一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偏振復(fù)用 的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)80年代以來，直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)日漸成熟，直接探測(cè)激光雷達(dá)技 術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（高時(shí)空分辨率、大空間覆蓋范圍和高測(cè)量精度等）在測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)領(lǐng) 域薪露頭角。
[0003] 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展基于Fabry-Perot干涉儀的多普勒直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的基 礎(chǔ)研宄，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、模擬仿真等工作。國(guó)外有：法國(guó)HauteProvence天文臺(tái)研制的 Rayleigh-Mie多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)；德國(guó)、英國(guó)、挪威、聯(lián)合研制的ALAM0R系統(tǒng)；美國(guó)的國(guó) 家航天航空局NASA、NCAR和MichiganAerospaceCorporation開發(fā)的GLOW和Groundwinds 系統(tǒng)；歐洲宇航局（ESA)正開展的風(fēng)神太空計(jì)劃（ADM-AeolusMission)，并進(jìn)行了地面和 機(jī)載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；丹麥、荷蘭、日本也均有報(bào)道。國(guó)內(nèi)開展了相關(guān)工作的單位有：中國(guó)海洋大 學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所、西安理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng) 用研宄中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京航天航空大學(xué)和蘇州大學(xué)。
[0004] 基于Fabry-Perot干涉儀的多普勒直接探測(cè)激光雷達(dá)中，通過檢測(cè)后向散射信號(hào) 的頻率和出射激光頻率的差值以反演多普勒頻移，因此，頻移探測(cè)和頻率跟蹤鎖定是多普 勒直接探測(cè)激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，其中典型的頻率跟蹤和鎖定方法有如下幾種：
[0005] 1)法國(guó)Haute Provence天文臺(tái)的Rayleigh-Mie多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)采用氣壓 可調(diào)諧的雙通道Fabry-Perot干涉儀。頻率的鎖定采用調(diào)節(jié)Fabry-Perot干涉儀的氣壓， 進(jìn)而改變腔內(nèi)折射率的方式來實(shí)現(xiàn)。由頻率增量A u和折射率An增量的關(guān)系A(chǔ) u/An =-u d/n可知，為使頻率上移，需減小Fabry-Perot干涉儀腔內(nèi)的折射率，反之亦然。但是， Rayleigh-Mie多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)僅在觀測(cè)前進(jìn)行頻率鎖定，觀測(cè)過程中不做頻率跟蹤和 實(shí)時(shí)鎖定處理。
[0006] 2)德國(guó)宇航局研制的A2D機(jī)載激光雷達(dá)采用固定腔長(zhǎng)式Fabry-Perot干涉儀和頻 率可調(diào)諧的激光器。其中，為避免出射激光頻率不穩(wěn)定所引入的校準(zhǔn)和測(cè)量誤差，系統(tǒng)采用 QBUT(Q-switchbuilt-uptime)最小化的方法穩(wěn)定激光頻率。并且，通過增加一個(gè)穩(wěn)頻激 光器提供本征光，利用相干拍頻技術(shù)測(cè)量出射激光頻率的漂移量。
[0007] 3)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用腔長(zhǎng)可調(diào)諧的三通道Fabry-Perot干涉儀，其中兩個(gè)邊 緣通道用于提取多普勒頻移信息，第三個(gè)通道用于跟蹤和鎖定激光出射頻率。頻率的鎖定 采用調(diào)節(jié)Fabry-Perot干涉儀腔長(zhǎng)的方式實(shí)現(xiàn)。由頻率增量A u和腔長(zhǎng)增量A 1的關(guān)系 Au/Al= -uQ/l(u。為激光頻率，1為Fabry-Perot干涉儀的腔長(zhǎng)）可知，為使頻率上 移，F(xiàn)abry-Perot干涉儀的腔長(zhǎng)需要縮短，反之亦然。
[0008] 上述三種方法存在如下缺點(diǎn)：上述方法1)中，由于調(diào)節(jié)過程中需對(duì)Fabry-Perot 干涉儀加壓和減壓，這是一個(gè)緩慢過程，因此不能進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和鎖定；上述方法2)中，由 于需增加另外一個(gè)激光器作為參考光，并且采用相干拍頻的方法，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光學(xué)器件 要求嚴(yán)格，后繼數(shù)據(jù)處理量大，系統(tǒng)成本高；上述方法3)中，由于增加第三通道的方法，系 統(tǒng)復(fù)雜成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明目的是提供一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其成本低、結(jié)構(gòu) 緊湊且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，包括：連續(xù)光纖激光器1、偏振控制 器2、第一偏振分束器3、聲光調(diào)制器4、任意函數(shù)發(fā)生器5、光纖放大器6、擴(kuò)束鏡7、望遠(yuǎn)鏡 8、環(huán)形器9、光纖布拉格光柵10、保偏合束器11、保偏分束器12、第二偏振分束器13、第一 模擬探測(cè)器14、第一起偏器15、第一單光子探測(cè)器16、光纖Fabry-Perot干涉儀17、恒溫箱 18、光纖Fabry-Perot干涉儀控制器19、第三偏振分束器20、第二模擬探測(cè)器21、A/D數(shù)據(jù) 采集卡22、第二起偏器23、第二單光子探測(cè)器24、光子計(jì)數(shù)采集卡25、計(jì)算機(jī)26 ;
[0012] 其中，連續(xù)光纖激光器1的輸出端與偏振控制器2的輸入端連接，偏振控制器2的 輸出端與第一偏振分束器3的輸入端連接，第一偏振分束器3的輸出端B與聲光調(diào)制器4的 輸入端連接，任意函數(shù)發(fā)生器5的輸出端與聲光調(diào)制器4的輸入端連接，聲光調(diào)制器4的輸 出端與光纖放大器6的輸入端連接，光纖放大器6的輸出端與擴(kuò)束鏡7的輸入端連接；望遠(yuǎn) 鏡8接收大氣后向散射信號(hào)，望遠(yuǎn)鏡8的輸出端與環(huán)形器9的輸入端連接，環(huán)形器9的收發(fā) 復(fù)用端與光纖布拉格光柵10的輸入端連接，環(huán)形器9的輸出端與保偏合束器11的輸入端A 連接，保偏合束器11的輸入端C還與第一偏振分束器3的輸出端A相連，保偏合束器11的 輸出端B與保偏分束器12的輸入端連接，保偏分束器12的輸出端C與第二偏振分束器13 的輸入端連接，第二偏振分束器13的輸出端B與第一模擬探測(cè)器14連接，第二偏振分束器 13的輸出端A與第一起偏器15的輸入端連接，第一起偏器15的輸出端與第一單光子探測(cè) 器16連接；保偏分束器12的輸出端B與光纖Fabry-Perot干涉儀17的輸入端連接，光纖 Fabry-Perot干涉儀17放置于恒溫箱18中，F(xiàn)abry-Perot干涉儀17的輸出端與第三偏振 分束器20的輸入端連接；第三偏振分束器20的輸出端B與第二模擬探測(cè)器21連接，第三 偏振分束器20的輸出端A與第二起偏器23的輸入端連接，第二起偏器23的輸出端與第二 單光子探測(cè)器24連接；第一模擬探測(cè)器14和第二模擬探測(cè)器21的輸出端與A/D數(shù)據(jù)采集 卡22的輸入端連接，A/D數(shù)據(jù)采集卡22的輸出端作為反饋信號(hào)輸入給光纖Fabry-Perot干 涉儀控制器19,光纖Fabry-Perot干涉儀控制器19輸出端與光纖Fabry-Perot干涉儀17 連接；第一單光子探測(cè)器16和第二單光子探測(cè)器24的輸出端與光子計(jì)數(shù)采集卡25的輸入 端連接；光子計(jì)數(shù)采集卡25的輸出端與計(jì)算機(jī)26連接。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的恒溫箱18的控溫精度為0. 001K。
[0014] 進(jìn)一步的，所述連續(xù)光纖激光器1的工作波段為通信波段，其工作波長(zhǎng)為1550nm， 線寬為3KHz，輸出激光為線偏振光，具有光纖親合輸出方式。
[0015] 進(jìn)一步的，所述第一單光子探測(cè)器16和第二單光子探測(cè)器24為銦鎵砷單光子探 測(cè)器，或上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器或超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。
[0016] 進(jìn)一步的，所述光纖Fabry-Perot干涉儀控制器19的電壓調(diào)節(jié)精度為1yV，調(diào)節(jié) 步長(zhǎng)為lmV;所述光纖Fabry-Perot干涉儀17的自由譜間距為4. 02GHz，精細(xì)度為43。
[0017] 進(jìn)一步的，所述第一起偏器15和第二起偏器23的偏振方向與后向散射信號(hào)的偏 振態(tài)平行，與鎖頻用的連續(xù)光垂直。
[0018] 進(jìn)一步的，所述第一偏振分束器3工作波長(zhǎng)為1550nm±40nm，插入損失為0?6dB， 消光比為60dB;
[0019] 所述第二偏振分束器13的中心波長(zhǎng)為1550nm±40nm，插入損失為0? 6dB，消光比 為60dB;
[0020] 所述第三偏振分束器20的工作波長(zhǎng)為1550nm±40nm，插入損失為0?6dB，消光比 為 60dB。
[0021] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過基于偏振態(tài)相互垂直的激光經(jīng)光纖 Fabry-Perot干涉儀時(shí)透過率曲線不同的原理，采用偏振復(fù)用技術(shù)，將連續(xù)激光分成偏振態(tài) 相互垂直的兩路，其中一路經(jīng)脈沖調(diào)制后用于探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)，另外一路用于鎖定激光頻率， 這兩路共用一個(gè)光纖Fabry-Perot干涉儀，這兩路信號(hào)的合并和分離探測(cè)采用保偏合束器 和偏振分束器完成。該方案中僅用單個(gè)光纖Fabry-Perot干涉儀實(shí)現(xiàn)了同時(shí)的頻移探測(cè)和 頻率跟蹤鎖定，相比于采用多通道Fabry-Perot干涉儀或多個(gè)Fabry-Perot干涉儀構(gòu)成的 系統(tǒng)，該發(fā)明裝置成本低、結(jié)構(gòu)緊湊并且系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0022] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的示意 圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中邊緣技術(shù)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。基于本發(fā)明 的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例， 都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026] 本發(fā)明是通過基于偏振態(tài)相互垂直的激光經(jīng)光纖Fabry-Perot干涉儀時(shí)透過率 曲線不同的原理，采用偏振復(fù)用技術(shù)，將連續(xù)激光分成偏振態(tài)相互垂直的兩路，其中一路經(jīng) 脈沖調(diào)制后用于探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)，另外一路用于鎖定激光頻率。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的 一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的示意圖，圖中的點(diǎn)和雙箭頭用于表示激光偏 振態(tài)，其中點(diǎn)表示偏振態(tài)與紙面垂直，雙箭頭表示偏振態(tài)與紙面平行。
[0027] 如圖1所示，其包括：連續(xù)光纖激光器1、偏振控制器2、第一偏振分束器3、聲光調(diào) 制器4、任意函數(shù)發(fā)生器5、光纖放大器6、擴(kuò)束鏡7、望遠(yuǎn)鏡8、環(huán)形器9、光纖布拉格光柵10、 保偏合束器11、保偏分束器12、第二偏振分束器13、第一模擬探測(cè)器14、第一起偏器15、第 一單光子探測(cè)器16、光纖Fabry-Perot干涉儀17、恒溫箱18、光纖Fabry-Perot干涉儀控制 器19、第三偏振分束器20、第二模擬探測(cè)器21、A/D數(shù)據(jù)采集卡22、第二起偏器23、第二單 光子探測(cè)器24、光子計(jì)數(shù)采集卡25、計(jì)算機(jī)26。
[0028] 連續(xù)光纖激光器1的輸出端與偏振控制器2的輸入端連接，偏振控制器2的輸出 端與第一偏振分束器3的輸入端連接，第一偏振分束器3的輸出端B與聲光調(diào)制器4的輸 入端連接，任意函數(shù)發(fā)生器5的輸出端與聲光調(diào)制器4的輸入端連接，聲光調(diào)制器4的輸出 端與光纖放大器6的輸入端連接，光纖放大器6的輸出端與擴(kuò)束鏡7的輸入端連接；望遠(yuǎn) 鏡8接收大氣后向散射信號(hào)，望遠(yuǎn)鏡8的輸出端與環(huán)形器9的輸入端連接，環(huán)形器9的收發(fā) 復(fù)用端與光纖布拉格光柵10的輸入端連接，環(huán)形器9的輸出端與保偏合束器11的輸入端 A連接，保偏合束器11的輸入端C還與第一偏振分束器3的輸出端A相連，保偏合束器11 的輸出端B與保偏分束器12的輸入端連接，保偏分束器12的輸出端C與第二偏振分束器 13的