专利名称：一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相干激光多普勒测风雷达系统，特别是一种使用2 ym收发合置 离轴卡塞格伦光学天线的人眼安全的2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统。
背景技术：
传统的雷达系统结构都是采用自由空间光路结构，缺点是结构体积大，由于采用 了大量的光学元件，其成本高，调节困难，稳定性差，可操作性不强，并且需要反复的校准调 节。随着激光技术和光通讯技术的迅速发展，特别是光纤技术的迅速发展，给激光雷 达系统结构优化带来了契机。因此，很多国内外科研工作者都把目光转移到了光纤技术上， 希望通过低成本，高光束传输质量的光纤器件来解决传统雷达系统结构存在的种种问题。直至现在，国内外学者已经提出了多种技术方案，特别是光通信波段的雷达系统 结构已经充分达到了全光纤化和小型化的要求，而对于常用的光通讯波段1. 5 y m雷达系 统，其主要优点是人眼可承受的光强要比2pm处高10倍以上。但这种激光器技术不太成 熟，有效测量距离近，效率低，使得光通信波段的雷达系统未能得到广泛的应用。近十年来，2i!m激光器得到了飞速发展。2i!m激光器主要特点是系统无需制冷， 泵浦能量耦合效率高，稳定性强，光束质量好，寿命长，结构紧凑。尤其是2 u m左右的二极 管泵浦固体激光器是相干激光雷达的最佳匹配。为了提高对小尺度涡流扰动测量的分辨 率和分析精度，促进了 2 ym相干激光雷达的发展，目前，美国、英国、德国、法国、荷兰、爱尔 兰、日本等国都致力于2 ym固体激光器、探测器、光学系统及其性能测试和测量地球大气、 地球风场等应用方面的研究，这使得2 u m相干激光多普勒测风雷达成为了国内外研究热 点o但是，2 u m光纤器件的发展比较落后，没有跟上2 u m激光器技术发展的步伐。因 此，目前的2 y m相干激光多普勒测风雷达系统的结构都存在各自的问题，即没有完全解决 接收光学系统的全光纤小型化问题，不能满足目前车载、空载和星载2 u m相干激光多普勒 测风雷达系统小型化的要求。总之，现有的2 u m相干激光多普勒测风雷达系统结构优化的技术方案都存在或 多或少的不足，无法同时达到成本低、人眼安全、稳定性好、实时性好、可操作性强、有效测 量距离远、测量(测速和测距)精度高和全光纤小型化的要求。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种使用2pm收发合置离轴卡塞格伦光学天线的人 眼安全2 u m相干激光多普勒测风雷达系统。本发明提供了一种2 ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于该 2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统包括2 u m收发合置离轴卡塞格伦光学天线系 统、2 y m激光光束分光系统、2 y m线偏振种子注入激光器放大级、2 y m监测探测器系统和2 y m平衡式外差探测系统。所述的2 u m离轴卡塞格伦光学天线系统包括光学天线主 镜和次镜，还包括预扩束系统。所述光学天线采用收发合置的离轴卡塞格伦的双发射式 结构，双反射系统中采用二次曲面来达到消除各种初级象差，发射系统的参数设计主要考 虑激光的光束截断以及激光照射到目标后的散斑效应。发射光学天线系统的发射光束直 径10mm，发射光学天线系统放大倍数为15倍，主镜口径为160mm，有效口径为150mm ；次镜 口径为12. 7mm，有效孔径为10mm。主镜和次镜都选用的非球面面型均为二次抛物面。主 镜面型为抛物面，主镜顶点曲率半径1500mm，主镜的离轴量为190mm，次镜面型同样为抛 物面，次镜顶点的曲率半径100mm，次镜的离轴量为12. 67mm。系统视场角为0. lmrad,达 到了衍射极限水平；接收光学天线有效主口径为150mm，瞬时视场角与相干接收视场角匹 配2 = 0. 017mrad,系统有效焦距f' = 4500mm,成像质量要求达到衍射极限水平，波前 畸变要求小于入/20当光学天线系统的有效口径为150mm，波长为2 u m,作用距离为R = 1 10km时，在弱湍流C 2=10_15情况下，系统的天线效率为0.51，在强湍流( 2=10_13下，系 统的天线效率为0. 03。所述2 y m平衡式外差探测系统包括2 u m平衡式InGaAs光电探 测器、2 y m光纤准直器和光纤合束器。其中，2 y m平衡式InGaAs光电探测器采用在一个 探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管，依据平衡式外差监测理 论知=&-//■尸2价吻-叱0>+~]+/ /(0如(0设计而成，光敏面口径为1mm左右，带宽 200MHz，灵敏度0. 65A/W，可以达到衍射极限水平，充分消除散粒噪声对外差信噪比的影响。2 u m连续线偏振种子激光器发射的激光通过在线式光纤分束器后分成两束，其 中一束种子光作为本振光，本振光被在线式光纤分束器分成两束；另一束种子光经2 y m全 光纤声光移频器移频后注入到2 u m线偏振脉冲激光放大级中，经放大级放大的线偏振激 光通过2 u m分光镜分成两束，反射光被2 u m单模准直器耦合进入光纤与一束本振光通过 合束器合束后注入到2 ym监测探测器中；而透射光被预扩束系统扩束，扩束的线偏振光经 2 U m强激光立方体偏振分光棱镜和四分之一波片后入射，到光学天线的次镜反射面上，之 后线偏振光又被次镜反射到主镜反射面上，最终射向大气；被大气后向散射的光又依次经 望远镜主镜、次镜、四分之一波片后被2 u m强激光立方体偏振分光棱镜反射，反射光经二 分之一波片后被2 u m光纤准直器耦合进入光纤，进入光纤的线偏振激光与另一束本振光 通过在线式光纤合束器合束后注入到2 u m平衡式探测器中。上述的2 i! m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述光学天线主镜和次镜 反射部分表面镀有增加激光光束反射效率的高反膜。进一步地，所述的2 ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述光学天线主 镜和次镜反射部分表面的面型一般为球面、椭球面、双曲面和抛物面。上述的2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 u m激光光束分光系 统包括2 u m强激光立方体偏振分光棱镜、四分之一波片和二分之一波片，所述2 y m强激光 立方体偏振分光棱镜的分光面镀有多层特殊偏振膜。进一步地，所述多层特殊偏振膜对S偏振光全透，对P偏振光全反。上述的2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 u m种子注入激光器 放大级包括2 P m连续线偏振激光种子源、2 y m线偏振脉冲激光放大器、2 y m全光纤声光移 频器、在线式光纤分束器和2 u m分束镜。所述2 y m连续的种子激光器一般为2 u m半导体激光器。
进一步地，所述2μπι线偏振脉冲激光放大器一般为2μπι光纤激光放大器。上述的2 μ m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 μ m监测探测器系统包括2 μ m InGaAs光电探测器、光纤合束器和2 μ m光纤准直器。采取上述技术方案，可以成功地弥补了自由空间光路存在环境干扰的缺陷，而且 成功地解决了 2 μ m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统全光纤小型化的问题，使2 μ m全 光纤相干激光多普勒测风雷达系统结构更加紧凑，此外，本发明同时具有激光对于人眼安 全、光路采用柔性光纤器件连接、可操作性强、稳定性好、成本低、实时性好、有效测量距离远和测量(测速和测距)精度高等特 点，在相干激光多普勒测风雷达领域具有很高的实用价值。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1是2 μ m离轴卡塞格伦光学天线系统结构示意图；图2是2μπι分光系统结构示意图；图3是2 μ m脉冲激光器结构示意图；图4是2 μ m单模光纤准直器结构示意图；图5是2 μ m平衡式光电探测器结构示意图；图6是使用离轴式卡塞格伦天线和2 μ m平衡式探测器的2 μ m全光纤相干激光多 普勒测风雷达一种结构示意图；图7是微弱回波信号直接经2 μ m单模光纤准直器耦合的2 μ m全光纤相干激光多 普勒测风雷达结构示意图；图8是四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合的2 μ m全光纤相干 激光多普勒测风雷达结构示意图；图9是四分之一波片和二分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合的 2μπι全光纤相干激光多普勒测风雷达结构示意图；图10是四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合且微弱回波信号经 二分之一波片后被2 μ m单模光纤准直器耦合的2 μ m全光纤相干激光多普勒测风雷达结构 示意图。
具体实施例方式图1是2μπι离轴卡塞格伦光学天线系统结构示意图。包括光束转折器45°平面 反射镜101和102、光学天线主镜103、次镜104和大气105。所述光学天线采用收发合置 的离轴卡塞格伦的双发射式结构，双反射系统中采用二次曲面来达到消除各种初级象差， 发射系统的参数设计主要考虑激光的光束截断以及激光照射到目标后的散斑效应。发射光 学天线系统的发射光束直径10mm，发射光学天线系统放大倍数为15倍，主镜口径为160mm， 有效口径为150mm ；次镜口径为12. 7mm，有效孔径为10mm。主镜103和次镜104都选用的 非球面面型均为二次抛物面。主镜103面型为抛物面，主镜103顶点曲率半径1500mm，主 镜的离轴量为190mm，次镜104面型同样为抛物面，次镜104顶点的曲率半径100mm，次镜 104的离轴量为12.67mm。系统视场角为0. lmrad，达到了衍射极限水平；接收光学天线有效主口径为150mm，瞬时视场角与相干接收视场角匹配2 ω = 0. 017mrad,系统有效焦距f' =4500mm，成像质量要求达到衍射极限水平，波前畸变要求小于λ/20 ；当光学天线系统的 有效口径为150mm，波长为2 μ m，作用距离为R = 1 □ IOkm时，在弱湍流C〗二 10_15情况下，系 统的天线效率为0. 51，在强湍流C 2-1(T13下，系统的天线效率为0. 03。其中，光学天线主镜 103由特殊材料制成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和热膨胀系数小的金 属材料，其主镜反射表面镀有增加激光器输出激光束反射效率的高反膜，反射表面面型为 双曲面，也可以根据具体需要制成球面、椭球面和抛物面。光学天线次镜104由特殊材料制 成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和热膨胀系数小的金属材料，其次镜反 射表面镀有增加激光器输出激光束反射效率的高反膜，次镜104反射表面面型为抛物面， 同样可以实际需要制成球面、椭球面和双曲面。光束转折器45°平面反射镜101和102表 面镀有增加激光光束反射效率的高反膜。当激光入射到45°平面反射镜101上时，细心调 节使其法线方向与入射光光轴方向成45°时入射光被反射到45°平面反射镜102上，同样 调节后使其反射光入射到光学天线次镜104的反射面上，被次镜104反射的光又入射到光 学天线主镜103反射面上，被主镜103反射的光直接射向大气。图2是2 μ m分光系统结构示意图。包括预扩束器201、2 μ m强激光立方体偏振分 光棱镜202、四分之-波片203、二分之一波片204、光学天线205和大气206。其中，2 μ m强 激光立方体偏振分光棱镜202的分光部分表面207镀有特殊的偏振膜，此偏振膜的特点是 针对特定S偏振光全反，与其特定S偏振方向正交的P偏振光则全透，2 μ m强激光立方体 偏振分光棱镜由高透过率材料制成，所述的高透过率材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、 ZnSe、锗片和硅片等，其结构通常为平板型和立方体型，可以根据具体需要任意选型。当入 射S偏振光经预扩束器扩束后入射到分光面207时，调节偏振分光镜的分光面位置，使其绝 大部分光透射，透射的S偏振光经过四分之一波片203变成圆偏振光，此圆偏振光通过光学 天线后进入大气206，经过大气206后向散射的圆偏振光经相同的四分之一波片203，由于 其偏振方向发生了变化，变成了 P偏振光，当入射到分光面207上时反射膜起主导作用，绝 大部分光被反射，反射线偏振光正入射到二分之一波片204进行偏振态校正后又变成S偏 振光。图3是2 μ m脉冲激光放大级结构示意图。包括2 μ m连续激光种子源301、2μ m 激光脉冲放大器302、2 μ m全光纤声光移频器303、2 μ m在线式光纤分束器304及305、2 μ m 分光镜307和预扩束器306。其中，2μπι连续激光种子源301为窄线宽高光束质量的单 频2 μ m半导体激光器，其频率和功率稳定性极高，一般都在3 %以内，能够确保后续的放大 过程有良好的饱和度、大的信噪比以及较低低的相对强度噪声。2 μ m脉冲激光放大器302 为2 μ m光纤激光放大器，是一个对种子源激光模块进行全光纤放大的解决方案，该放大器 302采用了种子源注入和高功率放大器的主振荡功率放大器(MOPA)结构，当放大器302输 出不同的功率时，从MOPA输出的光信号仍然保持着种子光信号的窄线宽和低噪声。2 μ m分 光镜由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、硅片等，其表面的反射部分镀有 增加激光束反射效率的高反膜，透射部分镀有增加激光束透射效率的增透膜。2 μ m全光纤 声光移频器303是基于布拉格衍射原理制成的，其在射频驱动器的作用下可以对入射光进 行频率调制，使一级光衍射频率产生频移。当2 μ m连续激光种子源301激光器发射激光经 过2 μ m在线式光纤分束器305分束后，一束进入2 μ m在线式光纤分束器304，另一束则进入2 μ m全光纤声光移频器303中，2 μ m全光纤声光移频器303在射频驱动器作用下工作， 产生一级衍射光，一级衍射光注入到2 μ m激光脉冲放大器302中，经功率放大后的线偏振 光被2 μ m分光镜307分成一束反射光和一束透射光，通常透射光的效率较高，在99 %左右， 透射光可以经过与扩束器306扩束。图4是2 μ m单模光纤准直器结构示意图。该光纤准直器包括光纤尾纤401、光纤 插针402、金属套管403、格林透镜404、玻璃套管407、和光纤连接器406。其中梯度折射率 透镜即格林透镜404(Grin Lens)由透明材料制成，所述透明材料包括硅片和氧化物玻璃 等，其格林透镜404的入射端面形状为平面且此平面法线方向与格林透镜404发现方向有 8°夹角，目的是减少入射激光后向散射，起到隔离器的作用，也可以根据实际需要制成球 面、椭球面、锥面和楔形面，格林透镜(GRIN LENS)的两个端面镀有增加测试光源发射光束 透射效率的增透膜。玻璃套管407由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、透 明塑料和硅片。金属套管403由金属材料制成，所述金属材料包括金、铜、铝、钢等。将各器 件按照图4所示组装好，当激光入射到格林透镜404表面时，细心调节准直器的位置，可以 找到耦合效率最大的位置。图5是2μπι平衡式光电探测器结构示意图。如图5(b)所示包括信号光510、本振 光511、光电探测器512和513、前置放大器514和515、滤波器516和517、加法器或差分器 518、中频电流519及分束器520。2 μ m平衡式光电探测器依据平衡式外差监测理论<formula>formula see original document page 8</formula>
设计而成。其中，inl (t)、in2(t)—分别表示两支路中的散粒噪声电流。所用2 μ m 平衡式光电探测器光敏面口径为Imm左右，带宽150MHz，灵敏度0. 65A/W，可以达到衍射极 限水平，充分消除散粒噪声对外差信噪比的影响。当在一个探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管时，入射 的信号光510和本振光分别经过分束器520分为两束，然后分别入射到两个参数匹配的两 个反向(或同向时，在其中一路加入一个180°移相器)光电探测器513和514光敏面上进 行光混频，各自产生外差信号，分别通过前置放大器514和515后进入各自光路中的滤波器 516和517，最后经滤波的两路外差信号的中频电流经加法器518 (或差分器)输出平衡外 差中频电流信号I。ut。平衡接收机与单探测器接收机相比，有两个重要的优点①能有效的 抑制本振激光过剩强度的噪声，提高系统的灵敏度；②能充分利用本振激光器的能量。图6是使用离轴式卡塞格伦天线和2 μ m平衡式探测器的2 μ m全光纤相干激光多 普勒测风雷达结构示意图。包括2 μ m连续线偏振激光种子源601、2 μ m线偏振脉冲激光放 大器602、2μπι全光纤声光移频器603、在线式光纤分束器604及605、2μπι分光镜606、2μπι 单模光纤准直器607、预扩束器608、2 μ m强激光立方体分光棱镜609、四分之一波片610、 2 μ m离轴卡塞格伦光学天线系统次镜611、主镜612、二分之一波片613、2 μ m单模光纤准 直器614、在线式光纤合束器615及616、2 μ m监测探测器617和2 μ m平衡式外差探测器 618。在收发合置的离轴卡塞格伦光学天线调试完毕之后，2 μ m连续线偏振种子激光器 601发射的激光通过在线式光纤分束器604后分成两束，其中一束种子光作为本振光，本振 光被在线式光纤分束器605分成两束；另一束种子光经2 μ m全光纤声光移频器603后注入 到2 μ m线偏振脉冲激光放大器602中，经放大器放大的线偏振激光通过2 μ m分光镜606分成两束，反射光被2 μ m单模准直器607耦合进入光纤与一束本振光通过在线式光纤合束器615合束后注入到2 μ m监测探测器617的光敏面上，用来监测种子源激光器频率的稳 定性；而透射光被预扩束器608扩束，扩束的线偏振光经2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜 609和四分之一波片610后入射到光学天线的次镜611反射面上，之后线偏振光又被次镜反 射到主镜617反射面上，最终射向大气；被大气后向散射的光又依次经望远镜主镜611、次 镜612、四分之一波片610后被2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜609反射，反射光经二分之 一波片613后被2 μ m单模光纤准直器614耦合进入光纤，进入光纤的线偏振激光与另一束 本振光通过在线式光纤合束器616合束后注入到2 μ m平衡式探测器618光敏面上，通过示 波器可以观察外差信号的波形，然后经后续的信号处理既可以反演出风场的相关信息。其中，本振光要求是连续的，因此，在2 μ m连续种子源激光器601分出一路做本振 光，分别与脉冲激光放大器602和回波信号光进行拍频，从而观察外差信号波形。激光器发射系统采用的种子注入放大方式，性能良好的激光器种子源601注入到 脉冲调制放大器602中，经过放大的脉冲激光通过收发合置的离轴卡塞格伦光学天线发射 到大气中，之后与大气中的气溶胶粒子相互作用产生后向散射携带大气多普勒频移信息的 回波信号，其又经过收发合置离轴卡塞格伦光学天线接收，然后与本振光进行外差来获取 多普勒频移信息，当观察到外差信号频域波形之后，便可以通过数据信号处理系统进行实 时的大气风场数据采集，从而根据多普勒频移来反演出三维风场信息和风切变的变化规 律。图7是微弱回波信号直接经2 μ m单模光纤准直器耦合的2 μ m全光纤相干激光多 普勒测风雷达结构示意图。图7与图6工作过程基本相同，只是在考虑大气后向散射信号 极弱，因此在回波光路中去掉二分之一波片，把其移到本振光光路中，目的是减少二分之一 波片的插入损耗，增加信号光的利用率。这样回波依次经过光学天线720、45°平面反射镜 710及709、四分之一波片708和2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜707后直接通过2 μ m单 模光纤准直器耦合到单模光纤中；而本振光经在线式光纤分束器704分束后，在其中一光 路中插入两个2 μ m单模光纤准直器715和716及二分之一波片717，由于本振光比较强， 所以耦合到光纤线芯中的光功率还是较强的，这样不仅可以保证信号光和本振光偏振态相 同，而且可以与回波信号拍频，完成平衡式外差探测。图8是四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合的2 μ m全光纤相干 激光多普勒测风雷达结构示意图。图8与图7工作过程基本相同，只是光路中采用了四分 之一波片808与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜807胶合的结构来节省空间，不仅有利于 四分之一波片和2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜的调节，同时还有助于接收系统小型化。图9是四分之一波片和二分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合的 2μπι全光纤相干激光多普勒测风雷达结构示意图。这种方案和图6的工作过程相同，差别 在于将二分之一波片和四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合在了一起使 用，这样的好处是既节省了很大的调节空间，同时对于2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜和 波片的装调也比较容易，同图8相比较更加容易实现系统小型化的要求。图10是四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合且微弱回波信号经 二分之一波片后被2 μ m单模光纤准直器耦合的2 μ m全光纤相干激光多普勒测风雷达结构 示意图。图10与图6工作过程基本相同，这里就不再赘述，差别在于将四分之一波片与2 μ m强激光立方体偏振分光棱镜胶合在了 一起使用，并且节省了两个2 μ m单模光纤准直器，这 样不仅节省了调节空间，同时节省了成本。 最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的2μπι全光纤相干激光多普勒测风雷达系统的结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了 详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于该2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统包括2μm收发合置离轴卡塞格伦光学天线系统、2μm激光光束分光系统、2μm线偏振种子注入激光器放大级、2μm监测探测器系统和2μm平衡式外差探测系统。所述的2μm离轴卡塞格伦光学天线系统包括光学天线主镜和次镜，还包括预扩束系统。所述光学天线采用收发合置的离轴卡塞格伦的双发射式结构，双反射系统中采用二次曲面来达到消除各种初级象差，发射系统的参数设计主要考虑激光的光束截断以及激光照射到目标后的散斑效应。发射光学天线系统的发射光束直径10mm，发射光学天线系统放大倍数为15倍，主镜口径为160mm，有效口径为150mm；次镜口径为12.7mm，有效孔径为10mm。主镜和次镜都选用的非球面面型均为二次抛物面。主镜面型为抛物面，主镜顶点曲率半径1500mm，主镜的离轴量为190mm，次镜面型同样为抛物面，次镜顶点的曲率半径100mm，次镜的离轴量为12.67mm。系统视场角为0.1mrad，达到了衍射极限水平；接收光学天线有效主口径为150mm，瞬时视场角与相干接收视场角匹配2ω＝0.017mrad，系统有效焦距f’＝4500mm，成像质量要求达到衍射极限水平，波前畸变要求小于λ/20；当光学天线系统的有效口径为150mm，波长为2μm，作用距离为R＝1～10km时，在弱湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>15</mn> </mrow></msup> </mrow>情况下，系统的天线效率为0.51，在强湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>13</mn> </mrow></msup> </mrow>下，系统的天线效率为0.03。所述2μm平衡式外差探测系统包括2μm平衡式InGaAs光电探测器、2μm光纤准直器和光纤合束器。其中，2μm平衡式InGaAs光电探测器采用在一个探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管，依据平衡式外差监测理论设计而成，光敏面口径为1mm左右，带宽200MHz，灵敏度0.65A/W，可以达到衍射极限水平，充分消除散粒噪声对外差信噪比的影响。2μm连续线偏振种子激光器发射的激光通过在线式光纤分束器后分成两束，其中一束种子光作为本振光，本振光被在线式光纤分束器分成两束；另一束种子光经2μm全光纤声光移频器移频后注入到2μm线偏振脉冲激光放大级中，经放大级放大的线偏振激光通过2μm分光镜分成两束，反射光被2μm单模准直器耦合进入光纤与一束本振光通过合束器合束后注入到2μm监测探测器中；而透射光被预扩束系统扩束，扩束的线偏振光经2μm强激光立方体偏振分光棱镜和四分之一波片后入射，到光学天线的次镜反射面上，之后线偏振光又被次镜反射到主镜反射面上，最终射向大气；被大气后向散射的光又依次经望远镜主镜、次镜、四分之一波片后被2μm强激光立方体偏振分光棱镜反射，反射光经二分之一波片后被2μm光纤准直器耦合进入光纤，进入光纤的线偏振激光与另一束本振光通过在线式光纤合束器合束后注入到2μm平衡式探测器中。F2009102174030C00013.tif
2.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述光学天线主镜和次镜反射部分表面镀有增加激光光束反射效率的高反膜。
3.根据权利要求2所述的2u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述光学天线主镜和次镜反射部分表面的面型为抛物面、椭球面、双曲面和球面。
4.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m激光光束分光系统包括2 u m强激光立方体偏振分光棱镜、四分之一波片和二分之 一波片。
5.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m种子注入激光器放大级包括2 u m连续线偏振激光种子源、2 y m线偏振脉冲激光放大级、2 y m全光纤声光移频器、在线式光纤分束器和2 u m分束镜。
6.根据权利要求1所述的2 ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m监测探测器系统包括2 u m InGaAs光电探测器、在线式光纤合束器和2 u m单模光纤准直器。
全文摘要
一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其系统由2μm离轴卡塞格伦光学天线系统、2μm激光光束分光系统、2μm种子注入激光器放大级、2μm监测探测器系统和2μm平衡式外差探测系统构成。弥补了自由空间光路存在环境干扰的缺陷，克服了散粒噪声对外差接收信噪比的影响，解决了2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统全光纤小型化的问题，使2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统结构更加紧凑，此外，本发明还具有激光对于人眼安全、光路采用柔性光纤器件连接、可操作性强、稳定性好、成本低、实时性好、有效测量距离远和测量(测速和测距)精度高等特点，在相干激光多普勒测风雷达领域具有很高的实用价值。
文档编号G01S17/95GK101825710SQ20091021740
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者李彦超, 王春晖 申请人:哈尔滨工业大学