一种瑞利多普勒测温测风激光雷达

本发明涉及激光雷达领域，更具体地，涉及一种瑞利多普勒测温测风激光雷达。

背景技术：

1、临近空间（20-100km）环境的探测对于地球大气环境变化、人类航空航天活动、空间飞行器的设计和飞行控制，都有着非常重要的意义，近些年来，临近空间风场、密度和温度的探测越来越受到各大国的高度重视。目前，对于平流层-中间层区域（30-70km）的温度、密度探测常用瑞利激光雷达进行。然而，现有的瑞利激光雷达反演大气密度和温度需要有密度参考点和温度参考点。在进行风速反演过程中，温度的反演误差也会引起风速的测量误差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，包括：

2、激光发射机，包括：

3、种子光生成装置，用于在控制电压信号的控制下生成第一种子光和第二种子光，其中，上述第一种子光和第二种子光均包括时序上三种不同频率的子种子光；

4、脉冲激光器，在上述第一种子光注入上述脉冲激光器的情况下，输出第一脉冲激光，其中，上述第一脉冲激光包括三种不同频率的子脉冲激光；

5、激光发射耦合单元，用于根据上述第一脉冲激光，生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，其中，上述发射激光与上述大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；

6、频率校准装置，用于根据上述第二种子光和上述第二脉冲激光，输出上述控制电压信号和电压电平信号，其中，上述控制电压信号用于锁定上述种子光的激光频率；

7、激光接收机，用于接收上述后向散射回波信号，并根据上述后向散射回波信号和上述电压电平信号同时对上述大气环境中的风速和温度进行测量。

8、根据本发明的实施例，上述种子光生成装置包括：

9、种子光激光器，用于在上述控制电压信号的控制下输出窄带线宽的连续激光；

10、光纤分束器，用于将上述连续激光分为第一激光和第二激光，其中，上述第一激光的功率大于上述第二激光的功率，上述第二激光表征上述第二种子光；

11、光纤声光移频器，用于根据上述第一激光，生成上述第一种子光。

12、根据本发明的实施例，上述激光发射耦合单元包括：

13、扩束镜，用于对上述第一脉冲激光的光斑和发散角进行调整，得到第三激光；

14、第一分光片，用于将上述第三激光分为上述发射激光和上述第二脉冲激光。

15、根据本发明的实施例，上述激光发射耦合单元还包括：

16、发射天线，用于将上述发射激光发射至上述大气环境中。

17、根据本发明的实施例，上述频率校准装置包括：

18、倍频器，用于对上述第二种子光进行倍频处理，得到种子倍频光；

19、频率校准器，用于根据上述第二脉冲激光和上述种子倍频光，生成第一电信号和第二电信号；

20、反馈电路，用于根据上述第一电信号生成上述控制电压信号；

21、积分器，用于根据上述第二电信号生成上述电压电平信号。

22、根据本发明的实施例，上述频率校准器包括：

23、第一碘分子池，用于：

24、利用碘分子的吸收光谱处理上述种子倍频光，得到处理后的种子倍频光；

25、利用碘分子的吸收光谱处理上述第二脉冲激光，得到处理后的第二脉冲激光；

26、第一光电二极管，用于对上述处理后的种子倍频光进行放大和光电转换处理，得到上述第一电信号；

27、第二光电二极管，用于对上述处理后的第二脉冲激光进行光电转换处理，得到上述第二电信号；

28、其中，上述电压电平信号用于锁定上述种子光频率和监测上述第一脉冲激光和上述第一种子光之间的频率差异，以修正探测误差。

29、根据本发明的实施例，上述激光接收机包括：

30、望远镜，用于接收上述大气环境返回的上述后向散射回波信号；

31、信号处理装置，用于根据上述后向散射回波信号，生成准平行光束；

32、碘分子处理装置，用于根据上述准平行光束，生成参考信号和目标信号；

33、计算处理器，用于根据上述参考信号、上述目标信号和上述电压电平信号同时对上述大气环境中的风速和温度进行测量。

34、根据本发明的实施例，上述信号处理装置包括：

35、斩光盘，用于在电机的驱动下，对上述散射回波信号中的近场强回波信号进行抑制，得到同步主信号；

36、准直透镜，用于将上述同步主信号准直为上述准平行光束。

37、根据本发明的实施例，上述信号处理装置还包括：

38、滤光片，用于对上述准平行光束中的背景光信号进行过滤处理，得到过滤后的准平行光束，以利用上述碘分子处理装置处理上述过滤后的准平行光束。

39、根据本发明的实施例，上述碘分子处理装置包括：

40、第二分光片，用于将上述准平行光束分为第一光信号和第二光信号；

41、第一光电倍增管，用于对上述第一光信号进行光电转换处理，得到第一电脉冲信号，其中，上述第一电脉冲信号表征上述参考信号；

42、第二碘分子池，用于对上述第二光信号进行吸收处理，得到目标回波信号；

43、第二光电倍增管，用于对上述目标回波信号进行光电转换处理，得到上述目标信号。

44、根据本发明的实施例，通过利用种子光生成装置生成包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光和第二种子光，利用脉冲激光器在分时注入第一种子光的情况下生成包括三种不同频率的子脉冲激光的第一脉冲激光，将其输入激光发射耦合单元以生成向大气环境发射的发射激光和第二脉冲激光，同时频率校准装置基于第二种子光和第二脉冲激光，输出控制电压信号和电压电平信号，实现对种子光生成装置的控制，从而使得激光接收机从大气环境中接收的后向散射回波信号和电压电平信号同时对大气环境中的风速和温度进行测量。由于本发明的瑞利多普勒测温测风激光雷达不再依赖于密度参考点和温度参考点，而是采用包括时序上三种不同频率的子种子光的第一种子光作为系统光源实现温度和风速的绝对测量，避免了依赖温度参考点和密度参考点引起的温度测量误差以及温度误差引起的单频激光测风误差，从而大幅提升了瑞利多普勒测温测风激光雷达在温度和风速测量时的准确度和灵敏度。

45、通过采用分时序列发射532nm及其附近多个频率激光，分别对应接收回波信号强度，将风速引起的多普勒展宽和频移信息直接转化为多个频率的信号强度，根据回波信号强度反演出温度和信息。由于本发明在技术上可实现平流层-中间层区域（30-70km）温度的绝对测量，不再依赖于密度参考点和温度参考点；采用三频激光作为系统光源，同时实现温度的绝对测量，并在风速计算过程中同时考虑温度对谱线的影响，大幅提升了瑞利多普勒激光雷达测风和测温的准确度和灵敏度。因此，可以解决温度参考点和密度参考点引起的温度测量误差，以及温度误差引起的单频激光测风误差。

技术特征：

1.一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述种子光生成装置包括：

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射耦合单元包括：

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射耦合单元还包括：

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述频率校准装置包括：

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述频率校准器包括：

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收机包括：

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置包括：

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置还包括：

10.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述碘分子处理装置包括：

技术总结
本发明提供了一种瑞利多普勒测温测风激光雷达，包括：激光发射机，包括：种子光生成装置，在控制电压信号的控制下生成三种不同频率的第一种子光和第二种子光；脉冲激光器，在三种不同频率的第一种子光注入脉冲激光器的情况下，输出三种不同频率的第一脉冲激光；激光发射耦合单元，根据三种不同频率的第一脉冲激光，生成发射激光和第二脉冲激光，发射激光与大气环境中的分子发生相互作用，生成后向散射回波信号；频率校准装置，根据第二种子光和第二脉冲激光，输出用于锁定种子光的激光频率的控制电压信号和电压电平信号；激光接收机，接收后向散射回波信号并根据后向散射回波信号和电压电平信号对大气环境中的风速和/或温度进行测量。

技术研发人员：方欣,李陶,孙磊磊
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15