本申请涉及雷达领域，特别是涉及一种相干测风激光雷达装置。
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，提高气候模型建立的准确性，增强飞行器起降时的安全性，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。
风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类，传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪等，主动式测量装置有测风激光雷达、微波雷达和测风声雷达等。其中，测风激光雷达与传统测风仪器相比具有更高的时空分辨率、可快速测量风场信息，已成为风场测量的重要手段。
在现有技术中，测风激光雷达至少包括激光源和光纤放大模块，其中，激光源一般为单波长的激光器。在实际使用过程中，当光纤放大模块对单波长的激光信号进行放大时，由于单波长激光信号的窄线宽，容易出现光纤放大模块的非线性效应，进而会限制激光器中单波长激光信号的输出功率，从而大大降低激光雷达的探测性能。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是提供一种相干测风激光雷达装置，能够提高激光雷达中激光信号的输出功率，从而提高激光雷达的探测性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种相干测风激光雷达装置，该装置包括：信号产生模块，用于根对多波长本振信号进行放大处理以产生多波长激光信号；信号收发模块，用于发射信号产生模块产生的多波长激光信号以及接收多波长激光信号出射到大气中后被大气气溶胶颗粒散射回来的回波信号，其中，回波信号携带风速信息；信号处理模块，耦接于信号产生模块和信号收发模块，用于根据多波长本振信号对回波信号进行拍频处理以产生多个频移信号后，根据累加后的多个频移信号进行风速反演以获得风速信息。
本发明的有益效果是：本发明的相干测风激光雷达装置通过发射多波长激光信号，能够提高激光雷达中激光信号的输出功率，从而能够提高激光雷达回波信号的信噪比，进而达到提高激光雷达的探测性能的目的。
附图说明
图1是本发明第一实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图；
图2是本发明第二实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图；
图3是图2所示的相干测风激光雷达装置中光纤放大器的结构示意图；
图4是图2所示的相干测风激光雷达装置中信号收发模块的结构示意图；
图5是本发明第三实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。
图1是本发明第一实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图。如图1所示，该装置100包括信号产生模块11、信号收发模块12和信号处理模块13。
信号产生模块11用于对多波长本振信号进行放大处理以产生多波长激光信号。
信号收发模块12耦接于信号产生模块11，用于发射信号产生模块11产生的多波长激光信号以及接收多波长激光信号出射到大气中后被大气气溶胶颗粒散射回来的回波信号，其中，回波信号携带风速信息；
信号处理模块13耦接于信号产生模块11和信号收发模块12，用于根据多波长本振信号对回波信号进行拍频处理以产生多个频移信号后，根据累加后的多个频移信号进行风速反演以获得风速信息。
图2是本发明第二实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图。如图2所示，该装置200包括信号产生模块21、信号收发模块22和信号处理模块23。
信号产生模块21用于对多波长本振信号进行放大处理以产生多波长激光信号。其中，信号产生模块21包括依次连接激光器211、分束器212和光纤放大器213。其中，激光器211包括不同波长的多个种子源an(n＝1、2、3……)和第一耦合器w1。
具体来说，多个种子源an分别与对应的第一耦合器w1的输入端连接，第一耦合器w1的输出端与分束器212的输入端连接，分束器212的第一输出端与光纤放大器213连接，分束器212的第二输出端与信号处理模块23连接。
本实施例中所采用的多个种子源an分别用于产生多个不同波长的线偏振连续激光。本实施例中所采用的种子源an输出的线偏振连续激光的波长范围为1.53μm～1.56μm。本实施例中采用的种子源an为单频窄线宽的半导体激光器、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。
多个种子源an可以包括一种型号的激光器也即同为半导体激光器、dfb激光器或dbr激光器，也可以包括不同的三种型号的激光器也即部分为半导体激光器、部分为dfb激光器、剩余部分为dbr激光器，也可以包括不同的两种型号的激光器例如部分为半导体激光器、剩余部分为dbr激光器等等。
本实施例中所采用的第一耦合器w1用于对不同波长的多个线偏振连续激光进行耦合以输出多波长本振信号，其中，多波长本振信号为连续激光，其为多个线偏振连续激光的集合。换个角度来说，第一耦合器w1的作用是将在多个种子源分别传输的线偏振连续激光集合形成多波长本振信号以在同一个传输通道中进行传输。在本实施例中，第一耦合器w1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。
分束器212是将一束光分成两束光或多束光的光学装置，本实施例中所采用的分束器212为光纤分束器，其用于将第一耦合器w1输出的多波长本振信号分为两部分，其中一部分作为相干测风激光雷达装置的发射信号传输至光纤放大器213，另一部分作为与相干测风激光雷达装置的回波信号进行拍频处理的输入信号传输至信号处理模块23。
光纤放大器213用于放大待发射的多波长本振信号以产生多波长激光信号。请一并参考图3，图3是图2所示的相干测风激光雷达装置中光纤放大器的结构示意图。如图3所示，光纤放大器213包括第三耦合器30、光纤31、泵浦源32和滤波器33，其中，第三耦合器30的一输入端与分束器212连接用以接收多波长本振信号，第三耦合器30的另一输入端与泵浦源32连接用以接收激励信号，第三耦合器30的输出端与光纤31的输入端连接，光纤31的输出端与滤波器33连接。其中，光纤31为掺铒光纤或铒镱双掺光纤，滤波器33为光滤波器或布拉格光栅。
在本实施例中，利用光纤放大器213对多波长本振信号进行放大处理的过程中，由于多波长本振信号存在多个频率成分，光谱产生展宽，从而可以增加光纤放大器213的增益，进而获得更高的多波长激光信号的输出功率。
信号收发模块22用于发射信号产生模块21产生的多波长激光信号以及接收多波长激光信号出射到大气中后被大气气溶胶颗粒散射回来的回波信号，其中，回波信号携带风速信息。
请一并参考图4，图4是图2所示的相干测风激光雷达装置中信号收发模块的结构示意图。如图4所示，信号收发模块22包括沿多波长激光信号传播方向依次设置的望远镜系统34和光束扫描系统35，其中，望远镜系统包括目镜和物镜。
望远镜系统34可以为发射和接收共轴的望远镜系统，且该望远镜系统34的焦距可调。光束扫描系统35可以为光楔镜、扫描器及多路光开关中的一种组成，用过改变光束的指向。
其中，发射信号产生模块21产生的多波长激光信号输出到望远镜系统34的目镜、物镜经扩束准直后经光束扫描系统35射向大气；而被大气气溶胶颗粒散射回来的回波信号经光束扫描系统35接收后进入望远镜系统34，进而输出至信号处理模块23。
信号处理模块23耦接于信号产生模块21和信号收发模块22，用于根据多波长本振信号对回波信号进行拍频处理以产生多个频移信号后，根据累加后的多个频移信号进行风速反演以获得风速信息。其中，信号处理模块23包括依次连接的第二耦合器231、平衡探测器232、数字采集卡233和信号处理器234。
第二耦合器231用于将多波长本振信号和回波信号进行耦合后输出至平衡探测器232。其中，第二耦合器231包括第一输入端、第二输入端和输出端，第二耦合器231的第一输入端与分束器212的第二输出端连接后接收多波长本振信号，第二耦合器231的第二输入端与信号收发模块22连接后接收回波信号，第二耦合器231的输出端与平衡探测器232连接以将耦合后的多波长本振信号和回波信号发送至平衡探测器232。在本实施例中，第二耦合器231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232用于对经第二耦合器231耦合后的多波长本振信号和回波信号进行拍频处理，产生与风场信息相关的多个频移信号，进而将多个频移信号进行累加后输出。其中，平衡探测器232接收的是两个光信号，输出的是一个电信号。
数字采集卡233对平衡探测器232输出的电信号也即累加后的频移信号进行采集后输出给信号处理器234。
信号处理器234对采集到的累加后的频移信号进行处理，具体可以是通过信号处理器234对累加后的频移信号进行风速反演以获得风速信息。本实施例所采用的信号处理器234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信号处理器，此处不做进一步地限定。
优选地，相干测风激光雷达装置200进一步包括环形器24。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。
在本实施例中，环形器24包括第一端、第二端和第三端，环形器24的第一端连接信号产生模块21的光纤放大器213的输出端，第二端连接信号收发模块22，第三端连接信号处理模块23的第二耦合器的第二输入端。其中，信号产生模块21产生的多波长激光信号输入到环形器24的第一端后由第二端输出至信号收发模块22，信号收发模块22接收的回波信号输入到环形器24的第二端后由第三端输出至信号处理模块23。
下面就测风激光雷达装置200的工作原理作简要描述，具体如下：
多个波长相近的种子源an产生的线偏振连续激光经过第一耦合器w1后形成含有多频率成分的多波长本振信号，分束器212将多波长本振信号分为两部分，一部分多波长本振信号输入到光纤放大器213进行放大处理以获取多波长激光信号，一部分多波长本振信号输入到第二耦合器231进行后续的拍频处理。
其中，在光纤放大器213放大的过程中，因为输入的多波长本振信号存在多个频率成分，光谱产生展宽，从而抑制了进入光纤放大器213的激光信号的峰峰值功率，可有效提高布里渊散射的阈值，增加光纤放大器213的增益，获得更高的多波长激光信号的输出功率。
多波长激光信号通过环形器24进入信号收发模块22，信号收发模块22将多波长激光信号发射到大气中，大气中运动的气溶胶颗粒和多波长激光信号发生碰撞，产生携带风速信息的回波信号，回波信号继续被信号收发模块22接收后经环形器24传输至第二耦合器231。其中，回波信号中包括多个不同频率成分的频移信号。
第二耦合器231将多波长本振信号和回波信号进行耦合后输出至平衡探测器232，平衡探测器232对多波长本振信号和回波信号进行拍频处理，产生与风场信息相关的多个频移信号后，进而将多个频移信号进行累加处理并传递给数字采集卡233以及信号处理器234，信号处理器234根据累加后的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。
其中，在平衡探测器232中，由于采用多波长探测，每个波长产生的频移信号经拍频后进行累加，可有效提高回波信号的信噪比，进而提升激光雷达的探测性能。
图5是本发明第三实施例的相干测风激光雷达装置的结构示意图。如图5所示，图5所示的相干测风激光雷达装置300与图2所示的相干测风激光雷达装置200的区别在于：图5所示的信号产生模块21进一步包括声光调制器41，其中，声光调制器41串接在分束器212的第一输出端和光纤放大器213之间。
声光调制器41用于接收脉冲斩波信号和多波长本振信号，并根据脉冲斩波信号对多波长本振信号进行调制处理，以产生多波长激光信号并传输给光纤放大器213。具体来说，声光调制器41通过脉冲斩波信号将连续激光的多波长本振信号调制成脉冲激光，同时产生移频后形成多波长激光信号后输入到光纤放大器213。也就是说，在本实施例中，多波长激光信号是脉冲激光。
本发明的有益效果是：本发明的相干测风激光雷达装置通过发射多波长激光信号，能够提高激光雷达中激光信号的输出功率，从而能够提高激光雷达回波信号的信噪比，进而达到提高激光雷达的探测性能的目的。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。