单腔f-p干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种单腔F-P干涉仪单探测 器实现的透反式双边缘测风激光雷达。
【背景技术】
[0002] 测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型、提高军事环境 预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际民航机构、世界气 象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探测系统的研究与开 发。
[0003] 多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测 通过激光大气回波信号与本振激光相干的方式探测风速探测。直接探测则利用鉴频器将多 普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。直接探测可分为条纹技术和边缘技 术。条纹技术采用F-P干涉仪（Fabry-Perot interferometer，法布里-?罗干涉仪）或 Fizeau干涉仪（斐索干涉仪）产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气后向散射信号 的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多 普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、Mi che I son干 涉仪（迈克尔逊干涉仪）、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪（马赫-曾德干涉仪）等高分 辨鉴频率器。
[0004] 采用边缘技术的测风激光雷达中，F-P干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度， 针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛 的鉴频器。国外开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的研究单位主要有法 国的OHP观测站、美国NASA、欧空局（European Space Agency, ESA)、德国、英国、挪威、联合 建设的北极激光雷达观测站（ALOMAR, Arctic Lidar Observation of Middle Atmosphere Research)，同时，丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展基于直接探测测风激光雷达的研 究单位主要有中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中 国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学等。
[0005] 传统的双边缘测风激光雷达中需采用两个F-P干涉仪或者双通道F-P干涉仪，同 时双通道探测需要配备两个探测器，多个F-P干涉和多个探测器的系统存在如下缺点：
[0006] 1)F-P干涉仪和探测器造价高，从而导致系统成本高；2)激光雷达信号的利用率 不高，多通道探测通过分光器件实现，而F-P干涉仪的反射信号被浪费；3)两个F-P干涉仪 和两个探测器的系统，无法避免工作时环境不一致所引入的系统误差，如环境温度不同将 导致探测器的噪声分布不同；探测器输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处 于振动环境下时，两个探测器的耦合效率不同；另外，光学污染和探测器老化问题也无法避 免引起探测器的差异；4)双通道导致光路调节困难，并且增加了系统校正参数。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激 光雷达，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安 全、全光纤链接、结构紧凑等优点。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] 一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，包括：连续激 光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、第一光纤环形器6、 标定光纤7、光学收发和扫描系统8、光纤布拉格光栅9、第二光纤环形器10、光纤F-P干涉 仪11、延时光纤12、光纤耦合器13、探测器14、采集卡15与计算机16 ;其中各器件连接关 系为：
[0010] 连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与 强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函 数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接；
[0011] 光纤放大器5的输出端与第一光纤环形器6输入端A连接，第一光纤环形器6的 端口 B与标定光纤7的输入端连接，标定光纤7的输出端与光学收发和扫描系统8的输入 端连接，由光学收发和扫描系统8将接收到的激光向大气中发送，并接收后向散射信号；第 一光纤环形器6的端口 C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，由光纤布拉格光栅9滤除所 述后向散射信号中背景噪声；
[0012] 第一光纤环形器6的端口 D与第二光纤环形器10的端口 A连接，第二光纤环形器 10的端口 B与光纤F-P干涉仪11的输入端连接，光纤F-P干涉仪11的透射信号输出端与 光纤耦合器13的输入端A连接；第二光纤环形器10的端口 C与延时光纤12的输入端连 接，延时光纤12的输出端与光纤親合器13的输入端B连接；
[0013] 光纤耦合器13的输出端与探测器14的输入端连接，探测器14的输出端与采集卡 15的输入端连接，采集卡15的输出端与计算机16的输入端连接。
[0014] 进一步的，通过光纤F-P干涉仪11的透反信号实现双边缘技术；具体的：所述光 纤F-P干涉仪11的透射信号通过其透射信号输出端传输至光纤耦合器13的输入端A，所述 光纤F-P干涉仪11的反射信号经过第二光纤环形器10的端口 B到达第二光纤环形器10 的端口 C，再通过与所述第二光纤环形器10的端口 C相连的延时光纤12传输至光纤耦合器 13的输入端B。
[0015] 进一步的，还包括：用于放置所述光纤F-P干涉仪11的恒温箱17。
[0016] 进一步的，所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与第一 光纤环形器6之间，所述第一光纤环形器6与光纤布拉格光栅9之间，以及第一光纤环形器 6、第二光纤环形器10与光纤F-P干涉仪11之间均采用保偏光纤连接。
[0017] 进一步的，所述标定光纤7和延时光纤12为保偏光纤，其损耗< 0. 2dB/Km。
[0018] 进一步的，根据光纤F-P干涉仪11透射曲线与反射曲线的交叉点锁定激光频率， 该交叉点处频率响应函数Q = 〇。
[0019] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明使用单腔光纤F-P干涉仪作为鉴 频器，利用单腔光纤F-P干涉仪的透射曲线和反射曲线构成双边缘，采用透射曲线和反射 曲线的交叉点锁定激光出射频率，采用时分复用技术，在光纤F-P干涉仪的反射光路中增 加低损耗的延时光纤，使单个探测器同时采集光纤F-P干涉仪的透反信号。本发明可实现 风速探测。本发明仅使用单腔光纤F-P干涉仪和单个探测器实现双边缘探测，其具有激光 雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构 紧凑等优点。
【附图说明】
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0021] 图1为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激 光雷达的结构示意图；
[0022] 图2为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激 光雷达的时序图；
[0023] 图3为本发明实施例提供的基于光纤F-P干涉仪透反曲线形成双边缘曲线的原理 图；
[0024] 图4为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激 光雷达的频率响应分布图；
[0025] 图5为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激 光雷达的频率灵敏度分布图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地