CN218782406U - 一种相干测风激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光雷达技术领域，公开了一种相干测风激光雷达系统，包括：种子激光器、偏振分光器件、声光调制器、偏振旋转器件、光束反射部件、激光放大器、光纤环形器、光学收发部件、光纤耦合器、探测采集部件。这样使用了单个声光调制器，并借助较为简单的偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件，可将连续光两次经过同一个声光调制器，实现与连续经过两个声光调制器相同的作用。而偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件都是比较简单的无源器件，稳定可靠，成本低廉，并且重复使用一个声光调制器，能够显著降低系统成本与复杂度，提升了整体系统的可靠性。

Description

一种相干测风激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种相干测风激光雷达系统。

背景技术

在脉冲相干测风激光雷达系统中，需要使用高能量脉冲激光器作为发射光源。一般脉冲光源中，由种子激光器、两个或多个声光调制器、激光放大器组成脉冲式的激光发射源。种子激光器产生窄脉宽的连续光，能量较低；声光调制器将连续光变为脉冲光；激光放大器将小功率的种子脉冲放大为高能量激光脉冲，并保持较小的频谱宽度。脉冲光后续经过光学收发系统、探测采集系统，实现大气风场的测量。

其中，由于声光调制器对连续光的截止率有限，即使关闭状态下依然有微弱的连续光通过进入激光放大器，导致在需要的高能量脉冲产生后依然存在一定功率强度的拖尾光，且持续时间较长；而大气回波信号微弱，拖尾光再光纤发射端面产生的后向反射干扰信号强度超过了大气回波信号，后续的探测采集无法检测到大气信号。因此，为了提高对种子光的截断效率，得到更好的脉冲光，目前需要将两个甚至多个声光调制器进行串联使用，使种子光两次或多次经过动作一致的声光调制器的截断，提高脉冲光后方的截止率，尽量削弱激光放大器在高能量脉冲后方的拖尾光强度，避免拖尾光在发射光纤端面形成的反射光干扰大气回波的正常检测。

但是，声光调制器属于系统核心器件，价格较高，显著的提高了系统成本。并且，同时控制多个声光调制器也增加了系统复杂度，降低了整体系统的可靠性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种相干测风激光雷达系统，可以使用单个声光调制器，降低系统成本与复杂度，提升整体系统的可靠性。其具体方案如下：

一种相干测风激光雷达系统，包括：种子激光器、偏振分光器件、声光调制器、偏振旋转器件、光束反射部件、激光放大器、光纤环形器、光学收发部件、光纤耦合器、探测采集部件；

所述种子激光器的第一输出端与所述光纤耦合器的第一输入端连接，所述种子激光器的第二输出端用于输出连续光并传输至偏振分光器件；

所述偏振分光器件，用于将所述连续光进行偏振分光并传输至所述声光调制器；还用于对所述声光调制器传输回的光束进行偏振分光并传输至所述激光放大器的输入端；

所述偏振旋转器件位于所述声光调制器远离所述偏振分光器件的一侧；

所述光束反射部件位于所述偏振旋转器件远离所述声光调制器的一侧；

所述光纤环形器的各端口分别与所述激光放大器的输出端、所述光学收发部件、所述光纤耦合器的第二输入端连接；所述光纤耦合器的输出端与所述探测采集部件连接。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，所述偏振分光器件包括PBS。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，所述偏振旋转器件包括法拉第旋光器。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，所述光束反射部件包括反射镜。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，还包括：位于所述偏振分光器件和所述种子激光器之间的准直透镜。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，还包括：

位于所述偏振分光器件和所述激光放大器之间的聚焦透镜。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，所述光学收发部件包括收发一体光学镜筒。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，所述探测采集部件包括平衡探测器、信号采集板和工控机。

从上述技术方案可以看出，本实用新型所提供的一种相干测风激光雷达系统，包括：种子激光器、偏振分光器件、声光调制器、偏振旋转器件、光束反射部件、激光放大器、光纤环形器、光学收发部件、光纤耦合器、探测采集部件；其中，种子激光器的第一输出端与光纤耦合器的第一输入端连接，种子激光器的第二输出端用于输出连续光并传输至偏振分光器件；偏振分光器件，用于将连续光进行偏振分光并传输至声光调制器，还用于对声光调制器传输回的光束进行偏振分光并传输至激光放大器的输入端；偏振旋转器件位于声光调制器远离偏振分光器件的一侧；光束反射部件位于偏振旋转器件远离声光调制器的一侧；光纤环形器的各端口分别与激光放大器的输出端、光学收发部件、光纤耦合器的第二输入端连接；光纤耦合器的输出端与探测采集部件连接。

本实用新型提供的上述相干测风激光雷达系统，使用了单个声光调制器，并借助较为简单的偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件，可将连续光两次经过同一个声光调制器，实现与连续经过两个声光调制器相同的作用。而偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件都是比较简单的无源器件，稳定可靠，成本低廉，并且重复使用一个声光调制器，能够显著降低系统成本与复杂度，提升了整体系统的可靠性，有助于相干测风激光雷达系统的商业化推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的相干测风激光雷达系统的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的图1对应的光路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的相干测风激光雷达系统的结构示意图之二；

图4为本实用新型实施例提供的图3对应的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种相干测风激光雷达系统，如图1至图4所示，包括：种子激光器1、偏振分光器件2、声光调制器3、偏振旋转器件4、光束反射部件5、激光放大器6、光纤环形器7、光学收发部件8、光纤耦合器9、探测采集部件；

种子激光器1的第一输出端与光纤耦合器9的第一输入端连接，种子激光器1的第二输出端用于输出连续光并传输至偏振分光器件2；

偏振分光器件2，用于将连续光进行偏振分光并传输至声光调制器3；还用于对声光调制器3传输回的光束进行偏振分光并传输至激光放大器6的输入端；

偏振旋转器件4位于声光调制器3远离偏振分光器件2的一侧；

光束反射部件5位于偏振旋转器件4远离声光调制器3的一侧；

光纤环形器7的各端口分别与激光放大器6的输出端、光学收发部件8、光纤耦合器9的第二输入端连接；光纤耦合器9的输出端与探测采集部件连接。

在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，使用了单个声光调制器3，并借助较为简单的偏振分光器件2、偏振旋转器件4及光束反射部件5，可将连续光两次经过同一个声光调制器3，实现与连续经过两个声光调制器3相同的作用。而偏振分光器件2、偏振旋转器件4及光束反射部件5都是比较简单的无源器件，稳定可靠，成本低廉，并且重复使用一个声光调制器3，能够显著降低系统成本与复杂度，提升了整体系统的可靠性，有助于相干测风激光雷达系统的商业化推广应用。

需要说明的是，声光调制器可控制光路的通断，将连续光变为脉冲光，同时叠加一个频率变化，并且具有光路可逆性，两个方向均可以经过的光束实现相同的移频与截止性能，因此可以使用偏振分光器件2、偏振旋转器件4及光束反射部件5，使一个声光调制器3能够重复利用，达到两个声光调制器同时使用的效果。

本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，种子激光器1可输出第一连续光和第二连续光，第一连续光传输至偏振分光器件2，第二连续光传输至光纤耦合器9的第一输入端，偏振分光器件2可将第一连续光进行偏振分光并传输至声光调制器3；声光调制器3可将偏振分光器件2传输的光束调节为脉冲光并传输至偏振旋转器件4；偏振旋转器件4可将接收的脉冲光透射至光束反射部件5；光束反射部件5可将接收的光束进行反射；偏振旋转器件4可将光束反射部件5反射回的光束透射至声光调制器3；声光调制器3可将偏振旋转器件4透射的光束传输至偏振分光器件2；偏振分光器件2可对声光调制器3传输回的光束进行偏振分光并传输至激光放大器6；激光放大器6可将偏振分光器件2传输的光束进行能量放大；光纤环形器7可将激光放大器6放大后的光束传输至光学收发部件8；光学收发部件8可形成平行光进入大气，接收回波信号并出射至光纤耦合器9的第二输入端；光纤耦合器9在接收第二连续光和回波信号后，产生混合光并进入探测采集部件。

在具体实施时，种子激光器1的第一输出端和第二输出端可以设置为同步的，即种子激光器的第一输出端输出第二连续光，同时第二输出端输出第一连续光。

具体地，第一连续光可进行后续的移频、放大等过程，作为发射光出射；第二连续光可作为相干的本振光，与回波信号一起进入探测采集部件。在实际应用中，第二连续光的能量可以比第一连续光的能量小一些。

在具体实施时，偏振分光器件2，具体可以用于将第一连续光进行偏振分光，产生的透射光进入声光调制器3；还可以用于对声光调制器3传输回的光束进行偏振分光，产生的反射光进入激光放大器6；或，偏振分光器件2，具体可以用于将第一连续光进行偏振分光，产生的反射光进入声光调制器3；还可以用于对声光调制器3传输回的光束进行偏振分光，产生的透射光进入激光放大器6。

具体地，如图1和图2所示，种子激光器1输出的第一连续光经过偏振分光器件2时可以产生透射，透射形成的光束经过声光调节器3后进入偏振旋转器件4中，透射后再由光束反射部件5进行反射，光束再次经过偏振旋转器件4及声光调节器3，光束两次经过偏振旋转器件4后其偏振方向会发生变化，再次经过偏振分光器件2时产生反射，得到的反射光可通过光纤传输至激光放大器6。

如图2和图3所示，种子激光器1输出的第一连续光经过偏振分光器件2时可以产生反射，反射形成的光束经过声光调节器3后进入偏振旋转器件4中，透射后再由光束反射部件5进行反射，光束再次经过偏振旋转器件4及声光调节器3，光束两次经过偏振旋转器件4后其偏振方向会发生变化，再次经过偏振分光器件2时产生透射，得到的透射光可通过光纤传输至激光放大器6。

在实际应用中，激光放大器6可将引入的小能量光脉冲信号变为大能量光脉冲信号；脉冲长度与引入的信号光基本相同，频谱宽度也受注入光影响较窄。

进一步地，在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，偏振分光器件2可以包括PBS（polarization beam splitter，偏振分光晶体）。PBS可以根据入射光束偏振方向不同，分别产生投射及反射两种传播方向。

如图1和图2所示，PBS可以将种子激光器1输出的第一连续光和后续调制后返回的光束在光路上分离开，种子激光器1输出的第一连续光开始进入PBS时产生透射，然后经过后续的两遍偏振旋转器件4后，再次经过同一个PBS时产生反射，光束就能进入到后续的激光放大器6中。

如图3和图4所示，PBS可以将种子激光器1输出的第一连续光和后续调制后返回的光束在光路上分离开，种子激光器1输出的第一连续光开始进入PBS时产生反射，然后经过后续的两遍偏振旋转器件4后，再次经过同一个PBS时产生透射，光束就能进入到后续的激光放大器6中。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，偏振旋转器件4可以为45°偏振旋转器件。光束两次经过45°偏振旋转器件后，其偏振方向会产生90°变化。较佳地，该45°偏振旋转器件可以包括法拉第旋光器。法拉第旋光器为偏振晶体器件，光束传输一遍后，偏振方向旋转45°；正反传输偏振转动方向一致。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，光束反射部件5可以包括反射镜。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，如图1和图3所示，还可以包括：位于偏振分光器件2和种子激光器1之间的准直透镜10。第一连续光通过准直透镜10可变为平行光，该平行光可进入声光调制器3。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，如图1和图3所示，还可以包括：位于偏振分光器件2和激光放大器6之间的聚焦透镜11。该聚焦透镜11可以将偏振分光器件2传输的光束聚焦耦合进入光纤，进入激光放大器6。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，光学收发部件8可以包括收发一体光学镜筒。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统中，探测采集部件可以包括平衡探测器12、信号采集板13和工控机14。在实际应用中，平衡探测器12可以将光信号转化为电信号，再由信号采集板13进行高速模数采集，同时在内部完成回波的累加与快速傅里叶变换，将频谱信号传输至工控机14中能够完成大气风场的反演计算。

另外，需要补充的是，相干测风激光雷达系统中需要使用光纤环形器7实现光路空间复用的作用。光纤环形器有三个光纤端口，由第一端口输入的光将从第二端口射出；第二端口输入的光将从第三端口射出。

下面以图1和图2为例，对本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统的工作方式进行说明，具体过程如下：

种子激光器1产生窄线宽的连续光，分出一路第一连续光由光纤引出，再通过准直透镜10变为平行光，进入偏振分光器件2（如PBS），光束透射进入声光调节器3。光束经过声光调节器3后进入45°偏振旋转器件中，透射后再由光束反射部件5进行反射，光束再次经过45°偏振旋转器件及声光调节器3。光束两次经过45°偏振旋转器件后其偏振方向产生90°变化，再次经过偏振分光器件2时形成反射，由聚焦透镜11将光束耦合进入光纤，随后进入激光放大器6。激光放大器6产生高能量脉冲进入光纤环形器7的第一端口，由光纤环形器7的第二端口出射，经光学收发部件8（如收发一体光学镜筒）形成平行光进入大气；大气后向回波信号同样由光学收发部件8接收，进入光纤环形器7的第二端口，由光纤环形器7的第三端口出射。种子激光器1产生的另一路第二连续光作为本振光，与光纤环形器7的第三端口的回波信号一同进入光纤耦合器9，产生两路相同强度的混合光，由平衡探测器12将光信号转化为电信号，再由信号采集板13进行高速模数采集，同时在内部完成回波的累加与快速傅里叶变换，将频谱信号传输至工控机14中完成大气风场的反演计算。

下面以图3和图4为例，对本实用新型实施例提供的上述相干测风激光雷达系统的工作方式进行说明，具体过程如下：

种子激光器1产生窄线宽的连续光，分出一路第一连续光由光纤引出，再通过准直透镜10变为平行光，进入偏振分光器件2（如PBS），光束反射进入声光调节器3。光束经过声光调节器3后进入45°偏振旋转器件中，透射后再由光束反射部件5进行反射，光束再次经过45°偏振旋转器件及声光调节器3。光束两次经过45°偏振旋转器件后其偏振方向产生90°变化，再次经过偏振分光器件2时形成透射，由聚焦透镜11将光束耦合进入光纤，随后进入激光放大器6。激光放大器6产生高能量脉冲进入光纤环形器7的第一端口，由光纤环形器7的第二端口出射，经光学收发部件8（如收发一体光学镜筒）形成平行光进入大气；大气后向回波信号同样由光学收发部件8接收，进入光纤环形器7的第二端口，由光纤环形器7的第三端口出射。种子激光器1产生的另一路第二连续光作为本振光，与光纤环形器7的第三端口的回波信号一同进入光纤耦合器9，产生两路相同强度的混合光，由平衡探测器12将光信号转化为电信号，再由信号采集板13进行高速模数采集，同时在内部完成回波的累加与快速傅里叶变换，将频谱信号传输至工控机14中完成大气风场的反演计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

综上，本实用新型实施例提供的一种相干测风激光雷达系统，包括：种子激光器、偏振分光器件、声光调制器、偏振旋转器件、光束反射部件、激光放大器、光纤环形器、光学收发部件、光纤耦合器、探测采集部件；其中，种子激光器的第一输出端与光纤耦合器的第一输入端连接，种子激光器的第二输出端用于输出连续光并传输至偏振分光器件；偏振分光器件，用于将连续光进行偏振分光并传输至声光调制器，还用于对声光调制器传输回的光束进行偏振分光并传输至激光放大器的输入端；偏振旋转器件位于声光调制器远离偏振分光器件的一侧；光束反射部件位于偏振旋转器件远离声光调制器的一侧；光纤环形器的各端口分别与激光放大器的输出端、光学收发部件、光纤耦合器的第二输入端连接；光纤耦合器的输出端与探测采集部件连接。上述相干测风激光雷达系统，使用了单个声光调制器，并借助较为简单的偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件，可将连续光两次经过同一个声光调制器，实现与连续经过两个声光调制器相同的作用。而偏振分光器件、偏振旋转器件及光束反射部件都是比较简单的无源器件，稳定可靠，成本低廉，并且重复使用一个声光调制器，能够显著降低系统成本与复杂度，提升了整体系统的可靠性，有助于相干测风激光雷达系统的商业化推广应用。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的相干测风激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种相干测风激光雷达系统，其特征在于，包括：种子激光器、偏振分光器件、声光调制器、偏振旋转器件、光束反射部件、激光放大器、光纤环形器、光学收发部件、光纤耦合器、探测采集部件；

所述种子激光器的第一输出端与所述光纤耦合器的第一输入端连接，所述种子激光器的第二输出端用于输出连续光并传输至偏振分光器件；

所述偏振分光器件，用于将所述连续光进行偏振分光并传输至所述声光调制器；还用于对所述声光调制器传输回的光束进行偏振分光并传输至所述激光放大器的输入端；

所述偏振旋转器件位于所述声光调制器远离所述偏振分光器件的一侧；

所述光束反射部件位于所述偏振旋转器件远离所述声光调制器的一侧；

所述光纤环形器的各端口分别与所述激光放大器的输出端、所述光学收发部件、所述光纤耦合器的第二输入端连接；所述光纤耦合器的输出端与所述探测采集部件连接。

2.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述偏振分光器件包括PBS。

3.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述偏振旋转器件包括法拉第旋光器。

4.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光束反射部件包括反射镜。

5.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，还包括：位于所述偏振分光器件和所述种子激光器之间的准直透镜。

6.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，还包括：位于所述偏振分光器件和所述激光放大器之间的聚焦透镜。

7.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光学收发部件包括收发一体光学镜筒。

8.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述探测采集部件包括平衡探测器、信号采集板和工控机。

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