一种多光束非扫描相干探测多普勒测风激光雷达光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种相干多普勒测风激光雷达光学系统，特别是一种收发合置、同时 收发多路探测光束，对空间风矢量进行探测的测风激光雷达光学系统。
【背景技术】
[0002] 伴随着激光技术和光纤技术的迅猛发展，多普勒雷达系统向着高可靠度、轻小型 化、多功能、长使用寿命等目标稳步前进。近年来，全光纤多普勒雷达系统倍受青睐。光纤 激光器、光环路器等光纤器件的引入使系统在结构布局上灵活多变，外形尺寸减小，系统具 有良好的抗冲击振动、温度变化干扰的能力、使用寿命长等优点。
[0003]多普勒测风雷达只能测量视线方向风速，要想获得风矢方向，至少需要同时进行 三个方向的探测。目前，风矢测量方式主要有两种：凝视探测或扫描模式，其中，凝视探测模 式需要多套信号收发系统，体积庞大；扫描模式测量主要依靠扫描机构带动光学系统做锥 形或垂直平面扫描，从而完成风矢测量，但上述机械扫描结构的引入不利于雷达系统的轻 小型化，并且，由于各个方向的机械扫描均需一定的时间，因此在风场变化较快的情况下， 难以完成实时探测任务。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种相干测风激光雷达光学 系统，本发明光学系统中四路不同方向的视场信号收发共用一个光学镜头，这样就能够同 时收发多路探测光束，进而对空间风场矢量进行探测。
[0005]本发明与现有技术相比的优点在于：
[0006] (1)、本发明多路信号收发同体，能同时收发四路探测光束，对空间风场进行探测， 单个系统单次探测就能完成风场三维测量。
[0007] (2)本发明回波信号经光学系统接收直接耦合进光纤，耦合效率在65%以上。
[0008] (3)本发明不仅克服了传统雷达光学系统不能同时收发多路信号光的缺点，有利 于雷达系统的轻小型化，具有诱人的应用前景。
【附图说明】
[0009] 图1是非扫描型相干测风激光雷达风矢测量原理图。
[0010] 图2是本发明的某一探测通道原理示意图。
[0011] 图3是本发明光学天线多路光束收发原理示意图。
[0012] 图4是光学天线结构简图。
[0013] 图5是光学天线各视场点列图。
[0014]图6是光学天线各视场波像差图。
【具体实施方式】
[0015] 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，对本发明进一步详细说明。
[0016] 下面结合附图对本
【发明内容】
作进一步的说明。
[0017] 图1是非扫描型相干测风激光雷达风矢测量原理图，如图1所示，约定正东方向为 零度方位角，顺时针方向为角度的正方向。以天顶角，方位角表示探测光束空间位置。测风 激光雷达系统分别以（0°，〇° )、（12.5°，0° )、（10°，135° )和（10°，225° )四个方 向向空间风场发射激光光束，各方向对应图1中所标出的①、②、③、④四路探测通道。理论 上，测得三个方向的径向风速便可以反演三维风场信息。在本发明一实施例中，为提高探 测精度，增加了一路天顶角为0°的探测通道，这样与四个探测通道对应的光纤为四根，各 光纤纤芯直径为10ym，数值孔径NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于对应视场的主光 线。本发明光学系统四路不同方向视场信号收发共用一个光学镜头，能同时收发多路探测 光束，对空间风场矢量进行探测。
[0018] 本发明测风激光雷达光学系统包括光学天线、多路探测光纤、光纤转换器、耦合 器、激光器、光纤环路器和探测器，其中，光纤转换器、耦合器、激光器、光纤环路器和探测器 通过选通操作与光学天线、多路探测光纤形成多路探测通道，各路探测通道分别完成对特 定方向径向风速的探测，如图2所示，对于某一路探测通道而言：
[0019] 所述激光器用于发出激光，并通过耦合器进入所述光纤环路器；
[0020] 其中，所述激光的轴向光强可近似认为服从高斯分布，其光波电磁场表示为：
[0021]
(1)
[0022] 其中，p为放大后的激光功率，v为激光频率，（}>定义为激光初始相位。
[0023] 所述光纤环路器用于将接收到的激光器发出的激光光波通过光纤传输到光纤转 换器中；
[0024] 其中，所述激光光波经过光纤环路器后分为两路：信号光S(t)和本振光Rjt)，其 中，本振光
由光纤端面后向反射产生，其中，P为光纤端 面反射率，乳为本振光传播到探测器光敏面时的相位值，就目前的工艺水平而言，可以通 过在光纤端面镀膜或者修切光纤端面角度来调整本振的光强；信号光经 光学天线后出射，由于大气中气溶胶等粒子的散射，部分后向散射信号光重新被光学天线 接收，所述被光学天线接收的后向散射信号光可表示为：
[0025]
(2)
[0026] 其中，t为光学系统透过率，Av为多普勒频移，烤为第i个气溶胶粒子散射引 入的相位因子。
[0027] 考虑单个气溶胶粒子后向散射的情况，此时后向散射信号光表不为：
[0028] ㈧
[0029] 其中，朽为气溶胶粒子后向散射信号光传播到探测器光敏面时的相位值。
[0030] 所述光纤转换器用于分时选通多个探测通道，某时间段内被选通的探测通道激光 经相应的通道光纤和光学天线出射到探测空域；
[0031] 探测光束经大气气溶胶颗粒散射，后向散射光重新被光学天线接收并耦合进对应 光纤中并经光纤环路器传输到探测器上，后向散射信号光与本振光在探测器光敏面上相干 置加；
[0032] 所述探测器用于将其光敏面上变化的光强转变为按同样规律变化的电流或电压 输出。
[0033] 其中，探测器光敏面上的光强分布可表示为：
[0034]
(4)
[0035] 式中，Ip12、I；?分别表不后向散射信号光、本振光和外差信号在光敏面上的强度分 布。
[0036] 滤除1:、12直流分量后获得包含频移信息的I3:
[0037]
(5)
[0038] 式中，回波信号与本振光相位差=武-氣。
[0039] 若所述探测器满足平方律特性且表面量子效率均匀分布，那么外差探测得到的光 电流i(t)~13。通过对探测器输出的光电流进行相关处理，得到多普勒频移AV，代入等 式（2)即可求得径向风速
：式中正负号与气溶胶粒子相对雷达系统的运动 方向有关，两者相向运动取正号，反之取负号。
[0040] 利用上述测风雷达光学系统的四路探测通道可测得四个径向风速，即可反演得到 风场三维信息。实际风速在直角坐标系中可表示为：0 = (&,&，>;)，其在四个探测方向上 的投影分别为VH、vrt、UPV，根据几何关系联立方程，求解此矛盾方程，可以得到空间风 场速度的最小二乘解。
[0041]
,):
[0042] 图3是本发明光学天线多路光束收发原理示意图，参照图3,四根光纤对应着四路 探测通道，光纤的一端位于光学天线焦平面上，分别对应着天顶角和方位角为（0°，〇° )、 (10°，135° )、（10°，225° )、（12.5°，0° )四个探测方向。四个探测方向又分别对应着 光学天线（0°，〇° )、（1〇°，1〇° )、（_1〇°，1〇° )、（〇°，_12.5° )四个视场。各光纤纤 芯直径为10ym，数值孔径NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于对应视场的主光线。
[0043] 激光器中耦合进光纤环路器中的激光经光纤转换器通道选通和光学天线扩束