42)还与所述光纤放大器(14)连接，所述信号处理板(42)用于向所述光纤放大器(14)输出用于控制所述光纤放大器(14)放大功率的控制信号。

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