專利名稱：一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，特別是一種使用2 ym收發(fā)合置 離軸卡塞格倫光學天線的人眼安全的2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)結構都是采用自由空間光路結構，缺點是結構體積大，由于采用 了大量的光學元件，其成本高，調(diào)節(jié)困難，穩(wěn)定性差，可操作性不強，并且需要反復的校準調(diào) 節(jié)。隨著激光技術和光通訊技術的迅速發(fā)展，特別是光纖技術的迅速發(fā)展，給激光雷 達系統(tǒng)結構優(yōu)化帶來了契機。因此，很多國內(nèi)外科研工作者都把目光轉(zhuǎn)移到了光纖技術上， 希望通過低成本，高光束傳輸質(zhì)量的光纖器件來解決傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)結構存在的種種問題。直至現(xiàn)在，國內(nèi)外學者已經(jīng)提出了多種技術方案，特別是光通信波段的雷達系統(tǒng) 結構已經(jīng)充分達到了全光纖化和小型化的要求，而對于常用的光通訊波段1. 5 y m雷達系 統(tǒng)，其主要優(yōu)點是人眼可承受的光強要比2pm處高10倍以上。但這種激光器技術不太成 熟，有效測量距離近，效率低，使得光通信波段的雷達系統(tǒng)未能得到廣泛的應用。近十年來，2i!m激光器得到了飛速發(fā)展。2i!m激光器主要特點是系統(tǒng)無需制冷， 泵浦能量耦合效率高，穩(wěn)定性強，光束質(zhì)量好，壽命長，結構緊湊。尤其是2 u m左右的二極 管泵浦固體激光器是相干激光雷達的最佳匹配。為了提高對小尺度渦流擾動測量的分辨 率和分析精度，促進了 2 ym相干激光雷達的發(fā)展，目前，美國、英國、德國、法國、荷蘭、愛爾 蘭、日本等國都致力于2 ym固體激光器、探測器、光學系統(tǒng)及其性能測試和測量地球大氣、 地球風場等應用方面的研究，這使得2 u m相干激光多普勒測風雷達成為了國內(nèi)外研究熱 點o但是，2 u m光纖器件的發(fā)展比較落后，沒有跟上2 u m激光器技術發(fā)展的步伐。因 此，目前的2 y m相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的結構都存在各自的問題，即沒有完全解決 接收光學系統(tǒng)的全光纖小型化問題，不能滿足目前車載、空載和星載2 u m相干激光多普勒 測風雷達系統(tǒng)小型化的要求?？傊?，現(xiàn)有的2 u m相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構優(yōu)化的技術方案都存在或 多或少的不足，無法同時達到成本低、人眼安全、穩(wěn)定性好、實時性好、可操作性強、有效測 量距離遠、測量(測速和測距)精度高和全光纖小型化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務是提供一種使用2pm收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學天線的人 眼安全2 u m相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種2 ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于該 2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)包括2 u m收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學天線系 統(tǒng)、2 y m激光光束分光系統(tǒng)、2 y m線偏振種子注入激光器放大級、2 y m監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2 y m平衡式外差探測系統(tǒng)。所述的2 u m離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)包括光學天線主 鏡和次鏡，還包括預擴束系統(tǒng)。所述光學天線采用收發(fā)合置的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式 結構，雙反射系統(tǒng)中采用二次曲面來達到消除各種初級象差，發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設計主要考 慮激光的光束截斷以及激光照射到目標后的散斑效應。發(fā)射光學天線系統(tǒng)的發(fā)射光束直 徑10mm，發(fā)射光學天線系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm，有效口徑為150mm ；次鏡 口徑為12. 7mm，有效孔徑為10mm。主鏡和次鏡都選用的非球面面型均為二次拋物面。主 鏡面型為拋物面，主鏡頂點曲率半徑1500mm，主鏡的離軸量為190mm，次鏡面型同樣為拋 物面，次鏡頂點的曲率半徑100mm，次鏡的離軸量為12. 67mm。系統(tǒng)視場角為0. lmrad,達 到了衍射極限水平；接收光學天線有效主口徑為150mm，瞬時視場角與相干接收視場角匹 配2 = 0. 017mrad,系統(tǒng)有效焦距f' = 4500mm,成像質(zhì)量要求達到衍射極限水平，波前 畸變要求小于入/20當光學天線系統(tǒng)的有效口徑為150mm，波長為2 u m,作用距離為R = 1 10km時，在弱湍流C 2=10_15情況下，系統(tǒng)的天線效率為0.51，在強湍流( 2=10_13下，系 統(tǒng)的天線效率為0. 03。所述2 y m平衡式外差探測系統(tǒng)包括2 u m平衡式InGaAs光電探 測器、2 y m光纖準直器和光纖合束器。其中，2 y m平衡式InGaAs光電探測器采用在一個 探測單元上同時制作兩個參數(shù)幾乎完全相同的PIN光電二極管，依據(jù)平衡式外差監(jiān)測理 論知=&-//■尸2價吻-叱0>+~]+/ /(0如(0設計而成，光敏面口徑為1mm左右，帶寬 200MHz，靈敏度0. 65A/W，可以達到衍射極限水平，充分消除散粒噪聲對外差信噪比的影響。2 u m連續(xù)線偏振種子激光器發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器后分成兩束，其 中一束種子光作為本振光，本振光被在線式光纖分束器分成兩束；另一束種子光經(jīng)2 y m全 光纖聲光移頻器移頻后注入到2 u m線偏振脈沖激光放大級中，經(jīng)放大級放大的線偏振激 光通過2 u m分光鏡分成兩束，反射光被2 u m單模準直器耦合進入光纖與一束本振光通過 合束器合束后注入到2 ym監(jiān)測探測器中；而透射光被預擴束系統(tǒng)擴束，擴束的線偏振光經(jīng) 2 U m強激光立方體偏振分光棱鏡和四分之一波片后入射，到光學天線的次鏡反射面上，之 后線偏振光又被次鏡反射到主鏡反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng) 望遠鏡主鏡、次鏡、四分之一波片后被2 u m強激光立方體偏振分光棱鏡反射，反射光經(jīng)二 分之一波片后被2 u m光纖準直器耦合進入光纖，進入光纖的線偏振激光與另一束本振光 通過在線式光纖合束器合束后注入到2 u m平衡式探測器中。上述的2 i! m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述光學天線主鏡和次鏡 反射部分表面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。進一步地，所述的2 ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述光學天線主 鏡和次鏡反射部分表面的面型一般為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 u m激光光束分光系 統(tǒng)包括2 u m強激光立方體偏振分光棱鏡、四分之一波片和二分之一波片，所述2 y m強激光 立方體偏振分光棱鏡的分光面鍍有多層特殊偏振膜。進一步地，所述多層特殊偏振膜對S偏振光全透，對P偏振光全反。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 u m種子注入激光器 放大級包括2 P m連續(xù)線偏振激光種子源、2 y m線偏振脈沖激光放大器、2 y m全光纖聲光移 頻器、在線式光纖分束器和2 u m分束鏡。所述2 y m連續(xù)的種子激光器一般為2 u m半導體激光器。
進一步地，所述2μπι線偏振脈沖激光放大器一般為2μπι光纖激光放大器。上述的2 μ m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 μ m監(jiān)測探測器系統(tǒng)包括2 μ m InGaAs光電探測器、光纖合束器和2 μ m光纖準直器。采取上述技術方案，可以成功地彌補了自由空間光路存在環(huán)境干擾的缺陷，而且 成功地解決了 2 μ m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)全光纖小型化的問題，使2 μ m全 光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構更加緊湊，此外，本發(fā)明同時具有激光對于人眼安 全、光路采用柔性光纖器件連接、可操作性強、穩(wěn)定性好、成本低、實時性好、有效測量距離遠和測量(測速和測距)精度高等特 點，在相干激光多普勒測風雷達領域具有很高的實用價值。


以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是2 μ m離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)結構示意圖；圖2是2μπι分光系統(tǒng)結構示意圖；圖3是2 μ m脈沖激光器結構示意圖；圖4是2 μ m單模光纖準直器結構示意圖；圖5是2 μ m平衡式光電探測器結構示意圖；圖6是使用離軸式卡塞格倫天線和2 μ m平衡式探測器的2 μ m全光纖相干激光多 普勒測風雷達一種結構示意圖；圖7是微弱回波信號直接經(jīng)2 μ m單模光纖準直器耦合的2 μ m全光纖相干激光多 普勒測風雷達結構示意圖；圖8是四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合的2 μ m全光纖相干 激光多普勒測風雷達結構示意圖；圖9是四分之一波片和二分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合的 2μπι全光纖相干激光多普勒測風雷達結構示意圖；圖10是四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合且微弱回波信號經(jīng) 二分之一波片后被2 μ m單模光纖準直器耦合的2 μ m全光纖相干激光多普勒測風雷達結構 示意圖。
具體實施例方式圖1是2μπι離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)結構示意圖。包括光束轉(zhuǎn)折器45°平面 反射鏡101和102、光學天線主鏡103、次鏡104和大氣105。所述光學天線采用收發(fā)合置 的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結構，雙反射系統(tǒng)中采用二次曲面來達到消除各種初級象差， 發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設計主要考慮激光的光束截斷以及激光照射到目標后的散斑效應。發(fā)射光 學天線系統(tǒng)的發(fā)射光束直徑10mm，發(fā)射光學天線系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm， 有效口徑為150mm ；次鏡口徑為12. 7mm，有效孔徑為10mm。主鏡103和次鏡104都選用的 非球面面型均為二次拋物面。主鏡103面型為拋物面，主鏡103頂點曲率半徑1500mm，主 鏡的離軸量為190mm，次鏡104面型同樣為拋物面，次鏡104頂點的曲率半徑100mm，次鏡 104的離軸量為12.67mm。系統(tǒng)視場角為0. lmrad，達到了衍射極限水平；接收光學天線有效主口徑為150mm，瞬時視場角與相干接收視場角匹配2 ω = 0. 017mrad,系統(tǒng)有效焦距f' =4500mm，成像質(zhì)量要求達到衍射極限水平，波前畸變要求小于λ/20 ；當光學天線系統(tǒng)的 有效口徑為150mm，波長為2 μ m，作用距離為R = 1 □ IOkm時，在弱湍流C〗二 10_15情況下，系 統(tǒng)的天線效率為0. 51，在強湍流C 2-1(T13下，系統(tǒng)的天線效率為0. 03。其中，光學天線主鏡 103由特殊材料制成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金 屬材料，其主鏡反射表面鍍有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜，反射表面面型為 雙曲面，也可以根據(jù)具體需要制成球面、橢球面和拋物面。光學天線次鏡104由特殊材料制 成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料，其次鏡反 射表面鍍有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜，次鏡104反射表面面型為拋物面， 同樣可以實際需要制成球面、橢球面和雙曲面。光束轉(zhuǎn)折器45°平面反射鏡101和102表 面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。當激光入射到45°平面反射鏡101上時，細心調(diào) 節(jié)使其法線方向與入射光光軸方向成45°時入射光被反射到45°平面反射鏡102上，同樣 調(diào)節(jié)后使其反射光入射到光學天線次鏡104的反射面上，被次鏡104反射的光又入射到光 學天線主鏡103反射面上，被主鏡103反射的光直接射向大氣。圖2是2 μ m分光系統(tǒng)結構示意圖。包括預擴束器201、2 μ m強激光立方體偏振分 光棱鏡202、四分之-波片203、二分之一波片204、光學天線205和大氣206。其中，2 μ m強 激光立方體偏振分光棱鏡202的分光部分表面207鍍有特殊的偏振膜，此偏振膜的特點是 針對特定S偏振光全反，與其特定S偏振方向正交的P偏振光則全透，2 μ m強激光立方體 偏振分光棱鏡由高透過率材料制成，所述的高透過率材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、 ZnSe、鍺片和硅片等，其結構通常為平板型和立方體型，可以根據(jù)具體需要任意選型。當入 射S偏振光經(jīng)預擴束器擴束后入射到分光面207時，調(diào)節(jié)偏振分光鏡的分光面位置，使其絕 大部分光透射，透射的S偏振光經(jīng)過四分之一波片203變成圓偏振光，此圓偏振光通過光學 天線后進入大氣206，經(jīng)過大氣206后向散射的圓偏振光經(jīng)相同的四分之一波片203，由于 其偏振方向發(fā)生了變化，變成了 P偏振光，當入射到分光面207上時反射膜起主導作用，絕 大部分光被反射，反射線偏振光正入射到二分之一波片204進行偏振態(tài)校正后又變成S偏 振光。圖3是2 μ m脈沖激光放大級結構示意圖。包括2 μ m連續(xù)激光種子源301、2μ m 激光脈沖放大器302、2 μ m全光纖聲光移頻器303、2 μ m在線式光纖分束器304及305、2 μ m 分光鏡307和預擴束器306。其中，2μπι連續(xù)激光種子源301為窄線寬高光束質(zhì)量的單 頻2 μ m半導體激光器，其頻率和功率穩(wěn)定性極高，一般都在3 %以內(nèi)，能夠確保后續(xù)的放大 過程有良好的飽和度、大的信噪比以及較低低的相對強度噪聲。2 μ m脈沖激光放大器302 為2 μ m光纖激光放大器，是一個對種子源激光模塊進行全光纖放大的解決方案，該放大器 302采用了種子源注入和高功率放大器的主振蕩功率放大器(MOPA)結構，當放大器302輸 出不同的功率時，從MOPA輸出的光信號仍然保持著種子光信號的窄線寬和低噪聲。2 μ m分 光鏡由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、硅片等，其表面的反射部分鍍有 增加激光束反射效率的高反膜，透射部分鍍有增加激光束透射效率的增透膜。2 μ m全光纖 聲光移頻器303是基于布拉格衍射原理制成的，其在射頻驅(qū)動器的作用下可以對入射光進 行頻率調(diào)制，使一級光衍射頻率產(chǎn)生頻移。當2 μ m連續(xù)激光種子源301激光器發(fā)射激光經(jīng) 過2 μ m在線式光纖分束器305分束后，一束進入2 μ m在線式光纖分束器304，另一束則進入2 μ m全光纖聲光移頻器303中，2 μ m全光纖聲光移頻器303在射頻驅(qū)動器作用下工作， 產(chǎn)生一級衍射光，一級衍射光注入到2 μ m激光脈沖放大器302中，經(jīng)功率放大后的線偏振 光被2 μ m分光鏡307分成一束反射光和一束透射光，通常透射光的效率較高，在99 %左右， 透射光可以經(jīng)過與擴束器306擴束。圖4是2 μ m單模光纖準直器結構示意圖。該光纖準直器包括光纖尾纖401、光纖 插針402、金屬套管403、格林透鏡404、玻璃套管407、和光纖連接器406。其中梯度折射率 透鏡即格林透鏡404(Grin Lens)由透明材料制成，所述透明材料包括硅片和氧化物玻璃 等，其格林透鏡404的入射端面形狀為平面且此平面法線方向與格林透鏡404發(fā)現(xiàn)方向有 8°夾角，目的是減少入射激光后向散射，起到隔離器的作用，也可以根據(jù)實際需要制成球 面、橢球面、錐面和楔形面，格林透鏡(GRIN LENS)的兩個端面鍍有增加測試光源發(fā)射光束 透射效率的增透膜。玻璃套管407由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、透 明塑料和硅片。金屬套管403由金屬材料制成，所述金屬材料包括金、銅、鋁、鋼等。將各器 件按照圖4所示組裝好，當激光入射到格林透鏡404表面時，細心調(diào)節(jié)準直器的位置，可以 找到耦合效率最大的位置。圖5是2μπι平衡式光電探測器結構示意圖。如圖5(b)所示包括信號光510、本振 光511、光電探測器512和513、前置放大器514和515、濾波器516和517、加法器或差分器 518、中頻電流519及分束器520。2 μ m平衡式光電探測器依據(jù)平衡式外差監(jiān)測理論<formula>formula see original document page 8</formula>
設計而成。其中，inl (t)、in2(t)—分別表示兩支路中的散粒噪聲電流。所用2 μ m 平衡式光電探測器光敏面口徑為Imm左右，帶寬150MHz，靈敏度0. 65A/W，可以達到衍射極 限水平，充分消除散粒噪聲對外差信噪比的影響。當在一個探測單元上同時制作兩個參數(shù)幾乎完全相同的PIN光電二極管時，入射 的信號光510和本振光分別經(jīng)過分束器520分為兩束，然后分別入射到兩個參數(shù)匹配的兩 個反向(或同向時，在其中一路加入一個180°移相器)光電探測器513和514光敏面上進 行光混頻，各自產(chǎn)生外差信號，分別通過前置放大器514和515后進入各自光路中的濾波器 516和517，最后經(jīng)濾波的兩路外差信號的中頻電流經(jīng)加法器518 (或差分器)輸出平衡外 差中頻電流信號I。ut。平衡接收機與單探測器接收機相比，有兩個重要的優(yōu)點①能有效的 抑制本振激光過剩強度的噪聲，提高系統(tǒng)的靈敏度；②能充分利用本振激光器的能量。圖6是使用離軸式卡塞格倫天線和2 μ m平衡式探測器的2 μ m全光纖相干激光多 普勒測風雷達結構示意圖。包括2 μ m連續(xù)線偏振激光種子源601、2 μ m線偏振脈沖激光放 大器602、2μπι全光纖聲光移頻器603、在線式光纖分束器604及605、2μπι分光鏡606、2μπι 單模光纖準直器607、預擴束器608、2 μ m強激光立方體分光棱鏡609、四分之一波片610、 2 μ m離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)次鏡611、主鏡612、二分之一波片613、2 μ m單模光纖準 直器614、在線式光纖合束器615及616、2 μ m監(jiān)測探測器617和2 μ m平衡式外差探測器 618。在收發(fā)合置的離軸卡塞格倫光學天線調(diào)試完畢之后，2 μ m連續(xù)線偏振種子激光器 601發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器604后分成兩束，其中一束種子光作為本振光，本振 光被在線式光纖分束器605分成兩束；另一束種子光經(jīng)2 μ m全光纖聲光移頻器603后注入 到2 μ m線偏振脈沖激光放大器602中，經(jīng)放大器放大的線偏振激光通過2 μ m分光鏡606分成兩束，反射光被2 μ m單模準直器607耦合進入光纖與一束本振光通過在線式光纖合束器615合束后注入到2 μ m監(jiān)測探測器617的光敏面上，用來監(jiān)測種子源激光器頻率的穩(wěn) 定性；而透射光被預擴束器608擴束，擴束的線偏振光經(jīng)2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡 609和四分之一波片610后入射到光學天線的次鏡611反射面上，之后線偏振光又被次鏡反 射到主鏡617反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng)望遠鏡主鏡611、次 鏡612、四分之一波片610后被2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡609反射，反射光經(jīng)二分之 一波片613后被2 μ m單模光纖準直器614耦合進入光纖，進入光纖的線偏振激光與另一束 本振光通過在線式光纖合束器616合束后注入到2 μ m平衡式探測器618光敏面上，通過示 波器可以觀察外差信號的波形，然后經(jīng)后續(xù)的信號處理既可以反演出風場的相關信息。其中，本振光要求是連續(xù)的，因此，在2 μ m連續(xù)種子源激光器601分出一路做本振 光，分別與脈沖激光放大器602和回波信號光進行拍頻，從而觀察外差信號波形。激光器發(fā)射系統(tǒng)采用的種子注入放大方式，性能良好的激光器種子源601注入到 脈沖調(diào)制放大器602中，經(jīng)過放大的脈沖激光通過收發(fā)合置的離軸卡塞格倫光學天線發(fā)射 到大氣中，之后與大氣中的氣溶膠粒子相互作用產(chǎn)生后向散射攜帶大氣多普勒頻移信息的 回波信號，其又經(jīng)過收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學天線接收，然后與本振光進行外差來獲取 多普勒頻移信息，當觀察到外差信號頻域波形之后，便可以通過數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)進行實 時的大氣風場數(shù)據(jù)采集，從而根據(jù)多普勒頻移來反演出三維風場信息和風切變的變化規(guī) 律。圖7是微弱回波信號直接經(jīng)2 μ m單模光纖準直器耦合的2 μ m全光纖相干激光多 普勒測風雷達結構示意圖。圖7與圖6工作過程基本相同，只是在考慮大氣后向散射信號 極弱，因此在回波光路中去掉二分之一波片，把其移到本振光光路中，目的是減少二分之一 波片的插入損耗，增加信號光的利用率。這樣回波依次經(jīng)過光學天線720、45°平面反射鏡 710及709、四分之一波片708和2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡707后直接通過2 μ m單 模光纖準直器耦合到單模光纖中；而本振光經(jīng)在線式光纖分束器704分束后，在其中一光 路中插入兩個2 μ m單模光纖準直器715和716及二分之一波片717，由于本振光比較強， 所以耦合到光纖線芯中的光功率還是較強的，這樣不僅可以保證信號光和本振光偏振態(tài)相 同，而且可以與回波信號拍頻，完成平衡式外差探測。圖8是四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合的2 μ m全光纖相干 激光多普勒測風雷達結構示意圖。圖8與圖7工作過程基本相同，只是光路中采用了四分 之一波片808與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡807膠合的結構來節(jié)省空間，不僅有利于 四分之一波片和2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡的調(diào)節(jié)，同時還有助于接收系統(tǒng)小型化。圖9是四分之一波片和二分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合的 2μπι全光纖相干激光多普勒測風雷達結構示意圖。這種方案和圖6的工作過程相同，差別 在于將二分之一波片和四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合在了一起使 用，這樣的好處是既節(jié)省了很大的調(diào)節(jié)空間，同時對于2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡和 波片的裝調(diào)也比較容易，同圖8相比較更加容易實現(xiàn)系統(tǒng)小型化的要求。圖10是四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合且微弱回波信號經(jīng) 二分之一波片后被2 μ m單模光纖準直器耦合的2 μ m全光纖相干激光多普勒測風雷達結構 示意圖。圖10與圖6工作過程基本相同，這里就不再贅述，差別在于將四分之一波片與2 μ m強激光立方體偏振分光棱鏡膠合在了 一起使用，并且節(jié)省了兩個2 μ m單模光纖準直器，這 樣不僅節(jié)省了調(diào)節(jié)空間，同時節(jié)省了成本。 最后應說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的2μπι全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的結構和技術方案，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了 詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換， 都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于該2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)包括2μm收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)、2μm激光光束分光系統(tǒng)、2μm線偏振種子注入激光器放大級、2μm監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2μm平衡式外差探測系統(tǒng)。所述的2μm離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)包括光學天線主鏡和次鏡，還包括預擴束系統(tǒng)。所述光學天線采用收發(fā)合置的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結構，雙反射系統(tǒng)中采用二次曲面來達到消除各種初級象差，發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設計主要考慮激光的光束截斷以及激光照射到目標后的散斑效應。發(fā)射光學天線系統(tǒng)的發(fā)射光束直徑10mm，發(fā)射光學天線系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm，有效口徑為150mm；次鏡口徑為12.7mm，有效孔徑為10mm。主鏡和次鏡都選用的非球面面型均為二次拋物面。主鏡面型為拋物面，主鏡頂點曲率半徑1500mm，主鏡的離軸量為190mm，次鏡面型同樣為拋物面，次鏡頂點的曲率半徑100mm，次鏡的離軸量為12.67mm。系統(tǒng)視場角為0.1mrad，達到了衍射極限水平；接收光學天線有效主口徑為150mm，瞬時視場角與相干接收視場角匹配2ω＝0.017mrad，系統(tǒng)有效焦距f’＝4500mm，成像質(zhì)量要求達到衍射極限水平，波前畸變要求小于λ/20；當光學天線系統(tǒng)的有效口徑為150mm，波長為2μm，作用距離為R＝1～10km時，在弱湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>15</mn> </mrow></msup> </mrow>情況下，系統(tǒng)的天線效率為0.51，在強湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>13</mn> </mrow></msup> </mrow>下，系統(tǒng)的天線效率為0.03。所述2μm平衡式外差探測系統(tǒng)包括2μm平衡式InGaAs光電探測器、2μm光纖準直器和光纖合束器。其中，2μm平衡式InGaAs光電探測器采用在一個探測單元上同時制作兩個參數(shù)幾乎完全相同的PIN光電二極管，依據(jù)平衡式外差監(jiān)測理論設計而成，光敏面口徑為1mm左右，帶寬200MHz，靈敏度0.65A/W，可以達到衍射極限水平，充分消除散粒噪聲對外差信噪比的影響。2μm連續(xù)線偏振種子激光器發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器后分成兩束，其中一束種子光作為本振光，本振光被在線式光纖分束器分成兩束；另一束種子光經(jīng)2μm全光纖聲光移頻器移頻后注入到2μm線偏振脈沖激光放大級中，經(jīng)放大級放大的線偏振激光通過2μm分光鏡分成兩束，反射光被2μm單模準直器耦合進入光纖與一束本振光通過合束器合束后注入到2μm監(jiān)測探測器中；而透射光被預擴束系統(tǒng)擴束，擴束的線偏振光經(jīng)2μm強激光立方體偏振分光棱鏡和四分之一波片后入射，到光學天線的次鏡反射面上，之后線偏振光又被次鏡反射到主鏡反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng)望遠鏡主鏡、次鏡、四分之一波片后被2μm強激光立方體偏振分光棱鏡反射，反射光經(jīng)二分之一波片后被2μm光纖準直器耦合進入光纖，進入光纖的線偏振激光與另一束本振光通過在線式光纖合束器合束后注入到2μm平衡式探測器中。F2009102174030C00013.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述光學天線主鏡和次鏡反射部分表面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。
3.根據(jù)權利要求2所述的2u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述光學天線主鏡和次鏡反射部分表面的面型為拋物面、橢球面、雙曲面和球面。
4.根據(jù)權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m激光光束分光系統(tǒng)包括2 u m強激光立方體偏振分光棱鏡、四分之一波片和二分之 一波片。
5.根據(jù)權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m種子注入激光器放大級包括2 u m連續(xù)線偏振激光種子源、2 y m線偏振脈沖激光放大級、2 y m全光纖聲光移頻器、在線式光纖分束器和2 u m分束鏡。
6.根據(jù)權利要求1所述的2 ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m監(jiān)測探測器系統(tǒng)包括2 u m InGaAs光電探測器、在線式光纖合束器和2 u m單模光纖準直器。
全文摘要
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其系統(tǒng)由2μm離軸卡塞格倫光學天線系統(tǒng)、2μm激光光束分光系統(tǒng)、2μm種子注入激光器放大級、2μm監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2μm平衡式外差探測系統(tǒng)構成。彌補了自由空間光路存在環(huán)境干擾的缺陷，克服了散粒噪聲對外差接收信噪比的影響，解決了2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)全光纖小型化的問題，使2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構更加緊湊，此外，本發(fā)明還具有激光對于人眼安全、光路采用柔性光纖器件連接、可操作性強、穩(wěn)定性好、成本低、實時性好、有效測量距離遠和測量(測速和測距)精度高等特點，在相干激光多普勒測風雷達領域具有很高的實用價值。
文檔編號G01S17/95GK101825710SQ20091021740
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學