一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种距离分辨率可调的相干测风激光雷 达系统。
【背景技术】
[0002] 精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性， 提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是目前风场测量的有 效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达是 将发射激光的回波信号频率的变化转化为能量的相对变化实现对大气风场多普勒频移的 测量，相干探测测风激光雷达是通过发射激光的大气回波信号与本振激光的相干拍频实现 对大气风场多普勒频移的测量。
[0003] 在相干测风激光雷达领域，1. 5 μ m的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测 量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公 司报道了世界上第一台1. 5 μπι的相干测风激光雷达。法国LE0SPHERE公司生产了可以商 用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心（ONERA)自主研制了 1.5 μπι相 干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风 激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了 ZephIR系列基于光纤技术的1. 548 μ m脉冲相干测 风激光雷达，美国国家大气研究中心（NCAR)拥有机载的相干测风激光雷达（LAMS)。国内 的哈尔滨工业大学在2010年搭建了采用1. 5 μπι波长连续波激光器的相干测风激光雷达。 中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1. 5 μ m连续波零差频的激光雷 达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械 研究所在2012年研制了 1. 064 μ m的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风 廓线探测的1. 54μπι全光纤相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的 用于风能研究和开发利用的1. 55 μ m相干测风激光雷达。
[0004] 在以上相干测风激光雷达系统中，均采用AOM对脉冲光中心频率进行固定频率 的频移，且脉冲光的半高全宽固定不变，其基本原理都如下：连续波激光器产生中心频率 为 ?。的信号光和本振光，信号光经声光调制器AOM调制产生u μ的频移，成为脉冲宽度为 ΔΤ，中心频率为υ。+、的脉冲光，设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ d，则后向散射 信号中心频率为Ud。此时本振光与信号光频率差Δ u = uM+Ud，两者的拍频信 号经光电探测器转换为电信号，再经高速采集卡采样，经傅里叶变换得到后向散射信号的 频谱并从中分析得到风场信息。
[0005] 如图1所示为激光脉冲宽度AT = 400ns，uM= 80MHz信号光光谱未湮没在本 振光光谱情况下的时域图与频域图，其中拍频信号的时域图如图I(I)所示，频域图如图 I(II)所示，图1中点线Uu3为本振光光谱，实线Usd为信号光光谱；A为本振光光谱峰值位 置，B为信号光光谱峰值位置，C为本振光位于时的强度，υ M已知，测量A与B处的频率 之差△ u，就可得到^的值以反演风速信息。
[0006] 相干测风激光雷达中，为了测量视向风速的方向，需要使用AOM对出射激光进行 、的频移，当风速的方向与激光雷达望远镜的视向方向相同时，风速产生的多普勒频移 Ud为负，反之为正，因此需要有：
[0007]
(1)
[0008] 若风速测量范围要求为Vr= ±30m/s，在1550nm波长时，根据多普勒频移公式可 得：
[0009]
<2)
[0010] 则UM> 38. 7MHz即可满足区分风向正负的要求，但是为了减少激光器的相对强 度噪声和Ι/f噪声对混频信号的影响，目前的相干测风激光雷达中最常用υ M= 80MHz。
[0011] 固定的υΜ和Δ T导致以上相干测风激光雷达系统存在以下问题：
[0012] 1.上述测风激光雷达中，激光脉冲的半高全宽ΔΤ固定不变，根据相干测风激光 雷达距离分辨率A R和发射激光脉冲半高全宽△ T的关系：
[0013]
(3)
[0014] 其中c为光在真空中的速度，这就导致距离分辨率不可调，降低了相干测风激光 雷达在不同距离分辨率要求场合下的应用。
[0015] 2.使用高斯函数来描述激光脉冲波形，其表达式为：
[0016]
(4)
[0017] 拍频信号经傅里叶变换之后，得到：
[0018]
(5；
[0019] 其中Af为脉冲光光谱的半高全宽。因此，根据公式⑶和公式（5)可以看出，提 高相干测风激光雷达的距离分辨率需要减小脉冲的半高全宽，从而导致光谱信号的半高全 宽增大。从图2所示为激光脉冲宽度ΔΤ = 40ns，uM= 80MHz，信号光光谱湮没在本振光 光谱情况下的时域图与频域图，图中光谱曲线的含义及标记A、B、C的含义与前述图1类似； 可以看出，当AT从400ns缩小10倍至40ns时，本振光和信号光的光谱宽度也展宽10倍， 若仍然取u M= 80MHz，则会导致信号光光谱湮没在本振光光谱中，如图2 (II)所示，无法准 确测量A υ。因此仅靠减小激光脉冲半高全宽ΔΤ，而不对υΜ进行优化，无法有效提高相 干测风激光雷达的距离分辨率。
[0020] 3.根据采样定理，不失真的从原始数据中提取风场信息，需要使用不低于原始数 据最高频率2倍的采样率进行采样，在实际工程应用中，为保证信号的可靠性，采样率一般 取信号最高频率的3到5倍。当u M= 80MHz，最低需要使用240MS/S的采集卡。这对数据 采集和实时处理提出了要求。
[0021] 在不同天气情况下，大气的后向散射系数不同，相同能量的激光脉冲产生的后向 散射信号强度不同，为了达到探测要求的信噪比，需要根据不同天气情况选择不同脉冲累 积时间，因此相干测风激光雷达的距离分辨率也应相应改变。
【发明内容】
[0022] 本发明的目的是提供一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，提高了相干 测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，提高了相干测风激 光雷达测量数据的可靠性。
[0023] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0024] 一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达系统，包括：连续波激光器I，1分2光纤 分束器2,偏振环形分束器3,声光调制器AOM 4,电光调制器EOM 5,放大器6,三口环形器 7,发射和接收望远镜8, λ/2波片9,光纤耦合器10,平衡探测器11，采集卡12,计算机13 ; 其中：
[0025] 连续波激光器1分别与计算机13与1分2光纤分束器2相连；
[0026] 1分2光纤分束器2的一端与偏振环形分束器3相连，偏振环形分束器3的一端与 AOM 4相连，AOM 4与EOM 5相连，EOM 5与偏振环形分束器3相连，从而构成环路；偏振环 形分束器3的另一端与放大器6相连，放大器6与三口环形器7的a 口相接，三口环形器7 的b 口与收发望远镜8相连，三口环形器7的c 口与光纤耦合器10的一个入口相连；
[0027] 1分2光纤分束器2的另一端与λ /2波片9相连，λ /2波片9与光纤親合器10 的另一个入口相连，光纤耦合器10出口与平衡探测器11相连，探测器电信号与采集卡12 相连，采集卡与计算机13相连。
[0028] 进一步的，所述偏振环形分束器3将垂直方向的偏振光锁定在其环形器内，使垂 直方向的偏振光反复η次通过AOM 4产生n u Μ的移频，从而实现本振光中心频率与出射光 中心频率的频率差可调；
[0029] 其中，υ Μ为AOM 4单次产生的频移。
[0030] 进一步的，所述EOM 5将垂直方向的连续偏振光转化为水平方向的脉冲光，通过 控制EOM 5的时序，实现水平方向的脉冲光的脉冲半高全宽可调，并使固定频移量的出射 光通过偏振环形分束器3,实现相干测风激光雷达的距离分辨率可调。
[0031] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，一方面，采用偏振环形分束器3,将垂直 方向的偏振光锁定在环形器中，通过多次通过AOM 4,使出射激光产生n u Μ的频移，实现了 激光频移量可调；另一方面，采用EOM 5搭配偏振环形分束器3,将环形器中达到预定偏移 量的激光偏振态由垂直方向偏振转化为平行方向偏振，并且将连续波激光转化为脉冲宽度 可调的脉冲光，从而实现了相干测风激光雷达的距离分辨率可调。基于上述方案，不仅提高 了相干测风激光雷达在不同分辨率要求场合下和不同天气情况下的适用程度，还提高了相 干测风激光雷达测量数据的可靠性。
【附图说明】
[0032] 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