全光纤多普勒激光雷达风场探测系统及探测方法
【专利摘要】全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，包括激光发射系统、光学接收系统、鉴频及光学探测系统和信号处理系统，鉴频及光学探测系统与信号处理系统连接，激光发射系统和光学接收系统通过多模/单模转换器与鉴频及光学探测系统连接；激光发射系统发射激光进入大气，光学接收系统接收大气分子的后向散射光，并将其耦合入多模光纤，再经过多模/单模转换器进入鉴频及光学探测系统处理后，送入信号处理系统，经处理得到风速信息。本发明采用光纤M-Z干涉仪作为鉴频器，具有较宽的波长范围，激光光源的选择性大，抗外界干扰能力强，且具有较高的光谱分辨率及分光效率；提高了探测的稳定性，且探测精度高，使用方便。
【专利说明】全光纤多普勒激光雷达风场探测系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风场探测系统【技术领域】，涉及一种全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，还涉及利用这种系统进行探测的方法。
【背景技术】
[0002]风场是重要的气象参数和大气动力学参数，与气候变化及各种异常气候现象的发生有密切的关系，高时空大尺度的精细风场探测技术的研究一直是激光雷达遥感的重要研究目标及前沿技术之一。
[0003]激光雷达作为具有高时空分辨率及晴空探测风场的新技术手段，正受到世界各国的广泛的关注与资金投入。美国NASA及欧空局ESA等国家相继研发了地基、机载及星载激光雷达测风技术，我国的中科院安徽光机所及中国海洋大学等单位也开展卓有成效的研究，先后研制出不同波长的多普勒测风激光雷达系统，并用于初步的日常业务及科研观测研究。星载测风激光雷达用于全球三维风场数据探测的研究，美欧等发达国家已经开始前期的立项预研工作，也有各种空间发射计划，如ESA正在计划于2015年发射首颗用于全球风场探测的ALADIN/ADM-Aeolus计划，日本与欧洲计划在2015年联合发射用于大气气溶胶、云等精细探测的高光谱分辨率星载激光雷达的ATLID/EarthCARE计划，这些计划将在今后几年中投入实际发射运行，必将对全球气候变化及灾害预警预报等产生深远的影响。
[0004]目前，激光雷达用于大气风场探测的原理是基于大气分子及悬浮颗粒物的多普勒频移，通过对频率相干检测及直接鉴频的方式实现多普勒频移鉴频，反演得到大气风速。直接鉴频测量多普勒频移(非相干检测)方法主要包括边缘检测技术和条纹成像技术。边缘检测常米用高分辨率的Fabry-Perot(F-P)标准具、Mach-Zehnder (M-Z)干涉仪、Michelson干涉仪、光栅等或者利用各种分子、原子滤波器，如碘滤波器，钠、钾、银蒸汽滤波器等作为鉴频器，将频率信号的变化转化为相对能量信号的变化来测定多普勒频移，其测量灵敏度主要依赖于边缘检测滤波器的滤波特性；条纹图像技术则是利用多通道探测器对干涉仪所成的条纹成像，当存在多普勒频移时，条纹分布在各个通道上的能量发生变化，即条纹重心发生移动，通过测量条纹重心的相对移动可以反演风速。相对于F-P干涉仪鉴频，M-Z干涉仪作为鉴频器，具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量，而且所成直条纹可以与探测器相互匹配等的优点，用于多普勒测风激光雷达可以获得较高的探测信噪比及大的风场探测范围。然而传统的机械结构式M-Z干涉仪往往具有体积大、光路调整复杂、结构不紧凑、易受环境干扰、系统稳定性差等缺点，制约其应用及发展，特别是在机载和星载系统中的应用。
[0005]近年来，随着光纤传感技术的飞速发展，基于光纤技术的光纤滤波器、光纤干涉仪等技术日趋成熟。日本三菱公司研发的小型机载1.5um-2.0um波长的全光纤相干测风激光雷达，利用光纤激光器及光纤相干技术探测风场，研究已经接近商业化，可为商用客机探测晴空大气风场及湍流。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，解决现有技术存在的机构庞大，结构复杂，且探测结果不稳定的问题。
[0007]本发明的第二个目的是提供一种利用上述探测系统进行探测的方法。
[0008]本发明的技术方案是，一种全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，包括激光发射系统、光学接收系统、鉴频及光学探测系统和信号处理系统，鉴频及光学探测系统与信号处理系统连接，激光发射系统和光学接收系统通过多模/单模转换器与鉴频及光学探测系统连接；激光发射系统发射激光进入大气，光学接收系统接收大气分子的后向散射光，并将其耦合入多模光纤，再经过多模/单模转换器进入鉴频及光学探测系统处理后，送入信号处理系统，经处理得到风速信息。
[0009]本发明的特点还在于:
[0010]激光发射系统前设有分束器、反射镜和扫描镜，激光通过分束器、反射镜到达扫描镜，通过扫描镜折射进入大气，光学接收系统通过扫描镜接收大气分子的后向散射光。
[0011]鉴频及光学探测系统包括光纤M-Z干涉仪和光电探测器，光纤M-Z干涉仪由两个光纤稱合器Cp C2和两条光纤干涉臂Lp L2组成；光信号从光纤M-Z干涉仪输入端输入，由光纤M-Z干涉仪输出端口输出；输出的光信号有两路传播途径,一路经光纤I禹合器C1的直通臂、光纤干涉臂 L1和光纤耦合器C2的直通臂，另一路经光纤耦合器C1的交叉臂、光纤干涉臂L2和光纤耦合器C2的交叉臂，两路信号在输出端口相互干涉，由光电探测器接收。
[0012]光纤M-Z干涉仪包括输入端I和2，光纤M-Z干涉仪包括输出端口 3和4 ;输出端口 3输出的信号由光电探 测器PMTl接收，输出端口 4输出的信号由光电探测器PMT2接收。
[0013]利用上述探测系统的探测方法，激光发射系统采用频率稳定的种子注入ND:YAG脉冲激光器，经二倍频晶体出射激光，光束经过准直扩束系统、分束器、反射镜到达扫描镜，通过扫描镜折射进入大气，回波信号通过光学接收系统接收，然后将散射回波信号耦合到多模光纤中，再经过多模/单模转换器和透镜准直进入光纤M-Z干涉仪的输入端，3dB光耦合器C1将光分为强度相等的两束光，经过具有光程差的两臂传输，再经3dB耦合器C2干涉后从两端口 3和4输出，再由探测器接收后送入信号处理系统，进行数据采集和反演计算，得到风速大小信息，风速方向由光束扫描系统确定。
[0014]光纤M-Z干涉仪输出端口 3和4的透过率由耦合模理论推导得出，在不考虑插入
损耗时，输入光场与输出光场的关系可以表不为:
[0015]
【权利要求】
1.一种全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，其特征在于:包括激光发射系统(I)、光学接收系统(2)、鉴频及光学探测系统(3)和信号处理系统(4)，鉴频及光学探测系统(3)与信号处理系统(4)连接，激光发射系统(I)和光学接收系统(2)通过多模/单模转换器与鉴频及光学探测系统(3 )连接；激光发射系统(I)发射激光进入大气，光学接收系统(2 )接收大气分子的后向散射光，并将其耦合入多模光纤，再经过多模/单模转换器进入鉴频及光学探测系统(3)处理后，送入信号处理系统4，经处理得到风速信息。
2.如权利要求1所述的全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，其特征在于:激光发射系统(I)前设有分束器、反射镜和扫描镜，激光通过分束器、反射镜到达扫描镜，通过扫描镜折射进入大气，光学接收系统(2)通过扫描镜接收大气分子的后向散射光。
3.如权利要求1或2所述的全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，其特征在于:鉴频及光学探测系统(3)包括光纤M-Z干涉仪和光电探测器，光纤M-Z干涉仪由两个光纤耦合器Cp C2和两条光纤干涉臂Lp L2组成；光信号从光纤M-Z干涉仪输入端输入，由光纤M-Z干涉仪输出端口输出；输出的光信号有两路传播途径，一路经光纤I禹合器C1的直通臂、光纤干涉臂L1和光纤耦合器C2的直通臂，另一路经光纤耦合器C1的交叉臂、光纤干涉臂L2和光纤耦合器C2的交叉臂，两路信号在输出端口相互干涉，由光电探测器接收。
4.如权利要求3所述的全光纤多普勒激光雷达风场探测系统，其特征在于:光纤M-Z干涉仪包括输入端I和2，光纤M-Z干涉仪包括输出端口 3和4 ;输出端口 3输出的信号由光电探测器PMTl接收，输出端口 4输出的信号由光电探测器PMT2接收。
5.利用如权利要求1-4任一项所述的全光纤多普勒激光雷达风场探测系统的探测方法，其特征在于:激光发射系统(I)采用频率稳定的种子注入ND: YAG脉冲激光器，经二倍频晶体出射激光，光束经过准直扩束系统、分束器、反射镜到达扫描镜，通过扫描镜折射进入大气，回波信号通过光学接收系统(2)接收，然后将散射回波信号耦合到多模光纤中，再经过多模/单模转换器和透镜准直进入光纤M-Z干涉仪的输入端，3dB光耦合器C1将光分为强度相等的两束光，经过具有光程差的两臂传输，再经3dB耦合器C2干涉后从两端口 3和4输出，再由探测器接收后送入信号处理系统(4)，进行数据采集和反演计算，得到风速大小信息，风速方向由光束扫描系统确定。
6.如权利要求5所述的探测方法，其特征在于:光纤M-Z干涉仪输出端口3和4的透过率由I禹合模理论推导得出，在不考虑插入损耗时，输入光场与输出光场的关系可以表不
7.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于:最优光程差为
【文档编号】G01S7/491GK103713293SQ201310740353
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】汪丽, 华灯鑫, 胡辽林 申请人:西安理工大学