一种近红外波段适用相干测风激光雷达中继光学系统的制作方法

本发明涉及一种近红外波段适用相干测风激光雷达中继光学系统，可以为近红外波段相干测风激光雷达提供激光发射与接收的中继功能，并且对本地激光信号衰减可调节。可广泛应用于地基、机载与星载近红外波段相干测风激光雷达系统。

背景技术：

近红外波段相干激光测风雷达是进行全球高精度与高分辨率大气风场测量的首选激光遥感仪器，可广泛应用于低空大气层风场、湍流、气旋、局部雷暴等极端天气预警与测量领域。

在传统的相干测风激光雷达系统中，除了光学天线与光学扫描机构外，其它分系统均采用模块化或光纤传输路径作为系统的集成组件。其中模块化主要指激光器组件、声光调制组件、光电探测组件等，而光纤传输路径则包括光纤分束器、相位延迟器、光纤环形器等。以上系统组成方式能够使总体系统结构最紧凑、集成度更高。但是该方式存在对激光偏振态调制难度大、系统激光传输与外差效率低、测风能力有限等弊端。

本发明的技术解决方案是：一种近红外波段适用相干测风激光雷达中继光学系统，包括第一单模保偏光纤、第一光纤准直器、第一λ/2波片、第一偏振分束棱镜、第一扩束镜、第二λ/2波片、第二偏振分束棱镜、第一λ/4波片、第三λ/2波片、第二光纤准直器、第二扩束镜、第四λ/2波片、第三光纤准直器、第二单模保偏光纤、第三单模保偏光纤、第一可调光纤衰减器、第二可调光纤衰减器、第四单模保偏光纤、第五单模保偏光纤、第六单模保偏光纤、第七单模保偏光纤、第一2X2光纤分束器、第二2X2光纤分束器、第八单模保偏光纤、第九单模保偏光纤、第十单模保偏光纤、第十一单模保偏光纤；

由外部激光发射系统发出的脉冲激光信号经过第一单模保偏光纤传输，进入第一光纤准直器进行扩束准直，传播介质经由光纤空间转换到自由空间；扩束准直后的激光经过第一λ/2波片，传输到第一偏振分束棱镜后被分为两路，其中一路为第一偏振分束棱镜透射的激光信号，传输到第一扩束镜扩束后，经过第二λ/2波片，再传输到第二偏振分束器偏振分束棱镜，经过第一λ/4波片后由光学天线发射出去，形成第一输出信号，第一输出信号为相干测风激光雷达脉冲信号，用于与大气中分布的气溶胶进行碰撞，发生米氏散射，产生包含有风速多普勒频移激光回波信号；另一路为第一偏振分束棱镜反射的激光信号，经过第三λ/2波片，并由第二光纤准直器耦合进入第六单模保偏光纤，形成第二输出信号，第二输出信号为相干测风激光雷达参考本振脉冲激光信号，用于与连续本振激光信号发生信号干涉，产生后续的参考中频信号；

由外部激光发射系统发出的连续激光信号被光纤分束器以分束比为90:10分成两束，分别为第二输入信号和第三输入信号；其中90％的连续激光送进至第二单模保偏光纤，再经过第一可调光纤衰减器后，进入第四单模保偏光纤，第四单模保偏光纤的输出端连同第六单模保偏光纤的输出端一同进入第一2X2光纤分束器后，分别由第八单模保偏光纤和第九单模保偏光纤输出两路信号，这两路信号作为后续平衡式光电探测系统中的参考中频光输入信号；10％的连续激光送至第三单模保偏光纤，再经过第二可调光纤衰减器衰减后，进入第五单模保偏光纤；

由光学天线接收到的含有风速多普勒频移激光回波信号经过第一λ/4波片，通过第二偏振分束棱镜透射到倒置的第二扩束镜，将入射进第二扩束镜的激光束进行光斑直径缩束，缩束后经过第四λ/2波片传输到第三光纤准直器，然后耦合进第七单模光纤准直器；第七单模光纤准直器的输出端连同第五单模保偏光纤的输出端进入第二2X2光纤分束器进行合束，分别由第十单模保偏光纤和第十一单模保偏光纤输出，这两路信号作为后续平衡式光电探测系统中的风速提取的中频光输入信号。

将第一扩束镜、第二λ/2波片的放置位置进行调换，其它元件保持不变。

将第二扩束镜、第四λ/2波片位置进行调换，其它元件保持不变。

将第一扩束镜、第二λ/2波片放置位置进行调换，同时将第二扩束镜、第四λ/2波片位置进行调换，其它元件保持不变。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了该激光中继光学系统方案，该方案能适用于近红外波段相干测风激光雷达系统中，通用性与技术移植性强；

(2)本发明采用偏振分束镜、λ/2、λ/4、偏振分束棱镜、扩束镜与缩束镜等元件集成的中继光学系统，大幅提高了相干探测过程中外差效率，降低了激光发射信号损耗；

(3)本发明在激光发射脉冲信号传播路径上放置偏振分束棱镜，实现激光信号的分离，该信号与连续本振激光信号进行外差拍频后，所形成的中频电流信号为后续中频风场信号采集与处理。

附图说明

图1为实施方式一的系统示意图；

图2为实施方式二的系统示意图；

图3为实施方式三的系统示意图；

图4为实施方式四的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

一种近红外波段适用相干测风激光雷达中继光学系统，包括第一单模保偏光纤1、第一光纤准直器2、第一λ/2波片3、第一偏振分束棱镜4、第一扩束镜5、第二λ/2波片6、第二偏振分束棱镜7、第一λ/4波片8、第三λ/2波片9、第二光纤准直器10、第二扩束镜11、第四λ/2波片12、第三光纤准直器13、第二单模保偏光纤14、第三单模保偏光纤15、第一可调光纤衰减器16、第二可调光纤衰减器17、第四单模保偏光纤18、第五单模保偏光纤19、第六单模保偏光纤20、第七单模保偏光纤21、第一2X2光纤分束器22、第二2X2光纤分束器23、第八单模保偏光纤24、第九单模保偏光纤25、第十单模保偏光纤26、第十一单模保偏光纤27。

由激光发射系统发出的第一输入脉冲激光信号经过第一单模保偏光纤1传输，进入第一光纤准直器2进行扩束准直，传播介质经由光纤空间转换到自由空间；扩束准直后的激光经过第一λ/2波片3，传输到第一偏振分束棱镜4后被分为两路，其中一路为第一偏振分束棱镜4透射的激光信号，传输到第一扩束镜5扩束后，经过第二λ/2波片6，再传输到第二偏振分束器偏振分束棱镜7，经过第一λ/4波片8后由光学天线发射出去，形成第一输出信号，第一输出信号为相干测风激光雷达脉冲信号，该信号的用途是与大气中分布的气溶胶进行碰撞，发生米氏散射，产生包含有风速多普勒频移激光回波信号；另一路为第一偏振分束棱镜4反射的激光信号，经过第三λ/2波片9，并由第二光纤准直器10耦合进入第六单模保偏光纤20，形成第二输出信号，第二输出信号为相干测风激光雷达参考本振脉冲激光信号，该信号的用途是与连续本振激光信号发生信号干涉，产生后续的参考中频信号。

由激光发射系统发出的连续激光信号被光纤分束器以分束比为90:10分成两束，分别为第二输入信号和第三输入信号；其中90％的连续激光进入第二单模保偏光纤14，经过第一可调光纤衰减器16后，进入第四单模保偏光纤18，第四单模保偏光纤18的输出端连同第六单模保偏光纤20的输出端进入第一光纤合束/分束器22进行后，分别由第八单模保偏光纤24和第九单模保偏光纤25输出两路信号，这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的参考中频光输入信号；10％的连续激光进入第三单模保偏光纤15，再经过第二可调光纤衰减器17衰减后，进入第五单模保偏光纤19。

由光学天线接收到的含有风速多普勒频移激光回波信号经过第一λ/4波片8，通过第二偏振分束棱镜7透射到倒置的第二扩束镜11它的功能是将入射进入该元件的激光束进行光斑直径缩束，缩束后经过第四λ/2波片12传输到第三光纤准直器13，然后耦合进第七单模光纤准直器21，该信号为第四输入信号；第七单模光纤准直器21的输出端连同第五单模保偏光纤19的输出端进入第二2X2光纤分束器23进行合束，分别由第十单模保偏光纤26和第十一单模保偏光纤27输出，形成这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的风速提取的中频光输入信号。

实施方式二：本实施方式如图2所示，由激光发射系统发出的第一输入脉冲激光信号经过第一单模保偏光纤1传输，进入第一光纤准直器2进行扩束准直，传播介质经由光纤空间转换到自由空间；扩束准直后的激光经过第一λ/2波片3，传输到第一偏振分束棱镜4后被分为两路，其中一路为第一偏振分束棱镜4透射的激光信号，传输到第二λ/2波片6，经过第一扩束镜5扩束后，再传输到第二偏振分束器偏振分束棱镜7，经过第一λ/4波片8后由光学天线发射出去，形成第一输出信号，第一输出信号为相干测风激光雷达脉冲信号，该信号的用途是与大气中分布的气溶胶进行碰撞，发生米氏散射，产生包含有风速多普勒频移激光回波信号；另一路为第一偏振分束棱镜4反射的激光信号，经过第三λ/2波片9，并由第二光纤准直器10耦合进入第六单模保偏光纤20，形成第二输出信号，第二输出信号为相干测风激光雷达参考本振脉冲激光信号，该信号的用途是与连续本振激光信号发生信号干涉，产生后续的参考中频信号。

由激光发射系统发出的连续激光信号被光纤分束器以分束比为90:10分成两束，分别为第二输入信号和第三输入信号；其中90％的连续激光进入第二单模保偏光纤14，经过第一可调光纤衰减器16后，进入第四单模保偏光纤18，第四单模保偏光纤18的输出端连同第六单模保偏光纤20的输出端进入第一光纤合束/分束器22进行后，分别由第八单模保偏光纤24和第九单模保偏光纤25输出两路信号，这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的参考中频光输入信号；10％的连续激光进入第三单模保偏光纤15，再经过第二可调光纤衰减器17衰减后，进入第五单模保偏光纤19。

由光学天线接收到的含有风速多普勒频移激光回波信号经过第一λ/4波片8，通过第二偏振分束棱镜7透射到倒置的第二扩束镜11它的功能是将入射进入该元件的激光束进行光斑直径缩束，缩束后经过第四λ/2波片12传输到第三光纤准直器13，然后耦合进第七单模光纤准直器21，该信号为第四输入信号；第七单模光纤准直器21的输出端连同第五单模保偏光纤19的输出端进入第二2X2光纤分束器23进行合束，分别由第十单模保偏光纤26和第十一单模保偏光纤27输出，形成这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的风速提取的中频光输入信号。

实施方式三：本实施方式如图3所示，由激光发射系统发出的第一输入脉冲激光信号经过第一单模保偏光纤1传输，进入第一光纤准直器2进行扩束准直，传播介质经由光纤空间转换到自由空间；扩束准直后的激光经过第一λ/2波片3，传输到第一偏振分束棱镜4后被分为两路，其中一路为第一偏振分束棱镜4透射的激光信号，传输到第一扩束镜5扩束后，经过第二λ/2波片6，再传输到第二偏振分束器偏振分束棱镜7，经过第一λ/4波片8后由光学天线发射出去，形成第一输出信号，第一输出信号为相干测风激光雷达脉冲信号，该信号的用途是与大气中分布的气溶胶进行碰撞，发生米氏散射，产生包含有风速多普勒频移激光回波信号；另一路为第一偏振分束棱镜4反射的激光信号，经过第三λ/2波片9，并由第二光纤准直器10耦合进入第六单模保偏光纤20，形成第二输出信号，第二输出信号为相干测风激光雷达参考本振脉冲激光信号，该信号的用途是与连续本振激光信号发生信号干涉，产生后续的参考中频信号。

由激光发射系统发出的连续激光信号被光纤分束器以分束比为90:10分成两束，分别为第二输入信号和第三输入信号；其中90％的连续激光进入第二单模保偏光纤14，经过第一可调光纤衰减器16后，进入第四单模保偏光纤18，第四单模保偏光纤18的输出端连同第六单模保偏光纤20的输出端进入第一光纤合束/分束器22进行后，分别由第八单模保偏光纤24和第九单模保偏光纤25输出两路信号，这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的参考中频光输入信号；10％的连续激光进入第三单模保偏光纤15，再经过第二可调光纤衰减器17衰减后，进入第五单模保偏光纤19。

由光学天线接收到的含有风速多普勒频移激光回波信号经过第一λ/4波片8，通过第二偏振分束棱镜7透射到第四λ/2波片12，然后进行倒置的第二扩束镜11，它的功能是将入射进入该元件的激光束进行光斑直径缩束，缩束后的激光束传输到第三光纤准直器13，然后耦合进第七单模光纤准直器21，该信号为第四输入信号；第七单模光纤准直器21的输出端连同第五单模保偏光纤19的输出端进入第二2X2光纤分束器23进行合束，分别由第十单模保偏光纤26和第十一单模保偏光纤27输出，形成这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的风速提取的中频光输入信号。

实施方式四：本实施方式如图4所示，本实施方式如图2所示，由激光发射系统发出的第一输入脉冲激光信号经过第一单模保偏光纤1传输，进入第一光纤准直器2进行扩束准直，传播介质经由光纤空间转换到自由空间；扩束准直后的激光经过第一λ/2波片3，传输到第一偏振分束棱镜4后被分为两路，其中一路为第一偏振分束棱镜4透射的激光信号，传输到第二λ/2波片6，经过第一扩束镜5扩束后，再传输到第二偏振分束器偏振分束棱镜7，经过第一λ/4波片8后由光学天线发射出去，形成第一输出信号，第一输出信号为相干测风激光雷达脉冲信号，该信号的用途是与大气中分布的气溶胶进行碰撞，发生米氏散射，产生包含有风速多普勒频移激光回波信号；另一路为第一偏振分束棱镜4反射的激光信号，经过第三λ/2波片9，并由第二光纤准直器10耦合进入第六单模保偏光纤20，形成第二输出信号，第二输出信号为相干测风激光雷达参考本振脉冲激光信号，该信号的用途是与连续本振激光信号发生信号干涉，产生后续的参考中频信号。

由激光发射系统发出的连续激光信号被光纤分束器以分束比为90:10分成两束，分别为第二输入信号和第三输入信号；其中90％的连续激光进入第二单模保偏光纤14，经过第一可调光纤衰减器16后，进入第四单模保偏光纤18，第四单模保偏光纤18的输出端连同第六单模保偏光纤20的输出端进入第一光纤合束/分束器22进行后，分别由第八单模保偏光纤24和第九单模保偏光纤25输出两路信号，这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的参考中频光输入信号；10％的连续激光进入第三单模保偏光纤15，再经过第二可调光纤衰减器17衰减后，进入第五单模保偏光纤19。

由光学天线接收到的含有风速多普勒频移激光回波信号经过第一λ/4波片8，通过第二偏振分束棱镜7透射到第四λ/2波片12，然后进行倒置的第二扩束镜11，它的功能是将入射进入该元件的激光束进行光斑直径缩束，缩束后的激光束传输到第三光纤准直器13，然后耦合进第七单模光纤准直器21，该信号为第四输入信号；第七单模光纤准直器21的输出端连同第五单模保偏光纤19的输出端进入第二2X2光纤分束器23进行合束，分别由第十单模保偏光纤26和第十一单模保偏光纤27输出，形成这两路信号作为相干测风激光雷达系统中平衡式光电探测系统中的风速提取的中频光输入信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。