一种基于单频连续光eom调制的双频相干测风激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达测风领域，尤其涉及一种基于激光调制的双频连续光相干测 风激光雷达。
【背景技术】
[0002] 激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测 等优点，已广泛应用于测风、测距、成像、污染物监测、测风、测温等领域。在传统的相干测风 激光雷达中，单频激光一分为二，一路发射到探测目标，另外一路作为本振光，通过目标物 后向散射信号与本振光拍频实现目标物的速度探测。理想情况下，当目标物的速度一定时， 获得的光谱为窄线宽，速度信息则从多普勒频移中提取。但在实际情况中，由于目标物表面 不平整、大气湍流引起的散斑噪声和激光的相干性引起的相位噪声将引起多普勒频移谱线 的展宽，从而导致测量的速度精度降低、探测距离减小。而传统的微波雷达中，因微波波长 与激光相比较长，受大气湍流影响较小，但是空间分辨率也因此低于激光雷达。
[0003] 为了减小散斑噪声的影响，提高探测精度，基于双频激光的相干测风激光雷达被 提出，它集成了相干激光雷达和传统微波雷达的优点，在一个激光雷达系统中采用双频激 光束作为载波，将频差控制在微波范围内，使系统具有空间分辨率高，抗大气湍流能力强， 信号处理技术发达等优点。双频激光雷达发射的激光包含两个频率，探测到的目标物后向 散射信号的两个光频率都有多普勒频移，导致拍频频移，根据公式Af = V · f/2c(式中Af 为多普勒频移，V为探测目标速度，f为入射光频率，c为光速），当目标物的速度V-定时，多 普勒频移△ f与出射频率f成正比，速度信息则通过检测双频激光多普勒频移的差值获得。 因此，双频相干测风激光雷达探测目标为双频激光的多普勒频率差，即微波信号。多普勒测 量仅取决于光频差，而不是光频本身，因此可精确测风的目标距离取决于微波稳定性，而不 是光频稳定性，任何光学噪声(如光放大器的ASE噪声、沿光束路径的衰减和散射过程)若只 改变激光谱线宽度而不改变微波谱线宽度，就不会影响系统性能。微波波长远大于激光，抑 制了散斑噪声造成的多普勒频移谱线展宽，这大大降低了大气湍流和目标物表面不平整引 起的散斑噪声对速度探测的影响，并将激光雷达的相干信号处理环节从光路部分转移到技 术发展成熟的电路部分，同时保留激光雷达高空间分辨率的优点，从而扬长避短，很大程度 上提升雷达系统的整体性能，缩短研发周期。
[0004] 双频相干测风激光雷达中，检测的为双频激光的频率差，一般为几十GHz，假设频 率间距为40GHz，则lm/s的风速引起的频差为267Hz。因此，该类型激光雷达对两个激光频率 间距的稳定性要求苛刻，激光相干性引起的相位噪声会导致多普勒频移谱线展宽，限制了 其发展。微波拍频信号的相干性和稳定性可以通过锁相来增强，然而将两束激光锁相是困 难的。
[0005] 目前，双频相干激光雷达采用的激光器有锁模激光器和种子注入半导体激光器。 为了获得双频率激光输出，锁模激光器需配备波长选择开关或者Fabry-Perot干涉仪，而种 子注入半导体激光器需配备主激光器和从激光器使用，因此，基于该两种激光器的激光雷 达系统的光路复杂、成本高昂。此外，双频激光源还可由重叠两个频差已知的激光束或基于 激光腔外调制得到，前者显然不能改善激光相干性低的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于单频连续光Ε0Μ调制的双频相干测风激光雷达，具 有精度高、稳定性好、且造价相对较低等优点。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种基于单频连续光Ε0Μ调制的双频相干测风激光雷达，包括：
[0009] 连续光激光器1、电光调制器E0M2、信号发生器3、第一滤波器4、激光放大器5、第二 滤波器6、分束器7、环形器8、光学收发装置9、连续可调衰减器11、分束器12、平衡探测器13、 A/D采集卡14、DSP数据处理系统15与计算机16,各个器件的连接关系如下：
[0010] 连续光激光器1的输出端与E0M2的输入端连接，E0M2输出端与第一滤波器4的输入 端连接，信号发生器3的控制信号输入端与E0M2的控制信号输出端连接，第一滤波器4的输 出端与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与第二滤波器6的输入端连接，第 二滤波器6的输出端与分束器7的输入端连接；
[0011 ]所述分束器7用于将双频激光分成两分，其中输出端A输出为信号光，输出端B输出 的为本振光;分束器7的输出端A与环形器8的A端口连接，分束器7的输出端B与连续可调衰 减器11的输入端连接，
[0012] 环形器8的C端与分束器12的A端口连接;环形器8的B端口与光学收发装置9连接， 光学收发装置9出射的光束照射在探测目标物10上，探测目标物10后向散射回的信号经光 学收发装置9收集，再先后经环形器8的B端和C端，传输至分束器12;
[0013] 连续可调衰减器11的输出端与分束器12的B端口连接，本振光与后向散射回的信 号通过分束器12混合后接入平衡探测器13,平衡探测器13的输出端与A/D采集卡14的输入 端连接，A/D采集卡14的输出端与DSP数据处理系统15的输入端连接，DSP数据处理系统15的 输出端与计算机16连接。
[0014] 进一步的，若所述探测目标物10为大气气溶胶，则该激光雷达用于探测大气风速。
[0015] 进一步的，所述E0M2用于产生边频，其包括:振幅调制器、相位调制器和频率调制 器。
[0016] 进一步的，所述第一滤波器4包括:光纤布拉格光栅、Fabry-Perot干涉仪、M-Z干涉 仪、原子与分子吸收腔、Sagnac环和多层介质膜干涉滤光片。
[0017] 进一步的，所述信号发生器3用于提供E0M2的调制信号，其中信号发生器3输出的 调制信号频率决定了双频间距的大小。
[0018] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，其不仅可测量硬目标的移动速度，而且 可以测量大气风速。本发明通过连续光调制的方法产生双频激光，通过微波的方式提取多 普勒频移信息，通过DSP数据处理，实现了探测目标速度实时显示，双频探测方式降低了探 测目标不平整和大气湍流引起的散斑噪声，具有探测精度高、抗电磁干扰、结构紧凑等优 点。
【附图说明】
[0019] 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。
[0020] 图1为本发明实施例提供的一种基于单频连续光Ε0Μ调制的双频相干测风激光雷 达的结构示意图；
[0021 ]图2为本发明实施例提供的双波长激光器的原理图。
【具体实施方式】
[0022] 下面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。基于本 发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
[0023] 本发明实施例提供的一种基于单频连续光Ε0Μ调制的双频相干测风激光雷达。如 图1所示，其主要包括：
[0024] 连续光激光器1、电光调制器(E0M)2、信号发生器3、第一滤波器4、激光放大器5、第 二滤波器6、分束器7、环形器8、光学收发装置9、连续可调衰减器ll、3dB分束器12、平衡探测 器13、A/D采集卡14、DSP数据处理系统15与计算机16,各个器件的连接关系如下：
[0025] 连续光激光器1的输出端与Ε0Μ 2的输入端连接，Ε0Μ 2输出端与第一滤波器4的输 入端连接，信号发生器(3的控制信号输入端与Ε0Μ 2的控制信号输出端连接，第一滤波器4 的输出端与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与第二滤波器6的输入端连 接，第二滤波器6的输出端与分束器7的输入端连接；
[0026] 所述分束器7用于将双频激光分成两分，其中输出端A输出为信号光，输出端B输出 的为本振光;分束器7的输出端A与环形器8的A端口连接，分束器7的输出端B与连续可调衰 减器11的输入端连接，
[0027] 环形器8的C端与分束器12的A端口连接;环形器8的B端口与光学收发装置9连接， 光学收发装置9出射的光束照射在探测目标物10上，探测目标物10后向散射回的信号经光 学收发装置9收集，再先后经环形器8的B端和C端，传输至分束器12;
[0028] 连续可调衰减器11的输出端与分束器12的B端口连接，本振光与后向散射回的信 号通过分束器12混合后接入平衡探测器13,平衡探测器13的输出端与A/D采集卡14的输入 端连接，A/D采集卡14的输出端与DSP数据处理系统15的输入端连接，DSP数据处理系统15的 输出端与计算机16连接。
[0029] 本发明实施例中，所述连续光激光器1用于输出双波长激光。
[0030] 本发明实施例中，若所述探测目标物10为大气气溶胶，则该激光雷达用于探测大 气风速。
[0031] 本发明实施例中，所述信号发生器3用于提供Ε0Μ 2的调制信号，其中信号发生器3 输出的调制信号频率决定了双频间距的大小。
[0032] 所述第二滤波器6用于滤除激光放大器5所产生的ASE噪声。
[0033] 所述的光学收发装置9可为焦距可调望远镜，通过调焦可实现不同距离处的风速 探测。
[0034] 本发明实施例中，所述EOM 2用于产生边频，其包括但不限于:振幅调制器、相位调 制器和频率调制器。
[0035] 本发明实施例中，所述第一滤波器4包括但不限于:光纤布拉格光栅、Fabry-Perot 干涉仪、M-Z干涉仪、原子与分子吸收腔、Sagnac环和多层介质膜干涉滤光片。
[0036] 所述第一滤波器4用于滤除激光中心频率f。，参见图2所示，f。为激光的中心频率， 为调制频率，心与5为调制获得的边频，心与匕的距离和f 2与f。的距离相等为fm;第一滤波 器4滤除激光中心频率fc，并且滤出边频&与5，从而产生了用于风速探测的双频激光，双频 激光的间距为2fm。
[0037] 为了便于理解本发明，下面介绍基于连续光调制的双频相干测风激光雷达的原 理。
[0038] 本发明通过单频连续光Ε0Μ调制产生双频率激光，接下来将先介绍双频的产生，然 后阐述双频相干激光雷达测风的原理。
[0039] 假定调制信号是一个时间的余弦函数，BP
[0040] a(t) =AmC〇s(fmt) (1)
[0041] 式中，Am为调制信号的振幅，为调制信号的角频率。激光调制方法按调制的性质 可以分为调幅、调频和强度调制。激光的电场可表示为
[0042] Ec(t) =Accos[fc · ?+Φ0(?)] (2)
[0043] 式中，Α。为振幅，f。为角频率，(^⑴为相位角。当进行振幅调制时，Α。不再为常数， 其电场