一种便携式全自动微脉冲测风激光雷达系统的制作方法

本公开属于激光雷达探测大气领域，特别涉及一种便携式全自动微脉冲测风激光雷达系统。

技术背景

近地层大气风场的探测对短期气象预报、军事国防、航空安全预警、风能评估等诸多方面都有重要意义。采用激光雷达对近地层风速测量，可以弥补微波雷达在晴空时探测的不足，同时在测量时可以得到较高的风速测量精度和距离分辨率。为了适应复杂多变的测量要求，便携式相干测风激光雷达系统成为发展趋势。

技术实现要素：

基于此，本公开揭示了一种便携式全自动微脉冲测风激光雷达系统，所述系统包括：

工控机、波形驱动器、主振荡激光器、放大级激光器、收发光学器、2×2光纤耦合器、平衡式探测器；

所述工控机为所述系统的控制中心；

所述系统通过用户对工控机发送远程指令，从而对系统的数据采集和上电进行控制；

所述波形驱动器用于产生重复频率为10k～20khz，高电平宽度为100～500ns的电信号波形；

所述主振荡激光器用于产生连续的本振光和种子激光，并且所述主振荡激光器根据波形驱动器的波形将种子激光调制为脉冲激光；

所述主振荡激光器将产生的脉冲激光发送给放大级激光器，将所产生的连续本振光发送给2×2光纤耦合器；

所述放大级激光器用于将接收到的脉冲激光进行放大并输出至收发光学器；

所述收发光学器用于接收大气中气溶胶粒子对放大级激光器输出的脉冲激光的后向散射回波光信号，输出所述后向散射回波光信号至放大激光器，并从放大激光器输出至2×2光纤耦合器；

所述2×2光纤耦合器用于对连续本振光和后向散射回波光信号进行混合，并将混合后的光信号输出至平衡式探测器；

所述平衡式探测器用于探测所述混合后的光信号，并将探测结果转换为电信号，并将所述电信号进行输出。本公开的有益效果在于：

1、本公开采用人眼安全的全光纤激光器和全光纤器件，系统体积小(≤500×500×300mm)、重量轻(≤30kg)、功耗低(运行功耗≤100w，待机功耗≤10w)、环境适应性较强(工作环境温度：0℃-40℃，防水)，便于单人携带部署，易于维护；系统上电全自动运行，适合非专业人士操作；系统通过北斗通信系统与控制中心通信，实现了远程配置和远程实时获取测量结果。

2、本公开具有高度分辨率可调(50—300m)、风速测量精度高(风速精度：≤1m/s、风向精度：≤±10°)、时间分辨率高(≤3s)等特点。

附图说明

图1为本公开一个实施例中一种便携式全自动微脉冲相干测风激光雷达系统框图；

其中：1-主振荡激光器，1-1为种子激光器、1-2为一分二光纤分束器、1-3为声光调制器，2-放大级激光器，2-1为光纤放大器，2-2为光纤环形器，3-收发光学器，3-1为扩束镜、3-2为望远镜，3-3为楔形扫描镜，4-波形驱动器，5为2×2光纤耦合器，6-平衡式探测器，7-扫描电机驱动器，8-工控机，9-采集处理电路，10-串口开关模块，11-电子罗盘，12-北斗通讯模块；

图2(a)为本公开一个实施例中收发光学器对脉冲激光实现偏转和扫描功能原理图；

图2(b)为本公开一个实施例中扫描电机、楔形镜和电子罗盘装配角度示意图。

具体实施方式

下面结合图1-2附图及具体实施方式详细介绍本公开。

在一个实施例中，本公开揭示了一种便携式全自动微脉冲测风激光雷达系统，所述系统包括：

工控机、波形驱动器、主振荡激光器、放大级激光器、收发光学器、2×2光纤耦合器、平衡式探测器；

所述工控机为所述系统的控制中心；

所述系统通过用户对工控机发送远程指令，从而对系统的数据采集和上电进行控制；

所述波形驱动器用于产生重复频率为10k～20khz，高电平宽度为100～500ns的电信号波形；

所述主振荡激光器用于产生连续的本振光和种子激光，并且所述主振荡激光器根据波形驱动器的波形将种子激光调制为脉冲激光；

所述主振荡激光器将产生的脉冲激光发送给放大级激光器，将所产生的连续本振光发送给2×2光纤耦合器；

所述放大级激光器用于将接收到的脉冲激光进行放大并输出至收发光学器；

所述收发光学器用于接收大气中气溶胶粒子对放大级激光器输出的脉冲激光的后向散射回波光信号，输出所述后向散射回波光信号至放大激光器，并从放大激光器输出至2×2光纤耦合器。

所述2×2光纤耦合器用于对连续本振光和后向散射回波光信号进行混合，并将混合后的光信号输出至平衡式探测器；

所述平衡式探测器用于探测所述混合后的光信号，并将探测结果转换为电信号进行输出。

更优的，所述系统还包括北斗通讯模块；

所述北斗通讯模块用于充当用户和工控机之间进行信息交互的媒介。

本实施例的目的是填补国内便携式相干测风激光雷达系统的空缺，提供一套基于波长为1.55μm的全光纤器件的测风激光雷达系统。系统主要特点有：体积小、重量轻、功耗低，适合单人携带、部署；单脉冲能量低，且位于人眼安全波段；具有上电全自动运行功能、错误自检排除功能；可以通过北斗通信模块进行远程配置，以获取不同探测高度、不同高度分辨率的矢量风场数据，矢量风场数据亦可通过北斗通信模块远程传输。

本公开所述的系统全自动上电，通过用户远程发送指令进行系统上电，指令发送后系统根据默认配置参数运行，同样，用户也可以远程设置参数，设置参数包括探测的距离分辨率、探测距离、工作时间等。用户发送指令开始测量后，北斗通信模块接收到指令传输给工控机，工控机通过串口开关模块，分别启动激光器、采集卡、探测器、电机驱动器模块，运行在工控机上的主控程序等待所有模块上电成功且状态稳定(主要是激光器能量稳定需要几秒钟的时间，取决于激光器)后，根据默认采集参数或者用户通过北斗通信模块发送的采集参数设置采集卡和电机驱动器，获取结果后工控机将结果通过北斗通信模块发送给用户。本公开的全自动运行主要通过运行在工控机上的主控程序实现的。

本公开所述的系统采用了全光纤的激光器和全光纤的中继光学系统，相比于固体激光器和自由空间中继光路，集成度更高、重量更轻、体积也更小。

本公开所述的系统在非采集状态下通过串口开关模块关闭耗电量高的激光器、采集卡、电机驱动器等模块，只保留工控机和北斗通信模块处于工作状态。同时，由于采用了全光纤激光器，电光转换效率更高。

如图1所示：所述系统包含工控机、主振荡激光器、波形驱动器、放大级激光器、收发光学器、2×2光纤耦合器、平衡式探测器、北斗通信模块。

所述工控机包括8个端口，端口1与所述波形驱动器端口1相连，端口2与所述波形驱动器端口1相连，端口3与所述放大级激光器端口1相连，端口4与所述采集处理电路端口1相连，、端口7与所述北斗通信模块端口1相连。

所述主振荡激光器包含4个端口，端口1与所述工控机端口2相连，端口2与所述波形驱动器端口2相连，端口3与所述放大级激光器端口2相连，端口4与所述2×2光纤耦合器端口1相连。

所述波形驱动器包含两个端口，端口1与所述工控机端口1相连，端口2与所述主振荡激光器端口2相连。所述波形驱动器发出的波形取决于激光器特性，通常为三角波。

所述放大级激光器包含4个端口，端口1与所述工控机端口3相连，端口2与所述主振荡激光器端口3相连，端口3与所述收发光学器端口1相连，端口4与所述2×2光纤耦合器端口2相连。

所述收发光学器包含2个端口，端口1与所述放大级激光器端口3相连。

所述2×2光纤耦合器包含4个端口，端口1与所述主振荡激光器端口4相连，端口2与所述放大级激光器端口4相连，端口3和4与所述平衡式探测器端口1和2相连。

所述平衡式探测器包含3个端口，端口1和2分别与所述2×2光纤耦合器端口3和4相连。

所述北斗通信模块包含1个端口，与工控机端口7相连。

工控机8是系统控制中心，采用低功耗、高性能、嵌入式、小型化工控机。工控机8与波形驱动器4通过usb端口相连，控制波形驱动器4产生不同重复频率、不同占空比的波形，波形驱动器4与主振荡激光器1通过同轴线缆相连，驱动主振荡激光器1产生不同重复频率、脉宽的脉冲激光；工控机8与主振荡激光器1通过串口相连，控制和读取主振荡激光器1的工作状态；工控机8与放大级激光器2通过串口相连，控制和读取放大级激光器2输出脉冲能量和工作状态；工控机8与北斗通信模块12通过串口相连，通过北斗通信模块与用户进行信息交换。

在一个实施例中，所述主振荡激光器包括：种子激光器、一分二光纤分束器、声光调制器；

所述种子激光器用于发射窄线宽连续激光，所述窄线宽连续激光经过一分二光纤分束器分束后，其中一部分输出至2×2光纤耦合器作为连续本振光，另一部分输出至声光调制器，作为种子光；

所述声光调制器根据接收到的波形驱动器输出的波形，将输入种子光调制输出为脉冲激光，所述脉冲激光通过单模保偏光纤输出至放大级激光器。

更优的，所述将输入种子光调制输出为脉冲激光具体为：根据外差探测原理，对种子光产生附加移频量，得到脉冲激光，所述脉冲激光通过单模保偏光纤输出至放大级激光器。

在本实施例中，如图1所示：所述主振荡激光器1包含种子激光器1-1、一分二光纤分束器1-2、声光调制器1-3。其中种子激光器1-1发射窄线宽连续激光，经过分束器1-2分束后，其中一部分作为连续本振光输出至2×2光纤耦合器5，另一路输出至声光调制器1-3；声光调制器1-3根据波形驱动器4输入波形，将连续的本振光调制输出为脉冲激光，脉冲激光相对于本振光包含了中频移频量，脉冲激光通过单模保偏光纤输出至放大级激光器2。

在一个实施例中，所述放大级激光器包括：光纤放大器和光纤环形器；

所述光纤放大器用于放大经过的脉冲激光，并将所述脉冲激光输送至光纤环形器；

所述光纤环形器作为光学收发开关，用于将光纤放大器发射的脉冲激光和大气中气溶胶粒子后向散射回波光信号的分束隔离。

更优的，所述光纤环形器包含三个端口，第一端口与光纤放大器相连，第二端口和第三端口作为放大级激光器的输出端口，分别与收发光学器和2×2光纤耦合器相连接；

所述脉冲激光从第一端口进入光纤环形器，从第二端口输出至收发光学器，并从收发光学器进入大气中。

在本实施例中，所述工控机通过控制光纤放大器的驱动电流，以控制所述脉冲激光经过光纤放大器后的输出能量，经过光纤放大器能量放大后的脉冲激光输出至光纤环形器；

所述光纤环形器作为光学收发开关，用于放大级激光器发射的脉冲激光和大气中气溶胶粒子后向散射回波光信号的分束隔离，其中大气中的气溶胶粒子随着大气风场运动，有着与大气风场一样的速度，该速度在脉冲激光传输方向存在速度分量，根据多普勒效应，气溶胶粒子后向散射回波光信号与脉冲光之间存在正比于该速度分量的多普勒移频量(fd)。

在本实施例中，将所述光纤环形器集成在放大级激光器内部，使得放大级激光器允许输出最大脉冲能量得到提高，进而使得整个系统的探测距离得以提升。

如图1所示：所述放大级激光器2内部包含了光纤放大器2-1和光纤环形器2-2，工控机8通过控制光纤放大器2-1的驱动电流，以控制脉冲激光经过光纤放大器2-1后输出能量，能量放大后的脉冲激光输出至光纤环形器2-2。光纤环形器2-2用于发射信号和回波信号的分束隔离，光纤环形器2-2包含三个端口，端口a与光纤放大器2-1相连，端口b和端口c作为放大级激光器2的输出端口3和输出端口4，分别与收发光学器3的端口1和2×2光纤耦合器5的端口2相连。放大后的脉冲激光从端口a进入光纤环形器2-2，从端口b输出至收发光学器3；收发光学器3接收到的回波信号从端口b进入光纤环形器2-2，从端口c输出。

在一个实施例中，所述收发光学器包括：扩束镜、望远镜、楔形镜和扫描电机；

所述扩束镜用于对光纤环形器输出的脉冲激光进行预扩束；

所述望远镜用于压缩经扩束镜后的脉冲激光光束的发散角；

所述扫描电机用于改变楔形镜出射光轴在水平面上的投影角，从而实现对楔形镜发射的脉冲激光光束在不同方位角上的探测。

更优的，所述扩束镜与光纤环形器第二端口相连。

更优的，所述扩束镜光轴垂直于水平面，与脉冲激光的传输方向重合。

更优的，所述望远镜光轴与扩束镜光轴重合且垂直于水平面。

更优的，所述收发光学器为收发同轴光学系统，用于接收大气中气溶胶粒子对光纤环形器输出的脉冲激光的后向散射回波光信号，并输出所述后向散射回波光信号至光纤环形器，从光纤环形器的第三端口输出至2×2光纤耦合器。

在本实施例中，所述楔形镜安装在扫描电机上，用于偏转输入光轴，偏转后的光轴与垂直方向存在15°至40°夹角，在水平面上投影角与扫描电机原点角一致，即与电子罗盘正北方向一致，当扫描电机转动时，光轴在水平面上投影角也会改变，从而实现在不同方位角上的探测。

在本实施例中，如图1所示：所述收发光学器3包括扩束镜3-1、望远镜3-2和楔形扫描镜3-3。扩束镜3-1对放大级激光器2端口2输出脉冲光进行扩束；望远镜3-2进一步压缩光束发散角；楔形扫描镜3-3将光束偏转20°，当楔形扫描镜3-3扫描时，光束可以指向不同方位角。系统采用了收发同轴光学系统，根据光路可逆原理，回波信号同样可以耦合进入光纤环形器2-2端口b。

在一个实施例中，所述系统还包括扫描电机驱动器，所述扫描电机驱动器与所述扫描电机相连接，控制和读取收发光学器发射的脉冲激光光束的扫描角度，并将所述收发光学器发射的脉冲激光光束的扫描角度发送给工控机。

在本实施例中，如图1所示：所述扫描电机驱动器包含2个端口，端口1与所述工控机端口5相连，端口2与所述收发光学器端口2相连。具体的：所述扫描电机驱动器与收发光学器中的扫描电机相连，控制和读取发射光束的扫描角度。

在一个实施例中，所述系统还包括有电子罗盘，所述系统根据电子罗盘的方位角对所述扫描电机的方位角进行判断。

在本实施例中，电子罗盘与工控机通过串口相连，电子罗盘水平安装在系统中，正北指向与发射光束原点方位角(即收发光学器3中的扫描电机在原点位置时，发射光束的方位角)一致。

在一个实施例中，所述2×2光纤耦合器为单模保偏等比例输出光纤，两个输入端分别与主振荡激光器和放大级激光器相连，大气中气溶胶粒子的后向散射回波光信号与连续本振光在2×2光纤耦合器中混合后，得到后向散射回波光信号与连续本振光的差频信号，经2×2光纤耦合器输出端口等比例输出至平衡式探测器。

更优的，所述平衡式探测器用于将后向散射回波光信号与连续本振光的差频信号转换为差频电信号，并将所述差频电信号输出至采集处理电路。

在本实施例中，所述系统基于光相干探测原理。光相干探测原理具有接近量子噪声极限的探测灵敏度、高信噪比。相干测风激光雷达系统发射两束激光，其中一束是本振光，用于相干探测；另一束是经过声光调制器调制后的脉冲信号光，经过望远镜和扫描器发射到大气中。气溶胶粒子的微弱后向散射信号被望远镜接收后，与本振光相干混频。不同距离处回波信号到达望远镜系统时间不同。混频信号中包含了易被探测的中频信号，中频信号的频率正比于径向(探测方向)风速大小。通过扫描装置获取不同方位的径向风速，采用矢量合成的方法得到三维风场信息。

在一个实施例中，所述系统还包括有采集处理电路，所述采集处理电路用于接收所述平衡式探测器输出电信号。所述采集处理电路包括信号处理fpga芯片，所述信号处理fpga芯片内嵌对所述电信号进行频谱分析的算法，得到差频信号的功率谱。

在本实施例中，在同一方向上多次发射脉冲，然后分别对每次发射后采集得到的信号进行功率谱分析，对这些功率谱累加求平均，得到功率峰值对应的信号频率，该频率就是f0+δf，包含了多普勒移频量，根据多普勒移频量就可以得到该方向上的径向风速，在不同径向上探测然后通过合成的方式得到矢量风速。

在一个实施例中，所述系统还包括有串口开关模块，所述串口开关模块与工控机相连接。

所述系统需要工作时，用户通过北斗通信系统远程发送工作指令，工控机接收到北斗通信模块的工作指令后，通过串口开关模块分别控制波形驱动器、主振荡激光器、放大级激光器、扫描电机驱动器、平衡探测器、采集处理电路和电子罗盘上电。

更优的，电机驱动器上电后，自动检查扫描电机是否在原点角位置，如果不在，则驱动扫描电机转动到原点角位置；电子罗盘上电成功后，工控机读取当前电子罗盘的方位角，判断当前电机原点角对应的方位角，并将扫描电机原点角转动至正北方位角。

所述主振荡激光器上电后，工控机读取主振荡激光器输出的脉冲光功率，等待稳定后，工控机控制放大级激光器工作，通过设置光纤放大器的驱动电流控制输出放大级激光器的脉冲能量；

工控机读取放大级激光器的输出脉冲能量，等待其稳定后，工控机控制采集处理电路开始工作；采集处理电路在每次脉冲光束发射出去立即进行采样，采样点数取决于用户设定的探测距离，在单个方位角的采样脉冲数也取决于用户设定；对单次脉冲采集到包含多普勒频移信息的电信号使用内嵌的频谱分析算法处理，并对同一方位角多脉冲探测信号的功率谱进行平均，多脉冲探测取平均能够有效抑制噪声，同时将平均功率谱和当前系统方位角存储在工控机中；

工控机控制扫描电机驱动器，驱动扫描电机转动，从而实现发射脉冲光束在不同方位角上探测，利用三维风场的矢量合成算法计算三维风场信息，并且通过北斗通信模块将三维风场信息传输给用户。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替代；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术所述的精神范围。