基于不对称m-z干涉仪的全光纤测风激光雷达装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直接探测多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于不对称 M-Z干涉仪的全光纤测风激光雷达装置及方法。
【背景技术】
[0002] 测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、风暴预报的准确性、改进气候研究 模型、提高军事环境预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际 民航机构、世界气象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探 测系统的研究与开发。
[0003] 多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测（又称外差探测）和直 接探测（又称非相干探测）。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光的相干（拍频） 的方式实现大气风场测量。直接探测则利用鉴频器将接收回波信号的频移变化转化为能量 的相对变化，从而实现大气风场探测。直接探测又可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采 用Fabry-Perot干涉仪或Fizeau干涉仪产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气散射 信号的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测 量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用碘吸收线、Michelson 干涉仪、光栅、棱镜、M-Z(Mach-Zehnder)干涉仪等高分辨鉴频率器。
[0004] 采用边缘技术的测风激光雷达中，Fabry-Perot干涉仪的使用比较广泛。然而， Fabry-Perot干涉仪与M-Z干涉仪的比较来看，基于M-Z干涉仪的系统具有透过率高、动态 范围大等优点。因此，基于M-Z干涉仪的测风激光雷达可获得较高的信噪比和较大的风速 测量范围。但传统的空间光学式M-Z干涉仪由于受振动影响大、结构不紧凑、光路调节复杂 等缺点，限制了其应用和发展，特别是在机载、星载、舰载平台的应用。
[0005] 随着光纤传感的发展，光纤M-Z干涉仪的应用越来越广泛。光纤M-Z干涉仪克服 了空间光学式M-Z干涉仪的受振动影响大、结构不紧凑、光路调节复杂等缺点。然而，一般 采用的基于对称M-Z干涉仪的测风激光雷达中，需要将激光锁定在M-Z干涉仪的半腰处，因 此，其对激光器和M-Z干涉仪的稳定性要求苛刻。并且，由于其测量需限制在半腰处，为了 增加频移测量的动态范围，需增加M-Z干涉仪的自由谱间距，由此导致了测量灵敏度的下 降。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于不对称M-Z干涉仪的全光纤直接测风激光雷达装 置及方法，其具有结构紧凑、抗干扰能力强、能量利用率高、无需锁定M-Z干涉仪和出射激 光频率的相对位置、对激光能量起伏不敏感、风速测量动态范围大等优点。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种基于不对称M-Z干涉仪的全光纤测风激光雷达装置，包括：连续光纤激光器 1)、光纤隔离器2)、强度调制器E0M3、任意函数发生器4、光纤放大器EDFA5、光纤环形器6、 延时光纤7、光学收发和扫描系统8、光纤布拉格光栅9、2X2光纤耦合器10、光纤M-Z干涉 仪11、3X3光纤耦合器14、第一探测器16、第二探测器17、第三探测器18、采集卡19与计 算机20 ;其中：
[0009] 连续光纤激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出 端与E0M3的输入端连接，E0M3的输出端与EDFA5的输入端连接，任意函数发生器4的输 出端与E0M3的控制端连接；
[0010] EDFA5的输出端与光纤环形器6输入端A连接，光纤环形器6端口B与延时光纤7 的输入端连接，延时光纤7的输出端与光学收发和扫描系统8的输入端连接，光纤环形器6 端口C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，光纤环形器6端口D与2X2光纤親合器10的 其中一个输入端连接；
[0011] 2X2光纤耦合器10输出端分别与光纤M-Z干涉仪11的两个臂连接，光纤M-Z干 涉仪11的两个输出端与3X3光纤耦合器14其中两个输入端连接；
[0012] 3X3光纤耦合器14的三个输出端分别与第一探测器16、第二探测器17和第三探 测器18的输入端连接，第一探测器16、第二探测器17和第三探测器18的输出端均与采集 卡19的输入端连接，采集卡19的输出端与计算机20连接。
[0013] 进一步的，该装置还包括：压电陶瓷12与压电陶瓷驱动器13 ;其中，光纤M-Z干涉 仪11其中一臂的一段光纤缠绕在压电陶瓷12中，通过调节压电陶瓷驱动器13输入到压电 陶瓷12的驱动电压，实现了光纤M-Z干涉仪的自校准。
[0014] 进一步的，该装置还包括：恒温箱15 ;
[0015] 所述2X2光纤耦合器10、光纤M-Z干涉仪11、压电陶瓷12和3X3光纤耦合器14 置于恒温箱15中，所述恒温箱15的精度为〇.oorc。
[0016] -种基于不对称M-Z干涉仪的全光纤测风激光雷达测风方法，该方法基于前述的 装置实现，其包括：
[0017] 连续光纤激光器1输出的连续光信号经过光纤隔离器2输入至强度调制器E0M3 ; 所述E0M3根据任意函数发生器4的控制信号，调节脉冲光信号的形状和脉冲重复频率；
[0018] 调节后的脉冲光信号通过光纤放大器EDFA5输入至光纤环形器6 ;光纤环形器6 通过延时光纤7将脉冲光信号输入至光学收发和扫描系统8,由光学收发和扫描系统8将脉 冲光信号向外发射，并接收后向散射光信号；后向散射光信号经光纤布拉格光栅9滤除噪 声；通过采用时分复用方法，采集延时光纤7散射的后向散射光用于标定激光出射频率；
[0019] 所述光纤环形器6将后向散射光信号输入至不对称光纤M-Z干涉仪中进行处理； 该不对称光纤M-Z干涉仪包括：2X2光纤耦合器、光纤M-Z干涉仪11与和3X3光纤耦合 器，其中，2X2光纤耦合器10输出端分别与光纤M-Z干涉仪11的两个臂连接，光纤M-Z干 涉仪11的两个输出端分别与3X3光纤耦合器14其中两个输入端连接；
[0020] 所述不对称光纤M-Z干涉仪将处理后的后向散射光信号分别输入至第一探测器 16、第二探测器17、第三探测器18进行探测，探测结果被采集卡19收集后输入至计算机。
[0021] 进一步的，所述光纤M-Z干涉仪11其中一臂的一段光纤缠绕在压电陶瓷12中，通 过调节压电陶瓷驱动器13输入到压电陶瓷12的驱动电压，实现了光纤M-Z干涉仪的自校 准。
[0022] 进一步的，所述2X2光纤耦合器10、光纤M-Z干涉仪11、压电陶瓷12和3X3光 纤耦合器14置于恒温箱15中，所述恒温箱15的精度为0.oorc。
[0023] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案采用2X2光纤耦合器和3X3光 纤耦合器形成的不对称光纤M-Z干涉仪作为测风激光雷达的鉴频器。一方面，相比于采用 Fabry-Perot干涉仪的测风激光雷达，该方案具有透过率高、可探测的风速动态范围大等优 点。相比于采用传统的空间光学式M-Z干涉仪的测风激光雷达，该方案具有抗干扰能力强、 结构紧凑、系统稳定，调光方便等优点。相比于基于2X2光纤耦合器的对称M-Z干涉仪的 测风激光雷达，该方案无需锁定M-Z干涉仪和出射激光频率的相对位置，具有对激光能量 起伏不敏感、风速测量动态范围大等优点。另一方面，基于不对称光纤M-Z干涉仪的直接探 测测风激光雷达中，多普勒频移信息通过微分交叉相乘的解调方法提取，该解调方法对激 光能量的起伏不敏感。
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0025] 图1为本发明实施例一提供的基于不对称M-Z干涉仪的全光纤测风激光雷达的结 构