全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置制造方法
【专利摘要】一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，由激光器、环形器、望远镜、耦合器、平衡探测器、放大器、控制器、模拟数字转换器、处理器、扫描器、波形调制器、显示和存储单元组成。本发明可以实现高风速测量精度和高距离分辨率的风速测量，可以满足不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速的风速测量需求。
【专利说明】全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及测风激光雷达，特别是一种全光纤多普勒相干激光测风雷达装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]多普勒相干测风激光雷达在国外已广泛应用于大气风场信息测量，包括晴空湍流、风切变、机场测风、飓风追踪及飞机轨迹涡流探测等，在国内车载多普勒相干测风激光雷达已有相关报道。采用激光雷达方式对风速测量可以弥补微波雷达在晴天时探测的不足，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。为适应复杂多变的测量要求，同时适应动平台的多普勒相干测风激光雷达成为发展的趋势，对于低的对流层风速测量，在波段选择上以人眼安全的2.0 μ m或1.5 μ m相干激光雷达为主；全光纤紧凑型、低功耗和便于维护的激光测风雷达装置成为国内外研究的热点。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的问题在于克服传统风速测量方法的不足，提供一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置。该装置可以实现高风速测量精度和高距离分辨率的风速测量，可以满足不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速的风速测量需求。
[0004]根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的基本原理是基于激光的多普勒测量技术，通过激光器发射出两束激光，一束光作为信号光，通过望远镜和扫描器发射出去；一束光作为本振光用于相干探测；接收到回波信号光与本振光进行相干探测，得到回波信号光和本振光的频率差，这个频率差包含了多普勒频移信息，通过信号处理后得到多普勒频移信息对应的视线风速，再通过多组视线风速计算，同时校正平台运动状态，可以得到三维风剖面信息。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，包括全光纤激光器和环形器，在所述的全光纤激光器的第一输出端与所述的环形器的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜，该望远镜与扫描器的第一输入端相连，所述的环形器的第三端口的输出方向是耦合器的第一输入端，所述的全光纤激光器的第二输出端与所述的耦合器的第二输入端相连，该稱合器的第一输出端与平衡探测器的第一输入端相连，该稱合器的第二输出端与平衡探测器的第二输入端相连，所述的平衡探测器的输出端与放大器的输入端相连，该放大器的输出端与模拟-数字采集卡的第一输入端相连，所述的模拟-数字采集卡的输出端与具有实时处理能力的数据处理单元的第一输入端相连，数据处理单元的输出端接实时显示和存储单元及其存储终端，所述的全光纤激光器的输入端为波形调制器的输出端，所述的波形调制器的输入端为控制器的第一输出端，所述的控制器的第二输出端与扫描器的第二输入端相连，控制器的第三输出端与模拟-数字采集卡的第二输入端相连，控制器的第四输出端与数据处理单元的第二输入端相连。[0007]所述的全光纤激光器为单模保偏全光纤激光器，该全光纤激光器的第一输出端的激光频率为fo+Λ f，为脉冲光源；该全光纤激光器的第二输出端的激光频率为&，为连续光源。
[0008]所述的望远镜为发射和接收共光轴的望远镜系统。
[0009]所述的扫描器为旋转型光楔偏转镜或者两镜扫描镜，扫描方位角为O至360°范围。
[0010]所述的耦合器为2X2的光纤耦合器。
[0011 ] 所述的放大器为模拟放大器。
[0012]所述的处理器内嵌具有实时处理能力的现场可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)，
[0013]所述的显示和存储单元及其存储终端是基于电脑(PC)。
[0014]所述的控制器为基于FPGA的指令控制单元。
[0015]本发明全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置的流程如下:
[0016]①激光器的第一输出端发出的激光作为信号光，该信号光由环形器的第一端口进入后由该环形器的第二端口输出后进入望远镜，通过扫描器偏转后发射，激光器的第二输出端发出的激光作为本振光进入耦合器的第二输入端，该信号的峰值频率为& ;
[0017]②所述的激光器的第一输出端发出的激光根据波形调制器的输出信号具有脉冲宽度可调，脉冲形状可调，所 述的激光器是具有激光脉冲重复频率可调，激光脉冲中间频率Δf可调的全光纤紧凑型脉冲激光器；
[0018]③所述的扫描器接收目标回波信号光后，经过扫描器的第一输入端反向进入望远镜，再通过所述的环形器的第二端口进入所述的环形器并经该环形器的第三端口进入耦合器的第一输入端，该信号频率为fo+ Δ f+fd ；
[0019]④所述的I禹合器的第一输出端输出的信号进入平衡探测器的第一输入端，该I禹合器的第二输出端输出的信号进入平衡探测器的第二输入端，两路信号光通过平衡探测器之后变为一路电信号，该信号功率谱的峰值频率为为携带风速信息的多普勒频率数值；
[0020]⑤所述的放大器是普通的单通道电子模拟放大器，放大倍率可调节；
[0021]⑥所述的模数数字采集卡对所述的放大器输出的电信号进行数字采集，通过所述的处理器进行傅立叶变换后得到功率谱信号，该信号的峰值频率为f= Af+fd，其中Af为激光器产生的中间频率，fd为多普勒频率，多普勒频率和平行于工作平台方向上相对于工
作平台的视线风速V之间的对应关系为，λ为激光器的输出波长；
Λ
λ( f - Af)
[0022]⑦所述的处理器计算最终视线风速:V = ' 。
[0023]⑧所述的显示和存储单元及其存储器终端可以实时显示多组视线风速计算处理后的三维风剖面信息、相应的距离信息与装置状态信息。
[0024]本发明的优点在于:
[0025]1、采用人眼安全的全光纤激光器、成熟的光纤器件，适用于静止和运动平台，功耗小、易于连接、方便维护、装置工作稳定、环境适应性强、可以抵抗冲击和振动。[0026]2、采用小信号处理技术，可以通过多次脉冲累加技术，频谱去噪技术提取功率谱中比随机噪声幅度还小的信号。单个脉冲信号的有效幅度大于1%的噪声幅度均可得到提取。
[0027]3、采用外差相干探测技术，可以有效地探测出具有光子量级的信号，使得装置可以工作在量子探测极限处，比直接探测获得更高的信噪比。
[0028]4、采用了单频脉冲激光输出，可以实现风速的高精度探测和距离门的高分辨率测量。
[0029]5、采用了脉冲波形调制技术，激光雷达发射脉冲激光波形、脉冲宽度以及重复频率可以在大的范围进行调节，满足不同探测距离和不同距离分辨率的激光雷达风速测量需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置结构框图【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0032]首先请参照图1，图1为本发明全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置整体结构框图。由图1可见，本发明全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，包括全光纤激光器I和环形器2，在所述的全光纤激光器I的第一输出端与所述的环形器2的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜3,该望远镜3与扫描器13的第一输入端相连,所述的环形器2的第三端口的输出方向是耦合器4的第一输入端，所述的全光纤激光器I的第二输出端与所述的耦合器4的第二输入端相连，该耦合器4的第一输出端与平衡探测器5的第一输入端相连，该稱合器4的第二输出端与平衡探测器5的第二输入端相连,所述的平衡探测器5的输出端与放大器6的输入端相连,该放大器6的输出端与模拟-数字米集卡11的第一输入端相连，所述的模拟-数字采集卡11的输出端与具有实时处理能力的数据处理单元12的第一输入端相连，数据处理单元12的输出端接实时显示和存储单元及其存储终端15，所述的全光纤激光器I的输入端为波形调制器14的输出端，所述的波形调制器14的输入端为控制器10的第一输出端,所述的控制器10的第二输出端与扫描器13的第二输入端相连，控制器10的第三输出端与模拟-数字采集卡11的第二输入端相连，控制器10的第四输出端与数据处理单元12的第二输入端相连。
[0033]所述的全光纤激光器I输出二部分光束，大部分光作为信号光依次进入环形器2、望远镜3和扫描器13后发射出去；小部分光作为本振光直接进入耦合器4用于相干探测。所述扫描器13收到回波信号进入望远镜3，再次通过环形器2进入耦合器4 ;进入所述的耦合器4的两束激光相干混频后输出，2束相干光进入平衡探测器5 ;所述的平衡探测器5输出一路混频电信号，该电信号经过放大器10进入模拟数字转换器11后变为数字信号输出，该数字信号通过处理器12实现视线风速及风剖面的计算；处理结果在显示和存储单元15显示输出。所述的控制器10是具有计算控制功能的中央处理器，通过指令控制信号发生器14进行工作并输出相应波形；所述的控制器10发出指令控制扫描器13进行光束扫描；所述的控制器10发出指令控制模拟数字转换器11和处理器12进行实时数据处理。
[0034]本实施例采用的具体器件为:所述的全光纤激光器I为单纵模全光纤激光器；所述的望远镜3为口径≤500mm的收发共光轴望远镜系统；耦合器4为分光比50/50波长1550nm的光纤稱合器；所述的扫描器13为可旋转的圆形光楔镜或者两镜扫描器；所述的控制器10为主控电路板；所述处理器12为内嵌FPGA及DSP的实时信号处理电路板。
[0035]本发明实施的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置具体流程是:
[0036]①激光器的第一输出端发出激光作为信号光，该信号光由环形器的第一端口进入后由该环形器的第二端口输出后进入望远镜，通过扫描器偏转后发射，激光器的第二输出端发出的激光作为本振光进入耦合器的第二输入端，该信号的频率为fo ;
[0037]②所述的激光器的第一输出端发出的激光根据波形调制器输出信号具有脉冲宽度可调，脉冲波形可调，所述的激光器是具有激光脉冲重复频率可调，激光脉冲中间频率Δf可调的全光纤脉冲激光器；
[0038]③所述的扫描器接收目标回波信号光后进入望远镜，再通过所述的环形器的第二端口进入所述的环形器并经该环形器的第三端口进入耦合器的第一输入端，该信号的频率为 f0+Af+fd；
[0039]④所述的I禹合器的第一输出端输出的信号进入平衡探测器的第一输入端，该I禹合器的第二输出端输出的信号进入平衡探测器的第二输入端，两路信号光通过平衡探测器之后变为一路电信号，外差信号频率为Af+fd，Λ 携带风速信息的多普勒频率数值；
[0040]⑤所述的放大器是普通的单通道电子学放大器，放大倍率可调节；
[0041]⑥所述的模拟数字采集单元AD对所述的放大器输出的电信号进行模拟采集，通过所述的处理器进行傅立叶变换后得到功率谱信号，该信号的峰值功率谱对应的频率为f=Δ f+fd，其中Λ f为激光器产生的中间频率，fd为多普勒频率，多普勒频率和平行于工作
平台方向上相对于工作平台的视线风速V之间的对应关系为力fd=2v/λ，λ为激光器的输出
波长;
[0042]⑦所述的处理器可得到最终视线风速:
【权利要求】
1.一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，包括全光纤激光器(I)和环形器(2)，其特征是在所述的全光纤激光器(I)的第一输出端与所述的环形器(2)的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜(3),该望远镜(3)与扫描器(13)的第一输入端相连，所述的环形器(2)的第三端口的输出方向是耦合器(4)的第一输入端，所述的全光纤激光器(I)的第二输出端与所述的稱合器(4)的第二输入端相连,该稱合器(4)的第一输出端与平衡探测器(5)的第一输入端相连，该耦合器(4)的第二输出端与平衡探测器(5)的第二输入端相连，所述的平衡探测器(5)的输出端与放大器(6)的输入端相连，该放大器(6)的输出端与模拟-数字采集卡(11)的第一输入端相连，所述的模拟-数字采集卡(11)的输出端与具有实时处理能力的数据处理单元(12)的第一输入端相连，数据处理单元(12)的输出端接实时显示和存储单元及其存储终端(15)，所述的全光纤激光器(I)的输入端为波形调制器(14)的输出端，所述的波形调制器(14)的输入端为控制器(10)的第一输出端，所述的控制器(10)的第二输出端与扫描器(13)的第二输入端相连，控制器(10)的第三输出端与模拟-数字采集卡(11)的第二输入端相连，控制器(10)的第四输出端与数据处理单元(12)的第二输入端相连。
2.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的全光纤激光器(I)为单模保偏全光纤激光器，该全光纤激光器(I)的第一输出端的激光频率为fo+Δ?.，为脉冲光源；该全光纤激光器(I)的第二输出端的激光频率为&，为连续光源。
3.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的望远镜(3)为发射和接收共光轴的望远镜系统。
4.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的扫描器(13)为旋转型光楔偏转镜或者两镜扫描镜，扫描方位角为O至360°范围。
5.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的率禹合器(4)为2X2的光纤稱合器。
6.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的放大器(6)为模拟放大器。
7.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的处理器(12)内嵌具有实时处理能力的现场可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)0
8.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的显示和存储单元及其存储终端(15)是基于电脑(PC)。
9.根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的控制器(10)为基于FPGA的指令控制单元。
【文档编号】G01P5/26GK103472255SQ201310422495
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】陈卫标, 刁伟峰, 张鑫, 刘继桥, 竹孝鹏, 刘源 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所