一种基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计及分布测量方法与流程

[0001]
本发明属于风速计技术领域，具体涉及一种基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计及分布测量方法。


背景技术：

[0002]
风速探测一直是气象探测关注的问题，目前，已经有各种不同原理的风速计，基于风压测量的风速计能够测量它所安装位置处的风速。
[0003]
然而，大气的运动不是均匀的，也就是各个局部风速是不一样的，因此需要一种能够测量大气不同层高或者不同距离上的风速，也就是需要实现风速的分布式测量。
[0004]
能够实现风速的分布式测量风速计，应该是非接触的，所以利用风压检测的机械式风速计，或者需要直接接触到风进行散热的热风速计，都只能检测探头处的风速，而不能检测探头达不到位置的风速。
[0005]
基于相干多普勒激光干涉原理的风速计，虽然可以实现非接触测量，且测量距离稍远一些，但是仍然不能实现分布式测量，因为，大气作为一种基本透明而反向散射光很微弱的介质，反射回来的散射光包含了从不同距离或者不同层高上散射回来的光，也就是说，在这种激光风速计中的光学天线接收到的光是大气不同位置上返回光的叠加，它本身就已经是一种干涉信号，再进一步与本振光干涉，实际上属于多信号干涉，是一个混合的杂乱信号。由于这种结构的干涉仪不能区分来自于不同距离或者不同层高的风速，导致测量具有较大误差。
[0006]
作为现有距离测量的基本方法，激光雷达可以很好的测量出光反射点的位置。但是，激光雷达发出的是一个脉冲光信号，当脉冲信号从反射点返回的时候，发送脉冲已经过去，无法实现干涉，因此简单的激光雷达，无法测出多普勒频移从而测量出风速。
[0007]
此外，现有的激光干涉原理的风速计都是采用迈克尔逊干涉仪原理，参见图1。这里，它们使用了2x2耦合器作为光干涉元件，而且需要从激光器中分出一路光作为本振光，这种干涉仪由于使用了两路光干涉，它们经历了不同的光路，因此干涉信号很不稳定，需要采用复杂的处理电路。
[0008]
并且，在测风过程中，由于风向不固定，多普勒频移是与风向和入射光的夹角有关，如果测风的光学天线只能指向固定的方向，那么会带来夹角引起的误差，因此，需要一种能够从不同角度发射光脉冲的、可转动的测风天线。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的在于提供一种基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计及分布测量方法，以解决上述的技术问题。
[0010]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计，包括仪表箱、旋转机构及设置于旋转机构的光学天线管件，其中：
[0011]
所述旋转机构带动光学天线管件进行旋转，且所述光学天线管件内置用于接收风速多普勒效应的光学天线；
[0012]
所述仪表箱内设置有环行器，所述环行器第一端口通过第一光纤放大器与窄线宽光源连接，且所述窄线宽光源产生带有基座的脉冲光；
[0013]
所述环行器第二端口与旋转机构内光纤滑环的静止端连接，且所述光纤滑环的滑动端与光学天线连接；
[0014]
所述环行器第三端口通过第二光纤放大器与光电转换器连接，所述光电转换器与数据采集处理模块连接，且所述数据采集处理模块包括离线处理模块和/或在线处理模块。
[0015]
优选的，所述光学天线包括带有尾纤的自聚焦透镜及扩束透镜，且所述自聚焦透镜具有部分反射并部分透射光的特性。
[0016]
优选的，所述窄线宽光源为dfb分布反馈激光器，且通过改变对所述窄线宽光源的直流工作点和调制电流的大小，获得带有基座的脉冲光。
[0017]
优选的，所述窄线宽光源包括一个窄线宽激光器，所述窄线宽激光器后设置有光调制器，且通过改变所述光调制器的偏置电压及调制脉冲信号幅度，获得带有基座的脉冲光。
[0018]
优选的，所述第一光纤放大器为高功率输出的线性光放大器，且第一光纤放大器在放大所述带有基座的光脉冲过程中使基座的幅度与脉冲的幅度以相同的倍数放大，以保证消光比不变。
[0019]
优选的，所述第二光纤放大器为低噪声线性前置放大器，且所述第二光纤放大器对反射脉冲光与本地基座脉冲光的放大倍数相同。
[0020]
优选的，所述数据采集处理模块包括示波器及笔记本电脑或数采卡及微机。
[0021]
优选的，所述旋转机构包括上接头和下接头，且所述光纤滑环设置在上接头和下接头内，所述上接头和下接头之间通过旋转连接部进行转动连接，且所述旋转连接部为子母卡扣结构，以卡扣的方式进行旋转连接。所述上接头和下接头之间并位于旋转连接部的一侧设有对拼的环形槽，且所述环形槽内设有多个用于辅助转动的钢珠。
[0022]
本发明还提供了一种基于斐索干涉原理的激光多普勒风速计的分布测量方法，具体包括如下步骤：
[0023]
步骤1、通过所述光学天线向大气发射周期性的带有基座的脉冲光；
[0024]
步骤2、所述带有基座的脉冲光被不同层高或不同距离的风反射并形成多普勒频移；
[0025]
步骤3、具有多普勒频移的被测物反射光与光学天线反射光的基座部分进行干涉并形成时域干涉条纹；
[0026]
步骤4、干涉条纹经过光电转换器转换为电信号并被数据采集处理模块采集；
[0027]
步骤5、数据采集处理模块对采集数据进行处理并获得反映多普勒频移的周期性信号，并且通过对周期性信号计数，获得多普勒频移的大小；
[0028]
步骤6、以被测物反射光到达的时间为横坐标，以多普勒频移的大小为纵坐标，并绘出距离-风速的分布曲线，实现风速的分布式测量。
[0029]
本发明的技术效果和优点：该基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计及分布测量方法：
[0030]
1、本发明通过采用发射脉冲光测量风速的方式，通过计算光脉冲的往返时间计算被测点的位置，这样可以有效地区分来自于不同位置的反射光；
[0031]
2、本发明通过采用带基座的光脉冲作为探测光，使带有基座的脉冲光在到达大气不同距离时将产生米氏散射并反射，可以获得反射脉冲的位置和风速的大小，从而实现分布式测量；
[0032]
3、通过斐索干涉原理的采用，可以利用带有基座的脉冲光在两射之间的干涉，使带有基座的脉冲光光路相同，干涉稳定，不需要采用其它的稳定措施；
[0033]
4、本发明通过旋转机构的采用，可以减少由于风速与入射光夹角引入的误差，使光学天线出射光方向与风速方向保持一致，并且为了实现旋转机构的稳定连接，在旋转机构中设置了光纤滑环，使旋转机构在旋转过程中仍然保持良好的光学连接。
附图说明
[0034]
图1为现有多普勒激光风速计的结构示意图；
[0035]
图2为本发明斐索干涉仪的原理图；
[0036]
图3为本发明关于窄线宽光源输出的脉冲形状结构示意图(t为时间轴，p为光功率轴)；
[0037]
图4为本发明一种干涉图样；
[0038]
图5为本发明的结构示意图；
[0039]
图6为本发明旋转机构的内部结构示意图。
[0040]
图中：1、旋转机构；2、光学天线管件；3、光学天线；4、仪表箱；5、环行器；6、第一光纤放大器；7、窄线宽光源；8、光纤滑环；9、第二光纤放大器；10、光电转换器；11、数据采集处理模块；12、上接头；13、下接头；14、旋转连接部；15、环形槽；16、钢珠。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0042]
本发明提供了如图1-6中所示的一种基于斐索干涉原理的分布式激光多普勒风速计，包括仪表箱4、旋转机构1及设置于旋转机构1的光学天线管件2，其中：
[0043]
旋转机构1带动光学天线管件2进行旋转，且光学天线管件2内置用于接收风速多普勒效应的光学天线3，光学天线3向大气发射周期性的带有基座的脉冲光，带有基座的脉冲光被不同层高或者不同距离的风反射形成多普勒频移。
[0044]
通过将天线管件设置在旋转机构1上，使旋转机构1驱动光学天线3在大角度范围内自由旋转，使光学天线3出射光方向与风速方向保持一致。
[0045]
仪表箱4内设置有环行器5、窄线宽光源7，第一光纤放大器6、第二光纤放大器9以及光电转换器10。
[0046]
环行器5第一端口通过第一光纤放大器6与窄线宽光源7连接，且窄线宽光源7产生带有基座的脉冲光，通过采用带有基座的脉冲光作为探测光，使探测光既不是等幅连续光、
也不是单一的脉冲光，带有基座的脉冲光在到达大气不同距离时将产生米氏散射，并且带有基座的脉冲光脉冲部分有较大的反射，而基座部分反射较小，所以可以看作单一脉冲返回，并且来自于不同位置的被测物反射光在到达光学天线3时，能和光学天线3反射光的基座部分进行干涉并形成时域干涉条纹，并且由于光学天线3反射光的基座部分很弱，且从大气反射回来的被测物反射光也很弱，使二者能够实现很好的干涉，这样，根据反射脉冲光与一次反射基座光的干涉信号随时间的变化，获得反射脉冲的位置和风速的大小，从而实现分布式测量。
[0047]
由于来自于大气不同位置的反射脉冲在时间上有一定的延迟，本发明通过采用发射带有基座的脉冲光测量风速的方式，通过计算光脉冲的往返时间计算被测点的位置，有效地区分来自于不同位置的反射光。
[0048]
环行器5第二端口通过光纤与旋转机构1内光纤滑环8的静止端连接，且光纤滑环8的滑动端与光学天线3连接，光纤滑环8是一个包括可旋转接头和静止接头的特殊结构光纤连接器，可确保旋转端接头转动时，光纤滑环8本体与静止端接头仍然保持良好的光学连接。
[0049]
环行器5第三端口通过第二光纤放大器9与光电转换器10连接，光电转换器10与数据采集处理模块11连接，且数据采集处理模块11包括离线处理模块和/或在线处理模块。
[0050]
具体的，光学天线3包括带有尾纤的自聚焦透镜及扩束透镜，自聚焦透镜具有部分反射并部分透射光的特性，用于向大气发射带有基座的脉冲光并接收来自于大气反射光，自聚焦透镜的尾纤可经过多模-单模光纤转换器(mm转换器)连接。
[0051]
具体的，窄线宽光源7为dfb分布反馈激光器，且通过改变对所述窄线宽光源7的直流工作点和调制电流的大小，获得带有基座的脉冲光，窄线宽光源7的调制电路可以由脉冲电路与直流电路合成。
[0052]
具体的，所述窄线宽光源7包括一个窄线宽激光器，所述窄线宽激光器后设置有光调制器，且通过改变所述光调制器的偏置电压及调制脉冲信号幅度，获得带有基座的脉冲光。
[0053]
具体的，第一光纤放大器6为高功率输出的线性光放大器，普通的光纤放大器是增益饱和型放大器，小信号放大倍数大，大信号放大倍数小，故带有基座的光脉冲经过这种放大器之后，其消光比会变小，第一光纤放大器6采用高功率输出的线性光放大器保证在放大带有基座的光脉冲过程中使基座的幅度与脉冲的幅度以相同的倍数放大，以保证消光比不变，
[0054]
具体的，第二光纤放大器9为低噪声线性前置放大器，且第二光纤放大器9对从风反射回的脉冲光与本地基座脉冲光的放大倍数相同，确保在放大过程中原有的信号与噪声在放大过程中比例保持不变，且引入的附加噪声小。
[0055]
具体的，所述数据采集处理模块11包括示波器及笔记本电脑或数采卡及微机。
[0056]
具体的，旋转机构1包括上接头12和下接头13，且光纤滑环8设置在上接头12和下接头13内，光纤滑环8静止端设置在下接上，且光纤滑环8的滑动端设置在上接头12内，上接头12和下接头13之间通过旋转连接部14进行转动连接，且旋转连接部14为子母卡扣结构，以卡扣的方式进行旋转连接，上接头12和下接头13之间并位于旋转连接部14的一侧设有对拼的环形槽15，且环形槽15内设有多个用于辅助转动的钢珠16。
[0057]
在本发明中，旋转机构1的旋转可人工进行或在自动化控制系统的控制下自动进行，当在自动化控制系统控制下自动进行时，旋转机构1还应包括驱动电机，驱动电机的输出端上可固定设有驱动齿轮，上接头12的周向上固定设有从动齿轮，从动齿轮与驱动齿轮相啮合，驱动电机可由自动化控制系统进行控制工作，通过人工或者自动化控制系统实现不同方位风速的检测，使用更加方便灵活。
[0058]
本发明还提供了一种基于斐索干涉原理的激光多普勒风速计的分布测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
[0059]
步骤1、通过光学天线3向大气发射周期性的带有基座的脉冲光；
[0060]
步骤2、带有基座的脉冲光被不同层高或不同距离的风反射并形成多普勒频移；
[0061]
步骤3、具有多普勒频移的被测物反射光与光学天线3反射光的基座部分进行干涉并形成时域干涉条纹，被测物反射光即为大气的米氏散射光、由于光学天线3具有部分反射并部分透射光的特性，光学天线3反射光即为光学天线3部分反射光；
[0062]
步骤4、干涉条纹经过光电转换器10转换为电信号并被数据采集处理模11块采集；
[0063]
步骤5、数据采集处理模块11内微机对采集数据进行求平均值、高频滤波以及去噪操作处理，获得反映多普勒频移的周期性信号，然后通过对周期性信号计数，获得多普勒频移的大小；
[0064]
步骤6、以被测物反射光到达的时间为横坐标，以多普勒频移的大小为纵坐标，并绘出距离-风速的分布曲线，实现风速的分布式测量。
[0065]
本发明的基于斐索干涉的激光多普勒风速计，结构简单，通过可旋转的光学天线3，可根据风向自动调整，测量不同方向上的风速，提高测量的准确性，减少因风向问题带来的测量误差。
[0066]
本发明通过采用带基座的光脉冲作为发射光，并与反射脉冲光干涉，形成随距离变化的时域干涉条纹，且本发明干涉稳定，可以提高测量稳定性，不仅可以测出风速的大小，而且也可以测定风速的位置，实现风速分布式的测量。
[0067]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。