一种全光纤直接探测测风激光雷达系统及其闭环控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种全光纤直接探测测风激光雷达系统及其闭环控制方法，该系统包括光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而根据多普勒频移反演出风速；该激光雷达采用全光纤结构，具有体积小，重量轻的优点，该雷达造价低，通过3级闭环控制，提高激光雷达的环境适应性和工作稳定性。
【专利说明】一种全光纤直接探测测风激光雷达系统及其闭环控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于直接探测测风激光雷达【技术领域】，具体涉及一种全光纤直接探测测风激光雷达及其闭环控制方法。
【背景技术】
[0002]20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日趋成熟，直接探测技术以其独特的优势(空间时间分辨率高、测量精度高、空间覆盖范围大等)在测风激光雷达领域逐渐引起关注。
[0003]1989年法国Chanin研究小组首次报道中层大气平均风场激光雷达的测量，该测风激光雷达系统采用FP (Fabry-Perot)标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气水平风速的一维分量，其工作波长为532nm，测量高度为25_60km，通过添加第四个指向北的望远镜，实现了平流层大气水平风速的测量。1993年Souprayen等人改进了系统，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷达，探测范围扩展为8_50km，垂直分辨率为150m。
[0004]美国NASA在直接探测多普勒测风激光雷达系统的研究中也做了大量的研究工作。1992年，Korb等人提出了单边缘探测技术，1998年发展了双边缘探测技术，NASAGoddard航天中心从1995年开始论证和开展测风激光雷达研究，随后车载直接探测测风激光雷达研制成功。此系统采用双边缘直接探测技术，包含355nm分子接收通道和1064nm气溶胶接收通道。测量范围1.8-35km。
[0005]国内的中国科学技术大学、中国海洋大学和中国科学院安徽光学精密机械研究所在该【技术领域】各有突破。2006年中国科学技术大学激光雷达课题组成功研制了一台可移动式低对流层风场观测系统，此系统采用适合星载激光雷达计划的、国际上先进的Fabry-Perot双边缘鉴频技术，探测距离在0.2_10km，距离分辨率为30m，速度精度4.5km处小于2m/S。
[0006]现有的采用FP标准具边缘技术的直接探测测风激光雷达存在一个共同的缺陷，就是体积大，即使是可移动的雷达系统，也需要较大型的运输设备进行运输。在较为恶劣的环境(如机载，舰载)中，由于空间光学器件搭载的光路稳定性不够好，强振动和大温差环境会导致严重的系统误差。另外现有激光雷达观测过程中各个功能模块的控制较为复杂，观测不够智能化。
[0007]直接探测测风激光雷达目前只在1064nm、532nm、355nm工作波长实现。本发明公开一种工作波长为1.5微米的直接探测激光雷达。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题为:现有直接探测测风激光雷达具有体积大、空间光学器件搭建的光路稳定性差、成本高、控制方式不够智能化的缺点。本发明公开一种工作波长为1.5微米的直接探测测风激光雷达。在该波长，人眼允许曝光功率高、大气透过率高，因此可以采用小口径收发同置望远镜实现小型化测风激光雷达系统。该激光雷达采用全光纤结构，具有体积小，重量轻的优点。1.5微米为光通信波长，光通信器件技术成熟，性价比高，因此该雷达造价低。通过3级闭环控制，提高激光雷达的环境适应性和工作稳定性。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提出了一种全光纤直接探测测风激光雷达系统，该系统工作波长在光通信波段，工作波长为1.5um，采用全光纤结构，系统包括光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而反演出风速。
[0010]本发明还提出了一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，该控制方法利用三级闭环控制，实现雷达的闭环控制，利用锁频部分的气体(可以选择12C2H2、H13C14N、12C0、13C0或者以上几种气体的混合气体)吸收池检测激光频率漂移，根据获得的漂移信息校正激光频率，从而将激光频率锁定，形成闭环控制I ;通过测量发射部分的延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件上的透过率，根据此透过率来调节鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置；压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力，使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，从而保证在执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致。
[0011]其中，所述的闭环控制I模块包括偏振分束器PBS，气体吸收池，第一单光子计数器SPCM，第二单光子计数器SPCM，任意波形发生器AWG和压电陶瓷PZT，其中，偏振分束器PBS为50/50分束器，用于将激光等比例分为两路，一路进入气体吸收池，一路直接进入单光子计数器；吸收池利用气体固有的吸收谱，通过探测激光经过吸收池的透过率，来获得激光的频率在气体吸收谱上的位置，从而获得激光频率的漂移信息，吸收池中气体成分可以为12C2H2、H13C14N、12C0、13C0或者以上这几种气体的混合气体；第一单光子计数器SPCM、第二单光子计数器SPCM分别用于探测通过吸收池和未通过吸收池的激光强度，从而得到通过吸收池的激光透过率，利用此透过率，可以得到激光频率在气体吸收谱上的位置，从而得到激光频率的漂移信息；任意波形发生器利用计算机生成的关于激光频率漂移的反馈信号，产生校正激光频率所需的控制电压；压电陶瓷受到控制电压的作用，长度发生相应改变，从而调节光纤Bragg光栅FBGl的周期结构，从而锁定发射激光的频率；锁频部分通过吸收池检测激光频率漂移，利用获得的漂移信息校正激光频率，形成闭环控制I。
[0012]其中，所述的闭环控制2，通过测量出射激光在发射部分的延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件上的透过率，获得鉴频器中心波长相对于出射激光波长的位置，通过改变鉴频器控制器的输入电压，对鉴频器件施加轴向应力，调整光纤FP干涉仪的FP腔长，从而移动鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置。
[0013]其中，所述的闭环控制3，利用压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力和温控，可以使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，当执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致，在滤掉背景噪声光的同时，激光雷达回波信号被反射到鉴频器中，实现强背景光噪声条件下的探测。
[0014]本发明的优点和积极效果为:
[0015]本发明公开一种工作波长在光通信波段的基于直接探测技术的测风激光雷达。由于光通信器件技术和工艺成熟，该激光雷达具有全光纤结构，体积小，重量轻，造价低的优点。由于其高度集成的全光纤链路结构没有任何空间光学器件，所以适合机载和舰载等强振动、大温差的恶劣环境。
[0016]本发明通过主动调制方法将激光雷达工作波长锁定在气体吸收线边缘形成闭环控制1，可以消除环境因素例如强振动、大温差导致的系统中激光器波长漂移导致的误差。作为工作波长参考的气体吸收线可以具体为12C2H2、H13C14N、12C0、13C0等气体的吸收线。
[0017]本发明通过测量一段延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件上的透过率，并通过改变输入电压调节鉴频器的中心波长形成闭环控制2，将鉴频器件锁定在出射波长。
[0018]传统FPI在通过改变压电陶瓷电压调制腔长时，由于采用空间光学器件，为了保证FPI两个反射镜面的平行，需要多个压电陶瓷调节空间三维驱动位置。这种空间光学结构需要精密电容来检测FPI腔长变化，而复杂电子设备的散热将导致FPI频移。本发明采用光纤集成式FPI，只需要单个压电晶体对两根光纤施加轴向应力来调整腔长。
[0019]本发明通过压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅。通过预加轴向应力和温控，可以使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3。当执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致。在滤掉背景噪声光的同时，激光雷达回波信号被反射到鉴频器中，实现强背景光噪声条件下(如太阳直射，城市灯光等)的探测。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明总设计图，I为光学发射部分，2为锁频部分，3为发射部分，4为接收部分；
[0021]图2为本发明单边缘测风原理；
[0022]图3为本发明氰化氢吸收谱线及锁频原理；图3 Ca)图为实测的氰化氢的吸收谱线，(b)图为放大后的两条1550nm附近的谱线，将出射激光频率设定在这其中一条谱线的半腰位置(如(b)图中所示)；
[0023]图4 为本发明光纤 FP 干涉仪(Fiber Fabry-Perot Interferometer)。图中 51 为高反膜，52为增透膜，53为光纤，54为压电晶体。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0025]如附图1中的总设计图，该雷达为全光纤直接探测测风激光雷达，没有外露的空间光路，系统分为四个部分，光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分。
[0026]光学发射部分用于发射经调制和放大后的特定频率和特定脉冲宽度的激光脉冲；锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据漂移调整激光频率，进而校准和锁定激光频率；发射部分用于以特定角度将激光脉冲发射到大气中，并接收大气后向散射的回波信号，并主动将近场信号进行衰减，防止近场信号引起单光子计数探测器饱和而导致信号失真；接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤FP干涉仪，另一路不经过干涉仪，作为能量参考，通过两路信号强度之比获得回波信号经过干涉仪的透过率，再结合延时光纤中瑞利散射回波信号经过干涉仪的透过率，反演出风速。
[0027]光学发射部分采用环形光纤种子光源，激光二极管LDll发射的激光，通过波分复用器件WDM12进入掺饵光纤EDF113，进而激发掺饵光纤内部发生跃迁，产生1.55 μ m的光，此光进入以下环路:隔离器14、偏振控制器PC15、偏振分束器PBS16、环行器17、掺铒光纤EDF218、光纤Bragg光栅FBGl 19、掺饵光纤EDF218、环行器17、波分复用器件WDM12、掺饵光纤EDF113，由此形成一个完整的激光震荡环路。在这个环路中，隔离器将光纤中散射和端口反射的回波信号隔断，防止回波信号强度过大破坏硬件；偏振控制器可以根据需要设定光的偏振方向，通过设定不同的偏振方向，来控制偏振分束器的分束比；偏振分束器将由偏振控制器出射的偏振光按一定比例，一部分入射到发射光路中用于观测，另一部分继续留在环路中。光经过环行器后，进入第二个掺饵光纤EDF2，进行第二次放大，之后进入光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅对谱宽较宽的1.55 μ m的光进行滤波，将谱宽变窄，在本发明的该实施例中，带宽小于0.1nm,中心波长1547nm,反射率大于99%。经过光纤Bragg光栅后的窄带光再次经过掺饵光纤EDF2时，掺饵光纤会在窄带激光的诱导下产生受激辐射，从而起到对窄带1547nm光的放大作用。之后，窄带光经过环行器，然后经过波分复用器件，波分复用器件作用是将激光二极管发射的激光与1547nm的光耦合到一起。经过短时间的起振后，在整个环形腔内的光稳定在光纤Bragg光栅的窄带反射谱宽和中心频率位置。起振结束后，通过偏振分束器出射的光经过分束器110，按一定比例，一部分进入到锁频部分用于锁频，另一部分首先进入声光调制器A0M111，经调制变为200ns脉冲光，之后进入掺饵光纤放大器EDFA1113和EDFA2114，进行两级放大。之后经过隔离器115后进入发射部分。
[0028]锁频部分，由分束器110出射的用于鉴频的光进入分束器21，按50/50比例分别进入鉴频部分的两个臂，一个臂中的光首先经过气体吸收池22，再经过单光子计数器SPCM23，测量光经过吸收池后的强度；另一个臂中的光直接进入单光子计数器24，测量不经过吸收池的强度；两个强度的比值即为激光经过吸收池的透过率。气体吸收谱线在恒温条件下是固定不变的，如图3，a图为实测的氰化氢的吸收谱线，b图为放大后的两条1550nm附近的谱线，将出射激光频率设定在这其中一条谱线的半腰位置(如b图中所示)，通过测量出射激光经过气体吸收池后的透过率变化情况，可以得知激光的频率漂移信息，并产生反馈信号输入到计算机48，计算机根据此反馈信号生成相应的校正指令给任意波形发生器AWG25，任意波形发生器根据指令产生相应的控制电压，来控制压电陶瓷PZT26的长度，从而调节光纤Bragg光栅FBG119的周期结构，也就校正了光纤Bragg光栅反射峰的中心频率，从而对激光进行相应的频率校正，最终将激光频率稳定在气体吸收谱上一个固定的位置，形成闭环控制1，达到锁频作用。
[0029]发射部分包括环行器31，延时单模光纤SMF32，望远镜34，棱镜35，电光调制器E0M36，任意波形发生器AWG37和控制器33，由光学发射部分出射的激光经过环行器后，进入延时单模光纤，通过测量一段延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件44上的透过率，并通过改变鉴频器控制器47的输入电压调节鉴频器的中心波长形成闭环控制2，将鉴频器件的透过率曲线锁定在正确的位置，使得出射波长处在透过率曲线的半腰位置(如图2)。从延时光纤出射的激光经过望远镜34后，通过由控制器33控制角度的棱镜，以特定的方位角入射到大气中，回波信号通过棱镜同轴入射到望远镜中，经过延时光纤，再通过环行器后进入电光调制器36中，衰减近场信号，由于为了提高激光雷达的探测距离，在光学望远镜口径一定的前提下，增大激光雷达的发射功率是有效的方法之一，而近场大气散射回波较强，探测器容易饱和，光强调制器能够根据回波信号的特征主动智能电光调制激光雷达信号的动态范围，可以在保障远程信号极大信噪比的前提下，抑制近场信号，避免光电探测器近场信号饱和。
[0030]接收部分包括环行器41，光纤Bragg光栅42，光纤FP干涉仪44，干涉仪控制器47和两个单光子计数器45和46，经过光强调制的信号经过环行器后，进入光纤Bragg光栅42，由于本发明通过压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力和温控，可以使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3。当执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致。在滤掉背景噪声光的同时，激光雷达回波信号被反射到鉴频器中。经过滤除背景噪声光的信号通过环行器后，进入50/50分束器，从分束器出来的信号一路经过光纤FP干涉仪后进入单光子计数器，另一路直接进入单光子计数器。通过两个计数器的信号比值来获得透过率，从而得知多普勒频移。光纤FP干涉仪的结构如图4所示，两个镀上高反膜51、经过严格对齐的光纤端面形成FP腔，腔内一小段镀上增透膜52的单模光纤用于导光并且将其镀上增透膜以防止二级FP腔的形成；腔外的压电晶体54受到电压控制产生相应的轴向应力以控制FP腔长，从而改变FP透过率曲线中心波长的位置。在本发明的该实施例中，考虑风速测量的动态范围，根据气象风速等级，将动态范围设置为-50~50m/s,根据工作波长、径向风速和多普勒频移的关系:V = Δ V.λ/2，其中V是径向风速，Λ V是多普勒频移，λ是激光频率，可知，当风速50m/s时，多普勒频移为64.5MHz，激光脉冲的谱宽为3.9MHz，所以根据此频率的动态范围，可以知道光纤FP干涉仪的半高全宽(FWHM)取值应至少为(64.5+3.9) *2=136.8MHz，根据厂家产品信息表，取值150MHz。如图2所示，通过干涉仪控制器47扫描干涉仪的腔长，使得出射激光处在FFPI透过率曲线的半腰位置，当回波信号相对出射激光发生多普勒频移时 ，其在透过率曲线上的位置就会发生变化，通过检测透过率变化，可以得知多普勒频移信息，从而反演出径向风速。
[0031]下面根据上述实施例的测风激光雷达来说明本发明的测风方法。入射到干涉仪的气溶胶后向散射信号的光谱函数可表达为:
【权利要求】
1.一种全光纤直接探测测风激光雷达系统，其特征在于，该系统工作波长在光通信波段，工作波长为1.5um，采用全光纤结构，系统包括光学发射部分(I )、锁频部分(2)、发射部分(3)和接收部分(4)，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而根据多普勒频移反演出风速。
2.一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，其特征在于，该控制方法利用三级闭环控制，实现雷达的闭环控制，利用锁频部分的气体吸收池(22)检测激光频率漂移，根据获得的漂移信息校正激光频率，从而将激光频率锁定，形成闭环控制I ;通过测量发射部分的延时光纤(32)中的瑞利后向散射在鉴频器件(44)上的透过率，根据此透过率来调节鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置；压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅(19) (42)，通过预加轴向应力，使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，从而保证在执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅(42)的反射峰波长与激光器出射光波长一致。
3.根据权利要求2所述的一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，其特征在于，所述的闭环控制I模块包括偏振分束器PBS (21)，气体吸收池(22)，第一单光子计数器SPCM (23)，第二单光子计数器SPCM (24)，任意波形发生器AWG (25)和压电陶瓷PZT(26)，其中，偏振分束器PBS为50/50分束器，用于将激光等比例分为两路，一路进入气体吸收池，一路直接进入单光子计数器；吸收池利用气体固有的吸收谱，通过探测激光经过吸收池的透过率，来获得激光的频率在气体吸收谱上的位置，从而获得激光频率的漂移信息，吸收池中气体成分可以为12C2H2、H13C14N、12C0、13C0或者以上这几种气体的混合气体?’第一单光子计数器SPCM (23 )、第二单光子计数器SPCM (24)分别用于探测通过吸收池和未通过吸收池的激光强度，从而得到通过吸收池的激光透过率，利用此透过率，可以得到激光频率在气体吸收谱上的位置，从而得到激光频率的漂移信息；任意波形发生器利用计算机生成的关于激光频率漂移的反馈信号，产生校正激光频率所需的控制电压；压电陶瓷受到控制电压的作用，长度发生相应改变，从而调节光纤Bragg光栅FBGl (19)的周期结构，从而锁定发射激光的频率；锁频部分通过吸收池检测激光频率漂移，利用获得的漂移信息校正激光频率，形成闭环控制I。
4.根据权利要求2所述的一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，其特征在于，所述的闭环控制2，通过测量出射激光在发射部分的延时光纤(32)中的瑞利后向散射在鉴频器件(44)上的透过率，获得鉴频器中心波长相对于出射激光波长的位置，通过改变鉴频器控制器(47)的输入电压，对鉴频器件(44)施加轴向应力，调整光纤FP干涉仪的FP腔长，从而移动鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置。
5.根据权利要求2所述的一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，其特征在于，所述的闭环控制3，利用压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力和温控，可以使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，当执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅(42)的反射峰波长与激光器出射光波长一致，在滤掉背景噪声光的同时，激光雷达回波信号被反射到鉴频器中，实现强背景光噪声条件下的探测。
【文档编号】G01S17/95GK103499820SQ201310451469
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】夏海云, 赵若灿, 窦贤康, 孙东松, 上官明佳, 舒志峰, 韩於利 申请人:中国科学技术大学