一种滤光器、多普勒测风激光雷达以及风场测量方法与流程

本发明涉及光学元件技术领域，更具体的说，涉及一种滤光器、多普勒测风激光雷达以及风场测量方法。

背景技术

风速和风向是大气动力学研究中最重要的参数之一，而基于分子散射的直接探测多普勒测风激光雷达在中高层大气风场观测领域具有独到优势：时空分辨率高，探测精度高，探测范围广，能提供三维风场信息等，因此受到世界各国的普遍重视。多普勒测风激光雷达以其高分辨率，高精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能力，在气候研究和天气预报方面有着重要的应用，引起世界多国的关注，并投入了大量的人力、物力进行研究。按照多普勒频率检测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干探测技术和非相干探测(直接探测)技术。相干探测技术是利用气溶胶后向散射信号与发射激光本振进行拍频来反演多普勒频率，适用于探测风速不太大、距离较近的大气风场；直接探测技术是将大气气溶胶或分子后向散射信号的频率变化转换成相对强度的变化或干涉条纹的移动来反演多普勒频率，前者被称为边缘技术，后者称为条纹成像技术。直接探测技术主要用于高空或较大风速的测量。

目前，绝大多数直接探测多普勒测风激光雷达系统仅限于夜间观测。这是由于在白天观测过程中，背景噪声(主要是太阳光)的强度很高，导致探测信噪比很低，从而影响了测量高度和精度。要实现直接探测多普勒测风激光雷达的白天观测，必须要发展白天背景光抑制技术。通常的做法是在激光雷达的接收光路中增加窄带干涉滤光片，从而限制背景光进入光学接收机。目前，国内外能够生产中心波长为355nm的干涉滤光片的带宽大都在1nm以上，少数定制的滤光片的带宽能够达到0.15nm，现有常用滤光片的带宽与激光器的带宽约0.084pm和多普勒鉴频器工作宽度2.14pm相比，宽50-100倍左右，因此仍然满足不了实际需要。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种滤光器、多普勒测风激光雷达以及风场测量方法，所述滤光器具有较小的带宽，当该滤光器用于多普勒测风激光雷达时，可以有效克服白天背景噪声信号太强的问题，提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种滤光器，所述滤光器包括：

同光轴设置的干涉滤光片、第一f-p标准具以及第二f-p标准具；

所述第一f-p标准具的带宽与所述第二f-p标准具的带宽均小于所述干涉滤光片的带宽；

所述第一f-p标准具的带宽与所述第二f-p标准具的带宽不相等。

优选的，在上述滤光器中，所述干涉滤光片的带宽小于0.5nm。

优选的，在上述滤光器中，所述干涉滤光片的中心工作波长为354.7nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于70％。

优选的，在上述滤光器中，所述干涉滤光片、所述第一f-p标准具以及所述第二f-p标准具在第一方向上依次排布；

其中，所述第一方向平行于所述光轴，且为光线的入射方向，所述第一f-p标准具的带宽大于所述第二f-p标准具的带宽。

优选的，在上述滤光器中，所述第一f-p标准具的中心波长与所述第二f-p标准具的中心波长均与所述干涉滤光片的中心波长相同。

优选的，在上述滤光器中，所述第一f-p标准具的自由谱间距为120pm-170pm，包括端点值；其带宽为6pm-10pm，包括端点值；其有效精细度为16-20，包括端点值；其调谐宽度为4pm-10pm，包括端点值；

所述第二f-p标准具的自由谱间距为10pm-50pm，包括端点值；其带宽为1pm-3pm，包括端点值；其有效精细度为14-18，包括端点值；其调谐宽度为4pm-10pm，包括端点值。

优选的，在上述滤光器中，所述第一f-p标准具的自由谱间距为150pm，带宽为8.39pm，有效精细度为18，调谐宽度为4pm-10pm；

所述第二f-p标准具的自由谱间距为33.58pm，带宽为2.1pm，有效精细度为16，调谐宽度为4pm-10pm。

优选的，在上述滤光器中，其特征在于，所述第一f-p标准具与所述第二f-p标准具均为具有空气间隙的全固态结构；

所述第一f-p标准具与所述第二f-p标准具均具有两个平行相对设置的基板，两个相对设置的基板之间具有所述空气间隙；

所述基板为零膨胀的玻璃；

所述第一f-p标准具的腔长与所述第二f-p标准具的腔长均固定。

优选的，在上述滤光器中，所述滤光器的带宽小于2pm，截止深度大于7。

本发明还提供了一种多普勒测风激光雷达，所述多普勒测风激光雷达包括：

激光发射系统，所述激光发射系统用于发射检测激光；

激光接收系统，所述激光接收系统用于获取所述检测激光经过大气后向散射的回波信号，进行滤光后，将所述回拨信号转换为电信号；

所述数据处理装置用于基于所述电信号测量大气风场；

其中，所述激光接收系统包括上述任一项所述的滤波器，通过所述滤波器进行滤光。

本发明还提供了一种风场测量方法，所述风场测量方法包括：

通过激光发射系统发射检测激光；

通过激光接收系统获取所述检测激光经过大气后向散射的回波信号；

通过所述光接收系统对所述回波信号进行滤光；

通过所述光接收系统将滤光后的所述回波信号转换为电信号；

通过数据处理装置对所述电信号进行数据处理，以测量大气风场；

其中，所述激光接收系统包括如权利要求1-8任一项所述的滤波器，通过所述滤波器进行滤光。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的滤光器包括：同光轴设置的干涉滤光片、第一f-p标准具以及第二f-p标准具；所述第一f-p标准具的带宽与所述第二f-p标准具的带宽均小于所述干涉滤光片的带宽，且所述第一f-p标准具的带宽与所述第二f-p标准具的带宽不相等。可见，所述滤光器具有两个f-p标准具，两个f-p标准具结合干涉滤光片形成的滤光器具有较小的带宽，用于直接探测多普勒测风激光雷达白天观测背景光滤除，可以有效抑制白天背景光，结构稳定，性能优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种滤光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种干涉滤光片的透过率曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的一种宽带固态f-p标准具的透过率曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的一种窄带固态f-p标准具的透过率曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的一种宽带固态f-p标准具与窄带固态f-p标准具组合后的透过率曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的一种滤光器的透过率曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的一种多普勒测风激光雷达的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种风场测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

利用单个f-p标准具(法布里-珀罗标准具)结合超窄带干涉滤光片对白天背景光进行抑制的技术也曾被用于少数的激光雷达系统中，如fe(铁)玻尔兹曼激光雷达对温度进行探测。

f-p标准具由两块平行的玻璃平板或石英板组成，入射光垂直照射到标准具后，在这两个板面之间反复反射，形成多光束的干涉圆环，特定波长的光波干涉增强形成亮条纹，其他波长的光波干涉相消形成暗条纹。f-p标准具透过率与波长间的关系具有周期特性。这种周期特性结合干涉滤光片的使用，可以滤除绝大部分白天太阳背景光。由于该类型的激光雷达仅做能量探测，采用的激光光源也仅要求输出为单纵模，而对激光线宽要求不高，因此这种办法相对有效。但是对于要实现频率检测，激光线宽通常仅有不足百兆赫兹的多普勒测风激光雷达而言，这种技术形成的滤光器的带宽就难以满足要求了。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种利用双f-p标准具结合超窄带滤光片的滤光器，该滤光器可以通过综合设计双f-p标准具的有效通光孔径、自由谱间距、带宽和有效精细度等参数，可以将滤光器的带宽压缩至皮米的量级，从而实现了多普勒测风激光雷达的白天观测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种滤光器的结构示意图，所述滤光器可以用于直接探测多普勒测风激光雷达。所述滤光器包括：同光轴设置的干涉滤光片11、第一f-p标准具12以及第二f-p标准具13。

所述第一f-p标准具12的带宽与所述第二f-p标准具13的带宽均小于所述干涉滤光片11的带宽；所述第一f-p标准具12的带宽与所述第二f-p标准具13的带宽不相等。

可选的，所述干涉滤光片11的带宽小于0.5nm。具体的，所述干涉滤光片11的中心工作波长为354.7nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于70％。

在图1所示方式中，所述干涉滤光片11、所述第一f-p标准具12以及所述第二f-p标准具13在第一方向上依次排布；其中，所述第一方向平行于所述光轴，且为光线的入射方向(如图1中箭头所示)，所述第一f-p标准具12的带宽大于所述第二f-p标准具13的带宽。三者的排布顺序可以任意，不局限于图1所示方式，可以为三者的任意排列组合方式。

所述第一f-p标准具12的中心波长与所述第二f-p标准具13的中心波长均与所述干涉滤光片11的中心波长相同。

所述第一f-p标准具12的自由谱间距为120pm-170pm，包括端点值；其带宽为6pm-10pm，包括端点值；其有效精细度为16-20，包括端点值；其调谐宽度为4pm-10pm，包括端点值；所述第二f-p标准具13的自由谱间距为10pm-50pm，包括端点值；其带宽为1pm-3pm，包括端点值；其有效精细度为14-18，包括端点值；其调谐宽度为4pm-10pm，包括端点值。具体的，所述第一f-p标准具12的自由谱间距为150pm，带宽为8.39pm，有效精细度为18，调谐宽度为4pm-10pm；所述第二f-p标准具13的自由谱间距为33.58pm，带宽为2.1pm，有效精细度为16，调谐宽度为4pm-10pm。

所述第一f-p标准具12与所述第二f-p标准具13均为具有空气间隙的全固态结构；所述第一f-p标准具12与所述第二f-p标准具13均具有两个平行相对设置的基板，两个相对设置的基板之间具有所述空气间隙；所述基板为零膨胀的玻璃；所述第一f-p标准具12的腔长与所述第二f-p标准具13的腔长均固定。

本发明实施例提供的滤光器为一种基于双f-p标准具的超窄带滤光片，可以使得工作带宽小于2pm，截止深度大于7，通过综合设计双f-p标准具的有效通光孔径、自由谱间距、带宽和有效精细度等参数，实现了直接探测多普勒测风激光雷达的白天观测。本发明实施例所述技术方案采用两个固态空气隙f-p标准具结合干涉滤光片的结构，组合形成超窄带宽的滤光器，以解决直接探测多普勒测风激光雷达对中高层大气风场进行观测时白天背景噪声太强的问题。

下面结合具体的数据参数对本申请实施例所述滤光器的效果进行说明。

本发明实施例所述滤光器由一个宽带f-p标准具和一个窄带f-p标准具以及一个干涉滤光片组成，通过两个f-p标准具与干涉滤光片相结合，可以平衡大的抑制范围和超窄带宽(带宽小于0.1nm)这两者，从而对中高层(海拔高度为2km-60km)大气风场白天观测过程中的背景噪声进行较好的抑制。

所述第一f-p标准具12与所述第二f-p标准具13中，一者为宽带宽的固态f-p标准具，另一者为窄带宽的固态f-p标准具。设定第一f-p标准具12的带宽大于第二f-p标准具13的带宽，此时，第一f-p标准具12为宽带f-p标准具，第二f-p标准具13为窄带f-p标准具。具体的，两个f-p标准具均为固态f-p标准具。

当所述滤光器用于多普勒测风激光雷达时，将激光雷达中的激光器的发射波长调节至与干涉滤光片的中心波长一致，大气后向散射光通过望远镜接收后，导入光学接收机进行频率检测。滤光器中干涉滤光片的作用包括：对太阳背景光进行初步滤除，透过该滤光器的光为中心波长为354.7nm的准单色光；以及抑制两个f-p标准具在非选取fsr(自由谱间距)的带通。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种干涉滤光片的透过率曲线示意图，本发明实施例所述滤光器中采用的干涉滤光片的中心工作波长为354.7nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于70％。图2中，横轴为波长，单位为nm，纵轴为透过率。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种宽带固态f-p标准具的透过率曲线示意图，对于该宽带固态f-p标准具，自由谱间距为150pm，带宽为8.39pm，有效精细度为18或近似等于18。该宽带固态f-p标准具采用空气隙全固态结构，腔长固定，两平行平板材质为零膨胀玻璃，温度系数极低，具有良好的光谱稳定性。同时，通过角度微调谐，可以实现4pm-10pm的调谐宽度，从而与激光器波长完全匹配。多普勒测风激光雷达在工作时，该宽带固态f-p标准具的主要作用是对白天观测背景光进行进一步抑制，仅允许鉴频器一个自由谱宽范围内的分子散射光进入光学接收机。图3中，横轴为波长，单位为nm，纵轴为透过率。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种窄带固态f-p标准具的透过率曲线示意图，对于该窄带固态f-p标准具，自由谱间距为33.58pm，带宽为2.1pm，有效精细度为16或近似等于16。与上述宽带固态f-p标准类似，该窄带固态f-p标准具同样采用空气隙全固态结构，腔长固定，两平行平板材质为零膨胀玻璃，温度系数极低，具有良好的光谱稳定性。具备角度微调谐功能，可以实现4pm-10pm的调谐宽度，可以与激光器波长相匹配。多普勒测风激光雷达在工作时该窄带固态f-p标准具的主要作用是压缩整个滤光器的带宽，从而实现背景光的进一步抑制，降低背景噪声。图4中，横轴为波长，单位为nm，纵轴为透过率。

由图3和图4可知，对于两个f-p标准具，具有多个峰值相同的波峰，具有大的抑制范围。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种宽带固态f-p标准具与窄带固态f-p标准具组合后的透过率曲线示意图，两个f-p标准具结合可以大幅减少峰值数量，降低带宽，故可以很好的平衡大的抑制范围和超窄带宽这两个特性参数。图5中，横轴为波长，单位为nm，纵轴为透过率。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种滤光器的透过率曲线示意图，由图6可见，本发明实施例所述滤光器只有一个峰值，实现了宽自由谱间距和窄超窄带宽二者间的平衡。图6中，横轴为波长，单位为nm，纵轴为透过率。

本发明实施例所述滤光器为一种基于双f-p标准具的超窄带滤光器，为了保证较好的滤光效果，可以优选的设置干涉滤光片11、宽带f-p标准具和窄带f-p标准具按如图1所示前后顺序同光轴组合放置，且需将宽带f-p标准具和窄带f-p标准具的中心波长调谐至与干涉滤光片11的中心波长相一致，组合形成,本发明实施例所述滤光器，可以使得滤光器的综合带宽小于2pm，截止深度od大于7，极大的提高了直接探测多普勒测风激光雷达白天观测的背景噪声抑制能力。

本发明实施例所述滤光器与现有技术相比，其优点有：

在直接探测多普勒测风激光雷达领域改变了现有的简单利用干涉滤光片的背景光抑制技术，本发明实施例所述技术方案将干涉滤光片与两个f-p标准具相结合形成具有超窄带宽的滤光器，使得在干涉滤光片带宽内，宽带和窄带两个f-p标准具与干涉滤光片组合成的滤光器的透过率曲线只有一个峰值，实现了宽自由谱间距和超窄带宽二者之间的平衡；

本发明实施例所述滤光器的带宽达到了pm量级，截止深度od超过7，从而很好的抑制了白天观测过程中的背景噪声，提高了探测信噪比，能够有效提升直接探测多普勒测风激光雷达在白天观测时的探测高度和精度；

本发明实施例所述滤光器采用空气隙全固态f-p标准具，结构紧凑，温漂系数小，调谐范围大，光谱性能稳定；

本发明实施例所述滤光器对于实现直接探测多普勒测风激光雷达中高层大气风场全天时连续观测具有十分重大的意义。相比较只使用单个f-p标准具，因加工工艺原因，超窄带宽和较宽自由谱间距无法同时实现，而本发明实施例所述滤光器中的两个f-p标准具相组合彻底解决了此问题，实现了超窄带宽和较宽自由谱间距之间的平衡。

基于上述实施例所述滤光器，本发明另一实施例还提供了一种多普勒测风激光雷达，如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种多普勒测风激光雷达的结构示意图，所述多普勒测风激光雷达包括：激光发射系统2，所述激光发射系统2用于发射检测激光；激光接收系统100，所述激光接收系统100用于获取所述检测激光经过大气后向散射的回波信号，进行滤光后，将所述回拨信号转换为电信号，发送数据处理装置6；所述数据处理装置6用于基于所述电信号测量大气风场。其中，所述滤波器为上述实施例所述的滤波器。

所述激光接收系统100包括滤波器4，通过所述滤波器4进行滤光。滤波器4为上述实施例所述滤波器。

可选的，所述激光接收系统100还包括望远镜3以及光电倍增管5。所述望远镜3用于获取所述回波信号，将所述回波信号发送到所述滤波器4。所述滤光器4设置在所述望远镜3的出光口，用于对所述望远镜3出射的所述回波信号进行滤光。所述光电倍增管5用于获取经过所述滤光器4滤光的回波信号，将所述回波信号转换为电信号，发送数据处理装置6。

所述激光接收系统100可以采用传统直接探测多普勒测风激光雷达的接收系统，还具有光学接收机以及鉴频器以及望远镜等，与现有接收系统不同在于采用本申请实施例所述滤光器4。

所述多普勒测风激光雷达为直接探测多普勒测风激光雷达。所述多普勒测风激光雷达具有激光器1，所述激光器作为光源装置，所述激光发射系统2基于所述激光器1出射的激光生成检测激光。所述激光器1出射的激光与所述激光发射系统2出射的激光还通过耦合器件耦合后，通过一透镜发送给所述处理装置6，所述处理装置6将该耦合后的激光转换为电信号，对该电信号进行数据处理，以便于对激光器1和激光发射系统2进行控制。

所述多普勒测风激光雷达工作时，激光器1发射的激光经大气后向散射形成回波信号，回波信号被激光接收系统100中的光学望远镜3接收，回波信号经准直后先通过干涉滤光片，滤除大部分太阳背景光，但是由于干涉滤光片的带宽太宽，仍有约鉴频器50个自由谱间距带宽的背景光透过干涉滤光片。透过干涉滤光片的光进入宽带f-p标准具进行背景光进一步滤除，此时整个分子散射谱内仅有鉴频器约1个自由谱间距带宽的背景光透过，然后进入窄带f-p标准具，窄带f-p标准具进一步将背景噪声的带宽限制到2.1pm，与鉴频器的工作带宽相当，至此，整个背景光滤除的过程完成。

本发明实施例所述多普勒测风激光雷达采用上述实施例所述滤光器，可以更好的滤除背景噪声，可以有效抑制白天背景光，结构稳定，性能优异。

基于上述实施例所述滤光器以及多普勒测风，本发明另一实施例还提供了一种风场测量方法，该风场测量方法如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种风场测量方法的流程示意图，所述风场测量方法包括：

步骤s11：通过激光发射系统发射检测激光。

步骤s12：通过激光接收系统获取所述检测激光经过大气后向散射的回波信号。

步骤s13：通过所述光接收系统对所述回波信号进行滤光。

其中，采用上述实施例所述的滤波器进行滤光。

步骤s14：通过所述光接收系统将滤光后的所述回波信号转换为电信号。

步骤s15：通过数据处理装置对所述电信号进行数据处理，以测量大气风场。

可以采用上述是实例所述多普勒测风激光雷达执行该风场测量方法，可以更好的滤除背景噪声，可以有效抑制白天背景光，测量结果准确。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的激光雷达和风场测量方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见滤光器相对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。