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， Fabry-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。
[0029] 所述任意函數(shù)發(fā)生器5與所述聲光調(diào)制器4連接，用于向所述聲光調(diào)制器4發(fā)送 控制信號(hào)；
[0030] 所述光纖Fabry-Perot干涉儀控制器19與所述光纖Fabry-Perot干涉儀17連接， 用于調(diào)節(jié)所述光纖Fabry-Perot干涉儀17的腔長；
[0031] 所述光纖Fabry-Perot干涉儀17放置于恒溫箱18中。
[0032] 優(yōu)選地，所述的恒溫箱18的控溫精度為0. 001K。
[0033] 優(yōu)選地，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。
[0034] 優(yōu)選地，為提高探測(cè)效率，所述第一單光子探測(cè)器16和第二單光子探測(cè)器24不限 于目前商用的銦鎵砷單光子探測(cè)器，還可以為上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器或超導(dǎo)納米線單光子探 測(cè)器。
[0035] 優(yōu)選地，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。
[0036] 優(yōu)選地，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。
[0037] 優(yōu)選地，所述第一偏振分束器3工作波長為1550nm±40nm，插入損失為0?6dB，消 光比為60dB;所述第二偏振分束器13的中心波長為1550nm±40nm，插入損失為0?6dB，消 光比為60dB;所述第三偏振分束器20的工作波長為1550nm±40nm，插入損失為0?6dB，消 光比為60dB。
[0038] 優(yōu)選地，所述保偏分束器12為1X2光纖熔融分束器，其分束比例為10/90。
[0039] 優(yōu)選地，所述光纖布拉格光柵10為保偏器件，其中心波長為1550nm，濾波帶寬為 0.111111，反射率為99.6%。
[0040] 為了便于理解，下面結(jié)合附圖2對(duì)直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的原理做詳細(xì)介紹。
[0041]多普勒激光雷達(dá)利用激光與大氣中的粒子相互作用而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)進(jìn)行風(fēng) 速探測(cè)。多普勒頻移UD和激光雷達(dá)徑向風(fēng)速的關(guān)系為VMS= 入/2。由此可知， 當(dāng)激光工作波長X= 1550nm時(shí)，lm/s的風(fēng)速對(duì)應(yīng)的多普勒頻移為1. 29MHz，對(duì)應(yīng)激光頻率 的6. 665X1CT9倍。因此，為了提取如此小的激光頻移量，對(duì)激光器頻率穩(wěn)定性和鑒頻器要 求嚴(yán)格。
[0042] 利用可調(diào)諧Fabry-Perot干涉儀作為鑒頻器的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中， Fabry-Perot干涉儀形成的通道用于頻率探測(cè)和頻率鎖定。參見圖2所示，實(shí)線為 Fabry-Perot干涉儀形成的探測(cè)通道，虛線為Fabry-Perot干涉儀形成的鎖定通道，兩個(gè)灰 色區(qū)域分別代表氣溶膠后向散射信號(hào)和出射激光光譜信號(hào)。為了提取多普勒頻移信息，邊 緣技術(shù)將激光出射頻率鎖定在Fabry-Perot干涉儀的陡峭邊緣上，出射激光與大氣中的粒 子相互作用后，大氣風(fēng)場將引起激光后向散射信號(hào)的多普勒頻移，進(jìn)而引起后向散射信號(hào) 在Fabry-Perot干涉儀的透過率變化。通過檢測(cè)后向散射信號(hào)的頻率和出射激光頻率的差 值即可反演大氣風(fēng)場。
[0043] 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中，雖然大多采用種子注入式的穩(wěn)頻激光器，但是隨著室溫和激光 器中腔內(nèi)自身溫度的變化，脈沖光的頻率會(huì)發(fā)生抖動(dòng)和漂移。此外，由于環(huán)境溫度的變化， Fabry-Perot干涉儀的腔長會(huì)發(fā)生微小變化。而風(fēng)場的測(cè)量實(shí)際上是利用Fabry-Perot干 涉儀對(duì)發(fā)射激光頻率和后向散射光的頻率進(jìn)行測(cè)量，所以發(fā)射激光頻率和Fabry-Perot干 涉儀的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度和精度。
[0044] 采用圖2所示頻率差分的方法可以基本消除出射激光頻率和Fabry-Perot干涉 儀頻譜的短期漂移。但出射激光頻率和Fabry-Perot干涉儀頻譜除了短期漂移和抖動(dòng)外， 還存在長期漂移。這種長期漂移將引起發(fā)射激光頻率遠(yuǎn)離Fabry-Perot干涉儀的陡峭邊 緣上，造成測(cè)量的速度靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍減小，甚至使激光頻率離開測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以外而 無法進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)激光頻率和Fabry-Perot干涉儀頻譜的長期漂移，可采用主動(dòng)調(diào)節(jié) Fabry-Perot干涉儀腔長的辦法，使Fabry-Perot干涉儀頻譜根據(jù)出射激光頻率的變化而 移動(dòng)。其原理如下：
[0045] 理想Fabry-Perot干涉儀的透過率是一個(gè)Airy函數(shù)：
[0046]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于，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); 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⑷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⑷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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于，所述的恒溫箱（18)的控溫精度 為 0? 001K。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于，所述連續(xù)光纖激光器（1)的工作 波段為通信波段，其工作波長為1550nm，線寬為3KHz，輸出激光為線偏振光，具有光纖耦合 輸出方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于，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。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于， 所述光纖Fabry-Perot干涉儀控制器（19)的電壓調(diào)節(jié)精度為I yV，調(diào)節(jié)步長為ImV ; 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。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于， 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。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其特征在于， 所述第一偏振分束器（3)工作波長為1550nm±40nm，插入損失為0? 6dB，消光比為 60dB ； 所述第二偏振分束器（13)的中心波長為1550nm±40nm，插入損失為0.6dB，消光比為 60dB ； 所述第三偏振分束器（20)的工作波長為1550nm±40nm，插入損失為0.6dB，消光比為 60dB〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于偏振復(fù)用的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，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，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。
【IPC分類】G01S7-481, G01S17-95
【公開號(hào)】CN104749581
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510172766
【發(fā)明人】夏海云, 上官明佳, 竇賢康, 王沖, 裘家偉, 舒志峰, 薛向輝
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年4月13日