本申请涉雷达领域，特别是涉及一种测风激光雷达装置。
背景技术：
大气风场信息是一项重要的资源，精确的大气风场测量可提高可再生能源领域风能的利用率、气候模型建立的准确性、增强飞行器起降时的安全性等等，且在风电、航空航天、气候气象、军事等领域都有着非常重要的研究价值。与传统测风仪器相比，测风激光雷达具有更高的时空分辨率、移动便携性好、可快速测量风场信息等优势，已成为风场测量的重要手段之一。
测风激光雷达按照探测方式可分为直接探测型和相干探测型，与直接探测相比，相干探测技术的器件更易于集成，不易受环境影响且具有探测的灵敏度高，更有利于微弱信号的探测，具有良好的滤波性能和较高的转换增益。
相干探测多普勒相干测风激光雷达通常由激光源、光学收发系统、数字信号采集系统和信号处理系统构成。激光雷达系统中激光器产生信号光通过光学收发天线发射到待测空气中，激光束与空气中的气溶胶颗粒相互作用产生包含其速度信息的后向散射信号。回波信号经过数字信号采集系统及信号处理系统，即可获得待测目标的风场信息。由于风场信息带来的多普勒频移小于102兆赫兹，而1.55μm激光的频率是108兆赫兹量级，因此一般激光雷达系统对种子激光器的频谱线宽、相位噪声、频率稳定性都有极高的要求，高性能的种子激光器导致激光雷达系统成本的大幅增加，同时也增加了高性能种子激光器的采购难度。
技术实现要素：
本申请提供一种测风激光雷达装置，能够显著降低对种子激光器的要求，减少激光雷达系统成本，降低种子激光器的采购难度。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种测风激光雷达装置，所述装置包括：种子激光器，用于产生线偏振连续激光；分束器，包括输入端、第一输出端及第二输出端，所述输入端连接所述种子激光器，用于将所述种子激光器发出的窄线宽连续激光分为两部分，其中一部分作为种子光从所述第一输出端输出，另一部分作为本振光从所述第二输出端输出；光学收发天线，包括第一端和第二端端，所述光学收发天线的第一端连接所述分束器的第一输出端，用于将所述种子光从所述第二端发射到大气中，和接收回波信号，所述回波信号是大气溶胶颗粒与所述种子光相互作用产生的且携带所述大气溶胶颗粒的速度信息；可调光延迟线，所述可调光延迟线的输入端连接所述分束器的第二输出端，用于将所述本振光进行延时；信号采集处理模块，所述信号采集处理模块的输入端分别和所述可调光延迟线的输出端及所述光学收发天线的第一端连接，用于利用延时后的所述本振光和所述回波信号进行风速估计，以得到当前扫描方向上的径向风速。
本申请的有益效果是：提供一种测风激光雷达装置，通过采用低性能的种子激光器及可调光纤延迟线及可调光纤延迟线，能够显著降低对种子激光器的要求，减少激光雷达系统成本，降低种子激光器的采购难度。
附图说明
图1是本申请测风激光雷达装置第一实施方式的结构示意图；
图2是本申请光学收发天线一实施方式的结构示意图；
图3是本申请可调光纤延迟线一实施方式的结构示意图；
图4是本申请信号采集处理模块一实施方式的结构示意图；
图5是本申请测风激光雷达装置第二实施方式的结构示意图；
图6是本申请测风激光雷达装置第三实施方式的结构示意图；
图7是本申请光纤放大模块一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参阅图，图1为本申请测风激光雷达装置第一实施方式的结构示意图。本实施例中所提供测风激光雷达装置10包括：种子激光器11、分束器12、光学收发天线13、可调光延迟线14以及信号采集处理模块15。
其中，种子激光器11用于产生线偏振连续激光。本实施例中所采用的种子激光器11输出的线偏振连续激光的波长为1.5μm。本实施例中采用的种子激光器11可以为包括但不限于半导体激光器、分布式反馈激光器(distributedfeedbacklaser,dfb)以及分布式布拉格反射激光器(distributedbraggreflector,dbr)中的一种，其中dfb及dbr激光器带尾纤输出。此外，相对于线宽窄、相位噪声低、频率稳定性好的高性能种子激光器，本申请所采用的上述任一所述的种子激光器，可以降低对种子激光器的要求，减少激光雷达系统成本，降低种子激光器的采购难度。可选地，在其它实施例中，根据探测方式的不同可以选择不同波长的种子激光器，且其波长范围可以为1～11μm，具体可以为工作波长为1.06μm的yag激光器、工作波长为10μm的二氧化碳激光器等等，本申请此处不做进一步限定。
分束器12，用于将一束光分成两束光或多束光的光学装置，且本申请所采用的分束器12为光纤分束器，具体包括输入端a、第一输出端b及第二输出端c。其中，输入端a连接所述种子激光器11，用于将种子激光器11发出的窄线宽连续激光分为两部分，其中一部分作为种子光从第一输出端b输出，另一部分作为本振光从第二输出端c输出。
光学收发天线13，包括第一端d和第二端e，且光学收发天线13的第一端d连接分束器12的第一输出端b，用于将种子光从第二端e发射到大气中，和接收回波信号。其中，回波信号是大气溶胶颗粒与种子光相互作用产生的(后向散射信号)且携带大气溶胶颗粒的速度信息。
可选地，请进一步参阅图2，图2为本申请光学收发天线一实施方式的结构示意图。如图2，该光学收发天线13包括依次连接的望远镜系统131以及光束扫描系统132。其中，望远镜系统131可以为发射和接收共轴的望远镜系统，且该望远镜系统131的焦距可调。光束扫描系统132可以由光楔镜和扫描器组成，也可以由多路光开关组成，用过改变光束的指向。
可调光延迟线14，可调光延迟线14的输入端f连接分束器12的第二输出端c，用于将本振光进行延时。
可选地，请进一步参阅图3，图3为本申请可调光延迟线14一实施方式的结构示意图。如图3，可调光延迟线14进一步包括电控装置141及空心光纤142，电控装置141用于控制本振光在空心光纤142中的传播参数，以对本振光进行延时处理。具体地，电控装置141通过改变本振光在空心光纤142中的反射次数或改变本振光的传播长度，以此来对本振光进行延时。其中，通过电控装置141控制可调光延迟线14的长度和实际风场信息的测试距离相同。在其它实施例中，电控装置141也可以通过改变本振光在空心光纤中的传播角度等参数来控制本振光的延时。
信号采集处理模块15，信号采集处理模块15的输入端g分别和可调光延迟线14的输出端h及光学收发天线13的第一端d连接，用于利用延时后的本振光和回波信号进行风速估计，以得到当前扫描方向上的径向风速。
可选地，请进一步参阅图4及图5，图4为本申请信号采集处理模块一实施方式的结构示意图，图5为本申请测风激光雷达装置第二实施方式的结构示意图。如图4，信号采集处理模块15包括依次连接的耦合器151、平衡探测器152、数字采集卡153以及信号处理器154。
结合图5，耦合器151的第一端i，也即信号采集处理模块15的输入端g连接可调光延迟线14的输出端h，耦合器151的第二端j连接光学收发天线13的第一端d，用于将本振光和回波信号进行耦合。本申请所采用的耦合器151可以为光纤耦合器，在其它实施例中，也可以采用其他形式的耦合器，例如定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件中的任意一种，本申请不做具体限定。
平衡探测器152，用于接收来自可调光延迟线14的输出端h输出的延时后的本振光以及光学收发天线13接收到的所述回波信号，两路光信号通过平衡探测器152进行相干探测，获得具有风场信息的多普勒频移信号，其中，风场信息至少可以包括风向、风速、温度以及气压中的一种。具体地，因光纤延迟线的长度和实际风场信息的测试距离相同，故本振光在延时后产生的相位和频率变化和种子光与大气溶胶颗粒碰撞后产生的相位和频率变化相同。故回波信号和延时后的本振光进入平衡探测器152后变为一路电信号，且得到延时后的本振光和回波信号的频率差值信号，该频率差值信号为携带风速信息的多普勒频率数值。
进一步，通过数字采集卡153以及信号处理器154对上述频率差值信号进行数据采集和处理，具体可以是通过信号处理器154进行傅里叶变换后得到功率谱信息，再根据该功率谱信息计算得到当前扫描方向上的径向风速。本申请所采用的数字采集卡153可以为高速数字采集卡，信号处理器154为工控机或嵌入式平台中的一种。当然，在其他实施方式中，也可以采用型号和种类的数字采集卡以及信号处理器，此处不做进一步地限定。
可选地，进一步参阅图5，本申请的测风激光雷达装置10进一步包括环形器16。其中，环行器又叫隔离器，其突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输，这种单向传输高频信号能量的特性，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间，起到各自独立，互相“隔离”的作用。
本申请中所采用的环形器16的第一端1连接分束器12的第一输出端b，环形器16的第二端2连接光学收发天线13的第一端d，环形器16的第三端3连接信号采集处理模块15的输入端g，即本申请中的光学收发天线13和信号采集处理模块15的连接是通过环形器16来实现的。其中，环形器16用于传输从分束器12第一输出端b输出的种子光至光学收发天线13，和传输光学收发天线13接收到的回波信号至信号采集处理模块15。
下面就本申请的测风激光雷达装置10的工作原理作简要描述，具体如下：
种子激光器11产生的线偏振连续激光经过分束器12后，分束器12将其分为两部分，其中一部分作为种子光从第一输出端b输出，并通过环形器16进入光学收发天线13，光学收发天线13将该将种子光发射到大气中，大气中运动的气溶胶颗粒和种子光发生碰撞，产生回波信号(后向散射信号)，所述回波信号携带大气溶胶颗粒的速度信息。其中，回波信号是种子光在和大气中气溶胶颗粒碰撞产生的，且该回波信号的相位及频率受空气影响发生变化。
可选地，另一部分线偏振连续激光作为本振光从第二输出端c输出至可调光纤延迟线14进行延时，且延时后的本振光产生和回波信号产生相同的相位和频率变化。其中，通过设置可调光纤延迟线14的长度和实际风场信息的测试距离相同，来保证本振光产生和回波信号产生的相位和频率变化相同。举例来说，例如激光雷达测试前方80m处的风场信息时，此时可调光纤延迟线的长度设定为80m，才能保证延时后的本振光产生和回波信号产生的相位和频率变化相同。在其它实施例中，可调光纤延迟线的长度随着测试点距离的变化而设置为不同长度，例如40m、60m、120m等等，此处不做进一步限定。
进一步，通过耦合器151将延时后的本振光产生和回波信号进行相位匹配，并在平衡探测器152中进行相干探测，获得得到大气风场在雷达径向方向上的速度分量引起的多普勒频移信号，根据多普勒频移信号与径向风速的速度值之间的对应关系，经过信号处理后获得径向风速的速度值。
上述实施方式，通过采用低性能的种子激光器及可调光纤延迟线，能够实现风场信息的探测，显著降低了测风激光雷达系统对种子激光源的要求，有效降低系统成本及购买难度，提高激光雷达商业化的可行性。
请参阅图6，图6为本申请测风激光雷达装置第三实施方式的结构示意图。本实施例中的测风激光雷达装置与测风激光雷达装置第一实施方式大致相同，且不同之处在于本实施例中的测风激光雷达装置还包括光纤放大模块，具体描述如下：
本实施例中所提供测风激光雷达装置20包括：种子激光器21、分束器22、光学收发天线23、可调光延迟线24、信号采集处理模块25、环形器26以及光纤放大模块27。
其中，光纤放大模块27的输入端a连接分束器22的第一输出端b1，光纤放大模块27的输出端通过环形器26连接光学收发天线23的第一端d1，用于放大种子光。参加图7，本申请所采用的光纤放大模块27可以由稀土掺杂光纤271、泵浦源272以及光滤波器273组成。
其中，稀土掺杂光纤271可以为掺铒光纤、铒镱双掺光纤、掺铥光纤以及掺镨光纤中的一种。
光滤波器273也可以为由级联的布拉格光栅组成，本申请不做进一步限定。
此外，上述测风激光雷达装置20的其余部件的连接关系及工作原理的描述可以详见本申请测风激光雷达装置第一实施方式中的具体描述，此处不再赘述。
上述实施方式，通过采用低性能的种子激光器及可调光纤延迟线，能够实现风场信息的探测，显著降低了测风激光雷达系统对种子激光源的要求，有效降低系统成本及购买难度，提高激光雷达商业化的可行性。
综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种测风激光雷达装置，通过采用低性能的种子激光器及可调光纤延迟线及可调光纤延迟线，能够实现风场信息的探测，显著降低了测风激光雷达系统对种子激光源的要求，有效降低系统成本及购买难度，提高激光雷达商业化的可行性。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。