一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达的制作方法

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达。

背景技术：

传统风场探测手段主要包括无线电/gps探空、机械测风、传感器测风和微波测风，但受技术体制制约，在探测精度、探测距离、时空分辨率和应用模式上与实际需求存在较大差距。激光测风技术具有时空分辨率高、测量精度高、探测距离远、数据获取率高、人工维护成本低、环境适应性强的优势。

根据探测方法的不同，测风激光雷达可以分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。相干探测主要利用气溶胶散射，因此多用于中低对流层的风场测量，具有不受白天背景光的影响、可全天时探测、测速的精度更高、对激光器能量的要求较低等优点，应用更为广泛。

传统的风场测量激光雷达都是采用直接探测或相干探测中的一种技术手段进行探测，这样虽然雷达系统组成较为简单，然而直接探测和相干探测手段由于探测体制不同，造成两种手段各有优势和劣势：直接探测在高于5km高度具有测风精度优势，而相干探测在低于5km高度具有测风优势。直接探测和相干探测分别在高空和低空测风处形成精度优势互补，既提高了矢量风场测量精度又增大了测量高度范围。

技术实现要素：

本发明是为了解决高低空远距离探测距离要求和探测精度的问题，提供一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，创新地将直接探测和相干探测体制复合在一起，通过共用望远镜系统减小了激光雷达的体积，直接探测和相干探测分别在高空和低空测风处形成精度优势互补，既提高了矢量风场测量精度又增大了测量高度范围，可完成0～60km全高度风场探测，填补了我国高低空远距离范围内风场测量方面的空白，满足了对对流层及平流层三维风场的高精度测量需求。

本发明提供一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，包括激光发射子系统，设置在激光发射子系统一侧的望远镜收发子系统，与望远镜收发子系统光连接的光学处理子系统，与激光发射子系统、光学处理子系统均电连接的综合控制与数据处理子系统；

激光发射子系统用于产生直接探测光源和相干探测光源并输出至望远镜收发子系统，望远镜收发子系统用于接收直接探测光源和相干探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统用于接收直接探测光源与大气相互作用产生的直接探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统，望远镜收发子系统用于接收相干探测光源与大气相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统，光学处理子系统用于接收直接探测回波信号并转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统，光学处理子系统用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与激光发射子系统输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统，综合控制与数据处理子系统用于接收直接探测电信号并转换为直接探测数字信号输出至数据处理中心，综合控制与数据处理子系统用于接收拍频电信号并转换为拍频数字信号输出至数据处理中心；

直接探测回波信号是直接探测光源进入大气中与高空大气分子、气溶胶散发生散射产生的带有风速多普勒频移的回波信号；相干探测回波信号是相干探测光源与大气气溶胶发生米散射产生的带有因风速引起的多普勒频移信息的回波信号。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，激光发射子系统包括用于产生直接探测光源的第一单频脉冲激光器和用于产生相干探测光源的第二单频脉冲激光器；

直接探测光源为355nm激光，相干探测光源为1.55μm激光。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，望远镜收发子系统包括用于将直接探测光源进行扩束并发送至大气的扩束镜、用于将相干探测光源发送至大气并接收直接探测回波信号和相干探测回波信号的望远镜、用于将直接探测回波信号分束的二向色片、用于将二向色片输出的直接探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统的第一光纤耦合器和用于将相干探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统的第二光纤耦合器；

第一单频脉冲激光器与扩束镜光连接，第二单频脉冲激光器与望远镜光连接。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，扩束镜为355nm扩束镜，望远镜为离轴双反式望远镜，二向色片为依次放置的两块二向色片，拍频电信号包含风速频移信息。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，光学处理子系统包括与第一光纤耦合器光连接的直接探测光学系统和与第二单频脉冲激光器光连接的相干探测光学系统，直接探测光学系统和相干探测光学系统均与综合控制与数据处理子系统电连接；

直接探测光学系统用于将第一光纤耦合器输出的直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统，相干探测光学系统用于将相干探测回波信号与激光发射子系统输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，直接探测光学系统包括电连接的用于偏振补偿过滤的鉴频器系统和用于将直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出的探测器；

鉴频器系统包括依次放置的偏振分光棱镜、1/4波片组合和fp标准具，fp标准具与综合控制与数据处理子系统电连接。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，相干探测光学系统包括电连接的第三光纤耦合器和平衡探测器，第二单频脉冲激光器包括环形器，环形器一端与第二光纤耦合器电连接、另一端与第三光纤耦合器电连接，平衡探测器与综合控制与数据处理子系统连接；

环形器用于在综合控制与数据处理子系统的控制下输出种子光至第三光纤耦合器，第三光纤耦合器用于接收相干探测回波信号和种子光后产生拍频光信号输出至平衡探测器，平衡探测器用于接收拍频光信号并去除直流部分后转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统，拍频电信号为中频拍频电信号。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，第三光纤耦合器为2×2光纤耦合器，fp标准具包括第一信号光通道和第二信号光通道，fp标准具用于将第一信号光通道反射的信号光投射到第二信号光通道。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，综合控制与数据处理子系统包括综合管理单元和信号采集与处理单元；

综合管理单元用于向激光发射子系统、光学处理子系统供电并控制开关机状态，综合管理单元用于获得系统状态数据并将传输给数据处理中心；

信号采集与处理单元用于接收直接探测电信号和拍频电信号并处理为带有风速频移信息的直接探测数字信号和拍频数字信号传输至数据处理中心。

本发明所述的一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，作为优选方式，复合探测激光测风雷达还包括与综合控制与数据处理子系统均电连接的转动伺服子系统、空调温控子系统、角度/位置传感子系统和设置在复合探测激光测风雷达四周的减震/稳定系统，转动伺服子系统与激光发射子系统连接；

转动伺服子系统用于控制激光发射子系统转动，空调温控子系统用于实时测量及调节激光测风雷达温度，角度/位置传感子系统用于监测激光测风雷达方位姿态和位置信息，减震/稳定系统用于对复合探测激光测风雷达进行减震；

综合控制与数据处理子系统用于向转动伺服子系统、空调温控子系统和角度/位置传感子系统供电并控制开关机状态；

综合控制与数据处理子系统通过以太网或者专用数据通信系统将直接探测数字信号、拍频数字信号和复合探测激光测风雷达的系统状态数据传输至数据处理中心，转动伺服子系统为转台系统，角度/位置传感子系统包括方位姿态控制系统和gps定位系统。

上述具备高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达中，转动伺服子系统为转台系统，主要控制雷达扫描方向。当转台系统控制雷达扫描方向为垂直方向时，雷达探测矢量风场数据为0～60km全高度风场数据；

上述具备高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达中，角度/位置传感子系统包括方位姿态控制系统、gps定位系统；

其中，方位姿态控制系统用于监测测风激光雷达系统的姿态，使激光雷达系统时刻保持平稳状态，以获取高精度风场数据；gps定位系统用于测风激光雷达系统定位。

上述高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达中，空调温控子系统为空调控温系统，主要用于调节测风激光雷达系统所处环境，使之处于工作范围内，可有效保证系统用第一单频脉冲激光器、第二单频脉冲激光器输出能量、波长等参数稳定。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，可完成0～60km全高度风场探测，填补了我国高低空远距离范围内风场测量方面的空白，满足了对对流层及平流层三维风场的高精度测量需求。

(2)传统的风场测量激光雷达都是采用直接探测或相干探测中的一种技术手段进行探测，这样虽然雷达系统组成较为简单，然而直接探测和相干探测手段由于探测体制不同，造成两种手段各种有优势和劣势：直接探测在高于5km高度具有测风精度优势，而相干探测在低于5km高度具有测风优势。为了能够满足激光多普勒测风雷达从近地面到60km高度范围内的矢量风场高精度测量，本发明创新地将直接探测和相干探测体制复合在一起，通过共用望远镜系统减小了激光雷达的体积，直接探测和相干探测分别在高空和低空测风处形成精度优势互补，既提高了矢量风场测量精度又增大了测量高度范围。

附图说明

图1为一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达实施例1框图；

图2为一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达实施例2-3框图。

附图标记：

1、激光发射子系统；11、第一单频脉冲激光器；12、第二单频脉冲激光器；2、望远镜收发子系统；21、扩束镜；22、望远镜；23、二向色片；24、第一光纤耦合器；25、第二光纤耦合器；3、光学处理子系统；31、直接探测光学系统；32、相干探测光学系统；4、综合控制与数据处理子系统；41、综合管理单元；42、信号采集与处理单元；5、转动伺服子系统；6、空调温控子系统；7、角度/位置传感子系统；8、减震/稳定模块。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，其特征在于：包括激光发射子系统1，设置在激光发射子系统1一侧的望远镜收发子系统2，与望远镜收发子系统2光连接的光学处理子系统3，与激光发射子系统1、光学处理子系统3均电连接的综合控制与数据处理子系统4；

激光发射子系统1用于产生直接探测光源和相干探测光源并输出至望远镜收发子系统2，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源和相干探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源与大气相互作用产生的直接探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，望远镜收发子系统2用于接收相干探测光源与大气相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，光学处理子系统3用于接收直接探测回波信号并转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，光学处理子系统3用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与激光发射子系统1输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，综合控制与数据处理子系统4用于接收直接探测电信号并转换为直接探测数字信号输出至数据处理中心，综合控制与数据处理子系统4用于接收拍频电信号并转换为拍频数字信号输出至数据处理中心；

直接探测回波信号是直接探测光源进入大气中与高空大气分子、气溶胶散发生散射产生的带有风速多普勒频移的回波信号；相干探测回波信号是相干探测光源与大气气溶胶发生米散射产生的带有因风速引起的多普勒频移信息的回波信号。

实施例2

如图2所示，一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，其特征在于：包括激光发射子系统1，设置在激光发射子系统1一侧的望远镜收发子系统2，与望远镜收发子系统2光连接的光学处理子系统3，与激光发射子系统1、光学处理子系统3均电连接的综合控制与数据处理子系统4；

激光发射子系统1用于产生直接探测光源和相干探测光源并输出至望远镜收发子系统2，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源和相干探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源与大气相互作用产生的直接探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，望远镜收发子系统2用于接收相干探测光源与大气相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，光学处理子系统3用于接收直接探测回波信号并转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，光学处理子系统3用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与激光发射子系统1输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，综合控制与数据处理子系统4用于接收直接探测电信号并转换为直接探测数字信号输出至数据处理中心，综合控制与数据处理子系统4用于接收拍频电信号并转换为拍频数字信号输出至数据处理中心；

直接探测回波信号是直接探测光源进入大气中与高空大气分子、气溶胶散发生散射产生的带有风速多普勒频移的回波信号；相干探测回波信号是相干探测光源与大气气溶胶发生米散射产生的带有因风速引起的多普勒频移信息的回波信号；

激光发射子系统1包括用于产生直接探测光源的第一单频脉冲激光器11和用于产生相干探测光源的第二单频脉冲激光器12；

望远镜收发子系统2包括用于将直接探测光源进行扩束并发送至大气的扩束镜21、用于将相干探测光源发送至大气并接收直接探测回波信号和相干探测回波信号的望远镜22、用于将直接探测回波信号分束的二向色片23、用于将二向色片23输出的直接探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统3的第一光纤耦合器24和用于将相干探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统3的第二光纤耦合器25；

第一单频脉冲激光器11与扩束镜21光连接，第二单频脉冲激光器12与望远镜22光连接；

光学处理子系统3包括与第一光纤耦合器24光连接的直接探测光学系统31和与第二单频脉冲激光器12光连接的相干探测光学系统32，直接探测光学系统31和相干探测光学系统32均与综合控制与数据处理子系统4电连接；

直接探测光学系统31用于将第一光纤耦合器24输出的直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，相干探测光学系统32用于将相干探测回波信号与激光发射子系统1输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4；

直接探测光学系统31包括电连接的用于偏振补偿过滤的鉴频器系统和用于将直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出的探测器；

鉴频器系统包括依次放置的偏振分光棱镜、1/4波片组合和fp标准具，fp标准具与综合控制与数据处理子系统4电连接；

相干探测光学系统32包括电连接的第三光纤耦合器321和平衡探测器322，第二单频脉冲激光器12包括环形器，环形器一端与第二光纤耦合器25电连接、另一端与第三光纤耦合器321电连接，平衡探测器322与综合控制与数据处理子系统4连接；

环形器用于在综合控制与数据处理子系统4的控制下输出种子光至第三光纤耦合器321，第三光纤耦合器321用于接收相干探测回波信号和种子光后产生拍频光信号输出至平衡探测器322，平衡探测器322用于接收拍频光信号并去除直流部分后转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，拍频电信号为中频拍频电信号；

综合控制与数据处理子系统4包括综合管理单元41和信号采集与处理单元42；

综合管理单元41用于向激光发射子系统1、光学处理子系统3供电并控制开关机状态，综合管理单元41用于获得系统状态数据并将传输给数据处理中心；

信号采集与处理单元42用于接收直接探测电信号和拍频电信号并处理为带有风速频移信息的直接探测数字信号和拍频数字信号传输至数据处理中心；

复合探测激光测风雷达还包括与综合控制与数据处理子系统4均电连接的转动伺服子系统5、空调温控子系统6、角度/位置传感子系统7和设置在复合探测激光测风雷达四周的减震/稳定系统8，转动伺服子系统5与激光发射子系统1连接；

转动伺服子系统5用于控制激光发射子系统1转动，空调温控子系统6用于实时测量及调节激光测风雷达温度，角度/位置传感子系统7用于监测激光测风雷达方位姿态和位置信息，减震/稳定系统8用于对复合探测激光测风雷达进行减震；

综合控制与数据处理子系统4用于向转动伺服子系统5、空调温控子系统6和角度/位置传感子系统7供电并控制开关机状态。

实施例3

如图2所示，一种高低空远距离探测能力的复合探测激光测风雷达，其特征在于：包括激光发射子系统1，设置在激光发射子系统1一侧的望远镜收发子系统2，与望远镜收发子系统2光连接的光学处理子系统3，与激光发射子系统1、光学处理子系统3均电连接的综合控制与数据处理子系统4；

激光发射子系统1用于产生直接探测光源和相干探测光源并输出至望远镜收发子系统2，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源和相干探测光源并发送至大气，望远镜收发子系统2用于接收直接探测光源与大气相互作用产生的直接探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，望远镜收发子系统2用于接收相干探测光源与大气相互作用产生的相干探测回波信号并耦合进光纤输出至光学处理子系统3，光学处理子系统3用于接收直接探测回波信号并转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，光学处理子系统3用于接收相干探测回波信号并将相干探测回波信号与激光发射子系统1输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，综合控制与数据处理子系统4用于接收直接探测电信号并转换为直接探测数字信号输出至数据处理中心，综合控制与数据处理子系统4用于接收拍频电信号并转换为拍频数字信号输出至数据处理中心；

直接探测回波信号是直接探测光源进入大气中与高空大气分子、气溶胶散发生散射产生的带有风速多普勒频移的回波信号；相干探测回波信号是相干探测光源与大气气溶胶发生米散射产生的带有因风速引起的多普勒频移信息的回波信号；

激光发射子系统1包括用于产生直接探测光源的第一单频脉冲激光器11和用于产生相干探测光源的第二单频脉冲激光器12；

直接探测光源为355nm激光，相干探测光源为1.55μm激光；

望远镜收发子系统2包括用于将直接探测光源进行扩束并发送至大气的扩束镜21、用于将相干探测光源发送至大气并接收直接探测回波信号和相干探测回波信号的望远镜22、用于将直接探测回波信号分束的二向色片23、用于将二向色片23输出的直接探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统3的第一光纤耦合器24和用于将相干探测回波信号耦合进光纤输出至光学处理子系统3的第二光纤耦合器25；

第一单频脉冲激光器11与扩束镜21光连接，第二单频脉冲激光器12与望远镜22光连接；

扩束镜21为355nm扩束镜，望远镜22为离轴双反式望远镜，二向色片23为依次放置的两块二向色片，拍频电信号包含风速频移信息；

光学处理子系统3包括与第一光纤耦合器24光连接的直接探测光学系统31和与第二单频脉冲激光器12光连接的相干探测光学系统32，直接探测光学系统31和相干探测光学系统32均与综合控制与数据处理子系统4电连接；

直接探测光学系统31用于将第一光纤耦合器24输出的直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，相干探测光学系统32用于将相干探测回波信号与激光发射子系统1输出的种子光进行相干拍频转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4；

直接探测光学系统31包括电连接的用于偏振补偿过滤的鉴频器系统和用于将直接探测回波信号转换为直接探测电信号输出的探测器；

鉴频器系统包括依次放置的偏振分光棱镜、1/4波片组合和fp标准具，fp标准具与综合控制与数据处理子系统4电连接；

相干探测光学系统32包括电连接的第三光纤耦合器321和平衡探测器322，第二单频脉冲激光器12包括环形器，环形器一端与第二光纤耦合器25电连接、另一端与第三光纤耦合器321电连接，平衡探测器322与综合控制与数据处理子系统4连接；

环形器用于在综合控制与数据处理子系统4的控制下输出种子光至第三光纤耦合器321，第三光纤耦合器321用于接收相干探测回波信号和种子光后产生拍频光信号输出至平衡探测器322，平衡探测器322用于接收拍频光信号并去除直流部分后转换为拍频电信号输出至综合控制与数据处理子系统4，拍频电信号为中频拍频电信号；

第三光纤耦合器321为2×2光纤耦合器，fp标准具包括第一信号光通道和第二信号光通道，fp标准具用于将第一信号光通道反射的信号光投射到第二信号光通道；

综合控制与数据处理子系统4包括综合管理单元41和信号采集与处理单元42；

综合管理单元41用于向激光发射子系统1、光学处理子系统3供电并控制开关机状态，综合管理单元41用于获得系统状态数据并将传输给数据处理中心；

信号采集与处理单元42用于接收直接探测电信号和拍频电信号并处理为带有风速频移信息的直接探测数字信号和拍频数字信号传输至数据处理中心；

复合探测激光测风雷达还包括与综合控制与数据处理子系统4均电连接的转动伺服子系统5、空调温控子系统6、角度/位置传感子系统7和设置在复合探测激光测风雷达四周的减震/稳定系统8，转动伺服子系统5与激光发射子系统1连接；

转动伺服子系统5用于控制激光发射子系统1转动，空调温控子系统6用于实时测量及调节激光测风雷达温度，角度/位置传感子系统7用于监测激光测风雷达方位姿态和位置信息，减震/稳定系统8用于对复合探测激光测风雷达进行减震；

综合控制与数据处理子系统4用于向转动伺服子系统5、空调温控子系统6和角度/位置传感子系统7供电并控制开关机状态；

综合控制与数据处理子系统4通过以太网或者专用数据通信系统将直接探测数字信号、拍频数字信号和复合探测激光测风雷达的系统状态数据传输至数据处理中心，转动伺服子系统5为转台系统，角度/位置传感子系统7包括方位姿态控制系统和gps定位系统。

转动伺服子系统5为转台系统，主要控制雷达扫描方向。当转台系统控制雷达扫描方向为垂直方向时，雷达探测矢量风场数据为0～60km全高度风场数据；

空调温控子系统6为空调控温系统，主要用于调节测风激光雷达系统所处环境，使之处于工作范围内，可有效保证系统用第一单频脉冲激光器，第二单频脉冲激光器输出能量、波长等参数稳定；

角度/位置传感子系统7包括方位姿态控制系统、gps定位系统；

其中，方位姿态控制系统用于监测测风激光雷达系统的姿态，使激光雷达系统时刻保持平稳状态，以获取高精度风场数据；gps定位系统用于测风激光雷达系统定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。