直接探测测风激光雷达的标定装置的制作方法

本发明属于激光雷达领域，具体涉及一种直接探测测风激光雷达的标定装置。

背景技术：

大气风场是大气循环、海气循环、气溶胶活动以及其各种天气现象的主要动力，在气象、环境和军事领域都具有极其重要的作用。多普勒测风激光雷达是迄今为止唯一能够对全球大气风场进行高精度探测的工具，其基本原理是利用双fp标准具作为鉴频器对大气分子的激光后向散射光进行频率鉴定，以求得多普勒频移，继而得到径向风速。为了得到准确的风速信息，就需要对雷达系统进行风速标定。气溶胶分子后向散射光谱接近激光光谱，米散射激光雷达可以采用硬靶散射的方法进行标定。但大气分子后向散射光谱谱宽较大，瑞利散射激光雷达无法采用硬靶方法。法国国家科学研究中心(cnrs)的激光雷达系统从自身进行零风速标定(souprayen,claude,etal."rayleigh-miedopplerwindlidarforatmosphericmeasurements.i.instrumentalsetup,validation,andfirstclimatologicalresults."appliedoptics38.12(1999):2410-2421)时，是将干涉仪放在密封箱里，改变压强使得气体折射率发生变化，干涉条纹移动。将光谱已知的出射激光取一小部分进入光信号收集光纤，准直后送入干涉仪。改变密封箱内部压强使得fpi曲线对称分布在入射光谱两侧，再通过反卷积的方法得到干涉仪的透过率曲线，进而进行风速的测量。1995年和1996年cnrs做的雷达标定结果有很大不同，其中1995年的标定误差较大。在国内，唐磊等人(唐磊,etal."瑞利测风激光雷达系统性能改进与中高层大气风场观测."中国激光43.7(2016))搭建60m准密闭大气管道，采用标准压缩空气将管道内的气溶胶粒子冲洗干净，密闭后形成零风速的准静态大气分子环境，用以进行零风速校准，在管道侧壁安装风机及风速计进行非零风速校准，但是标准压缩空气对激光光谱的展宽是一定的，无法模拟不同高度的激光后向散射光谱，且使用风机进行非零风速校准时，管道内部的风速不均匀也会给标定结果带来误差。我们也对其他雷达机构进行了调研，均未发现其他有更好的适用于瑞利测风雷达风速标定的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于直接探测瑞利测风激光雷达的零风速和风速精度标定的装置，完成对瑞利激光雷达风速的快速、准确的标定。

本发明的基本原理是利用高斯白噪声源和相位调制器对激光进行光谱展宽，通过改变相位调制器的射频输入电压来改变光谱的频谱宽度，用以模拟不同高度的大气后向散射光谱。将展宽后的光谱输入到直接探测测风激光雷达的鉴频器中，根据双fp通道能量得到此时的频率响应r，进而反演得到频移和风速，完成对零风速的标定；通过调节激光器驱动源改变激光器的频率，得到在不同频移量下激光雷达系统探测的风速，与不同频移量对应的理论风速进行比较，完成对风速精度的标定。

本发明的技术解决方案如下：

一种直接探测测风激光雷达的标定装置，其特点在于：包括1064nm种子激光器、种子激光器驱动源、电光相位调制器、高斯白噪声发生源、可调微波衰减器、射频放大器、声光调制器、光纤放大器、二倍频晶体、三倍频晶体、分光镜、准直扩束镜组、信号收集光纤和直接探测测风激光雷达的接收系统。上述元器件的连接关系如下：

所述的1064nm种子激光器在种子激光器驱动源的作用下可改变激光输出频率，其产生的信号光经所述的电光相位调制进行调制后实现光谱展宽，展宽后的光谱通过声光调制器实现展波，再输入到光纤放大器完成功率的放大，然后依次经过二倍频晶体、三倍频晶体和分光镜后输入到准直扩束镜组实现准直扩束，出射的光由信号收集光纤收集并送入激光雷达的接收系统；

所述的高斯白噪声发生源产生的白噪声信号依次经可调微波衰减器和射频放大器后进入电光相位调制器的射频端。所述的电光相位调制器使1064nm信号光和射频端输入的载波相互干涉，使信号光产生若干频带，从而改变信号光的谱宽特性。

所述的可调微波衰减器可以通过改变输入电压连续控制其衰减倍数。

所述的二倍频晶体和三倍频晶体为准相位匹配周期性极化反转铌酸锂晶体。

所述的分光镜对波长355nm激光高度透射，对波长1064nm和532nm激光高度反射，用于滤除出射激光中残余的少量1064nm基频光和532nm倍频光。

本发明的有益效果在于：

1.通过调节射频输入电压的大小来改变调制深度，从而得到不同展宽宽度的光谱，用以模拟不同高度的大气后向散射光光谱。

2.通过调节种子激光器驱动源控制激光输出频率，可以得到不同频移量下的测量风速，与理论风速相比较，可得到风速精度。

3.准确度高，相位调制展宽后的光谱接近高斯型，与实际测风中的大气后向散射光谱类似。且在标定过程中，系统中各部分仪器如干涉仪、激光器等的工作状态和参数都与实际测风时的状态参数完全一致，没有引进其他干扰项。

4.本发明装置结构简单，可以在每次测风之前对瑞利测风激光雷达进行零风速标定，最大程度的消除了零风速时激光频率漂移对风速测量带来的误差，快捷方便。

附图说明

图1是本发明直接探测测风激光雷达的标定装置的结构框图；图中：1—1064nm种子激光器，3—电光相位调制器，4—高斯白噪声发生源，5—可调微波衰减器，6—射频放大器，7—声光调制器、8—光纤放大器、9—二倍频晶体，10—三倍频晶体，11—分光镜，12—准直扩束镜组，13—信号收集光纤，14—直接探测测风激光雷达的接收系统。

具体实施方式

下面结合实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。

参阅图1，图1是本发明的直接探测测风激光雷达的标定装置的结构框图，由图可见，本发明直接探测测风激光雷达的标定装置，包括1064nm种子激光器1、种子激光器驱动源2、电光相位调制器3、高斯白噪声发生源4、可调微波衰减器5、射频放大器6、声光调制器7、光纤放大器8、二倍频晶体9、三倍频晶体10、分光镜11、准直扩束镜组12、信号收集光纤13、直接探测测风激光雷达的接收系统14。上述元器件的连接关系如下：

所述的1064nm种子激光器1在种子激光器驱动源2的作用下可改变激光输出频率，该1064nm种子激光器1产生的信号光经所述的电光相位调制器3进行调制后实现光谱展宽，展宽后的光谱通过声光调制器7实现展波，再输入到光纤放大器8完成功率的放大，然后依次经过二倍频晶体9、三倍频晶体10和分光镜11后输入到准直扩束镜组12实现准直扩束，出射的光由信号收集光纤13收集并送入激光雷达的接收系统14；

所述的高斯白噪声发生源4产生的白噪声信号依次经所述的可调微波衰减器5和射频放大器6后进入所述的电光相位调制器3的射频端。

下面是一个实施例采用的主要器件的参数：

所述的电光相位调制器3的调制带宽为2ghz，半波电压为2.5v。

所述的高斯白噪声发生源4可产生频率带宽1m-500mhz幅值不等的随机电压噪声，最大输出功率为10dbm。

所述的可调微波衰减器5带宽为10ghz，最高可衰减20db。

所述的射频放大器6的频率带宽为50khz-11ghz，最高可放大30db。

所述的二倍频晶体9和三倍频晶体10为准相位匹配周期性极化反转铌酸锂晶体。

所述的分光镜11对波长355nm激光透射，对波长1064nm和532nm激光反射。

利用上述直接探测测风激光雷达的标定装置进行标定的过程如下：

①高斯白噪声信号源4产生的信号经过可调微波衰减器、射频放大器后作为射频信号输入到电光相位调制器3中，通过调节可调微波衰减器5的衰减倍数，改变射频输入信号的功率，进而改变电光相位调制器的调制深度。

②1064nm种子源信号光经过相位调制器后进行相位调制实现光谱展宽，调节相位调制器的调制深度得到所需频谱宽度的信号光，信号光经过多级放大、倍频、和频、分光镜滤除基频光和倍频光后产生具有一定频谱宽度的中心频率为355nm的光谱，用以模拟不同高度的大气后向散射光谱，将该光输入到直接探测测风激光雷达的接收系统中，根据鉴频器双通道能量的变化反演出零风速时的频率响应函数和风速，完成零风速的标定。通过调节种子激光器驱动源改变种子源激光器的出射频率，测量此时鉴频器的响应并反演风速，与理论上种子源激光频移对应的风速相比较，完成对风速测量精度的标定。