一種距離分辨率可調(diào)的相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種距離分辨率可調(diào)的相干測風(fēng)激光雷 達(dá)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 精確的大氣風(fēng)場測量對檢測大氣污染，獲取軍事環(huán)境情報，提高航空航天安全性， 提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確性，改進(jìn)氣候模型等具有重大意義。測風(fēng)激光雷達(dá)是目前風(fēng)場測量的有 效手段，分為直接探測測風(fēng)激光雷達(dá)和相干探測測風(fēng)激光雷達(dá)。直接探測測風(fēng)激光雷達(dá)是 將發(fā)射激光的回波信號頻率的變化轉(zhuǎn)化為能量的相對變化實現(xiàn)對大氣風(fēng)場多普勒頻移的 測量，相干探測測風(fēng)激光雷達(dá)是通過發(fā)射激光的大氣回波信號與本振激光的相干拍頻實現(xiàn) 對大氣風(fēng)場多普勒頻移的測量。
[0003] 在相干測風(fēng)激光雷達(dá)領(lǐng)域，1. 5 μ m的全光纖相干測風(fēng)激光雷達(dá)具有體積小，高測 量精度，高時間和高空間分辨率等優(yōu)點，是世界各國爭相發(fā)展的領(lǐng)域。日本三菱機電有限公 司報道了世界上第一臺1. 5 μπι的相干測風(fēng)激光雷達(dá)。法國LE0SPHERE公司生產(chǎn)了可以商 用的WINDCUBE相干測風(fēng)激光雷達(dá)，法國航空航天研究中心（ONERA)自主研制了 1.5 μπι相 干測風(fēng)激光雷達(dá)，英國SgurrEnergy推出了搭配風(fēng)力發(fā)電設(shè)備使用的Galion系列相干測風(fēng) 激光雷達(dá)，英國QinetiQ公司開發(fā)出了 ZephIR系列基于光纖技術(shù)的1. 548 μ m脈沖相干測 風(fēng)激光雷達(dá)，美國國家大氣研究中心（NCAR)擁有機載的相干測風(fēng)激光雷達(dá)（LAMS)。國內(nèi) 的哈爾濱工業(yè)大學(xué)在2010年搭建了采用1. 5 μπι波長連續(xù)波激光器的相干測風(fēng)激光雷達(dá)。 中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所2010年報道了采用1. 5 μ m連續(xù)波零差頻的激光雷 達(dá)，并在2013年報道了一套全光纖化的相干測風(fēng)激光雷達(dá)。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械 研究所在2012年研制了 1. 064 μ m的相干測風(fēng)激光雷達(dá)，在2014年又報道了用于邊界層風(fēng) 廓線探測的1. 54μπι全光纖相干測風(fēng)激光雷達(dá)。中國海洋大學(xué)在2014年報道了其研制的 用于風(fēng)能研究和開發(fā)利用的1. 55 μ m相干測風(fēng)激光雷達(dá)。
[0004] 在以上相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中，均采用AOM對脈沖光中心頻率進(jìn)行固定頻率 的頻移，且脈沖光的半高全寬固定不變，其基本原理都如下：連續(xù)波激光器產(chǎn)生中心頻率 為 ?。的信號光和本振光，信號光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM調(diào)制產(chǎn)生u μ的頻移，成為脈沖寬度為 ΔΤ，中心頻率為υ。+、的脈沖光，設(shè)風(fēng)場對脈沖光產(chǎn)生的多普勒頻移為υ d，則后向散射 信號中心頻率為Ud。此時本振光與信號光頻率差Δ u = uM+Ud，兩者的拍頻信 號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)高速采集卡采樣，經(jīng)傅里葉變換得到后向散射信號的 頻譜并從中分析得到風(fēng)場信息。
[0005] 如圖1所示為激光脈沖寬度AT = 400ns，uM= 80MHz信號光光譜未湮沒在本 振光光譜情況下的時域圖與頻域圖，其中拍頻信號的時域圖如圖I(I)所示，頻域圖如圖 I(II)所示，圖1中點線Uu3為本振光光譜，實線Usd為信號光光譜；A為本振光光譜峰值位 置，B為信號光光譜峰值位置，C為本振光位于時的強度，υ M已知，測量A與B處的頻率 之差△ u，就可得到^的值以反演風(fēng)速信息。
[0006] 相干測風(fēng)激光雷達(dá)中，為了測量視向風(fēng)速的方向，需要使用AOM對出射激光進(jìn)行 、的頻移，當(dāng)風(fēng)速的方向與激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡的視向方向相同時，風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移 Ud為負(fù)，反之為正，因此需要有：
[0007]
(1)
[0008] 若風(fēng)速測量范圍要求為Vr= ±30m/s，在1550nm波長時，根據(jù)多普勒頻移公式可 得：
[0009]
<2)
[0010] 則UM> 38. 7MHz即可滿足區(qū)分風(fēng)向正負(fù)的要求，但是為了減少激光器的相對強 度噪聲和Ι/f噪聲對混頻信號的影響，目前的相干測風(fēng)激光雷達(dá)中最常用υ M= 80MHz。
[0011] 固定的υΜ和Δ T導(dǎo)致以上相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)存在以下問題：
[0012] 1.上述測風(fēng)激光雷達(dá)中，激光脈沖的半高全寬ΔΤ固定不變，根據(jù)相干測風(fēng)激光 雷達(dá)距離分辨率A R和發(fā)射激光脈沖半高全寬△ T的關(guān)系：
[0013]
(3)
[0014] 其中c為光在真空中的速度，這就導(dǎo)致距離分辨率不可調(diào)，降低了相干測風(fēng)激光 雷達(dá)在不同距離分辨率要求場合下的應(yīng)用。
[0015] 2.使用高斯函數(shù)來描述激光脈沖波形，其表達(dá)式為：
[0016]
(4)
[0017] 拍頻信號經(jīng)傅里葉變換之后，得到：
[0018]
(5；
[0019] 其中Af為脈沖光光譜的半高全寬。因此，根據(jù)公式⑶和公式（5)可以看出，提 高相干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率需要減小脈沖的半高全寬，從而導(dǎo)致光譜信號的半高全 寬增大。從圖2所示為激光脈沖寬度ΔΤ = 40ns，uM= 80MHz，信號光光譜湮沒在本振光 光譜情況下的時域圖與頻域圖，圖中光譜曲線的含義及標(biāo)記A、B、C的含義與前述圖1類似； 可以看出，當(dāng)AT從400ns縮小10倍至40ns時，本振光和信號光的光譜寬度也展寬10倍， 若仍然取u M= 80MHz，則會導(dǎo)致信號光光譜湮沒在本振光光譜中，如圖2 (II)所示，無法準(zhǔn) 確測量A υ。因此僅靠減小激光脈沖半高全寬ΔΤ，而不對υΜ進(jìn)行優(yōu)化，無法有效提高相 干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率。
[0020] 3.根據(jù)采樣定理，不失真的從原始數(shù)據(jù)中提取風(fēng)場信息，需要使用不低于原始數(shù) 據(jù)最高頻率2倍的采樣率進(jìn)行采樣，在實際工程應(yīng)用中，為保證信號的可靠性，采樣率一般 取信號最高頻率的3到5倍。當(dāng)u M= 80MHz，最低需要使用240MS/S的采集卡。這對數(shù)據(jù) 采集和實時處理提出了要求。
[0021] 在不同天氣情況下，大氣的后向散射系數(shù)不同，相同能量的激光脈沖產(chǎn)生的后向 散射信號強度不同，為了達(dá)到探測要求的信噪比，需要根據(jù)不同天氣情況選擇不同脈沖累 積時間，因此相干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率也應(yīng)相應(yīng)改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明的目的是提供一種距離分辨率可調(diào)的相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，提高了相干 測風(fēng)激光雷達(dá)在不同分辨率要求場合下和不同天氣情況下的適用程度，提高了相干測風(fēng)激 光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的可靠性。
[0023] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0024] 一種距離分辨率可調(diào)的相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括：連續(xù)波激光器I，1分2光纖 分束器2,偏振環(huán)形分束器3,聲光調(diào)制器AOM 4,電光調(diào)制器EOM 5,放大器6,三口環(huán)形器 7,發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡8, λ/2波片9,光纖耦合器10,平衡探測器11，采集卡12,計算機13 ; 其中：
[0025] 連續(xù)波激光器1分別與計算機13與1分2光纖分束器2相連；
[0026] 1分2光纖分束器2的一端與偏振環(huán)形分束器3相連，偏振環(huán)形分束器3的一端與 AOM 4相連，AOM 4與EOM 5相連，EOM 5與偏振環(huán)形分束器3相連，從而構(gòu)成環(huán)路；偏振環(huán) 形分束器3的另一端與放大器6相連，放大器6與三口環(huán)形器7的a 口相接，三口環(huán)形器7 的b 口與收發(fā)望遠(yuǎn)鏡8相連，三口環(huán)形器7的c 口與光纖耦合器10的一個入口相連；
[0027] 1分2光纖分束器2的另一端與λ /2波片9相連，λ /2波片9與光纖親合器10 的另一個入口相連，光纖耦合器10出口與平衡探測器11相連，探測器電信號與采集卡12 相連，采集卡與計算機13相連。
[0028] 進(jìn)一步的，所述偏振環(huán)形分束器3將垂直方向的偏振光鎖定在其環(huán)形器內(nèi)，使垂 直方向的偏振光反復(fù)η次通過AOM 4產(chǎn)生n u Μ的移頻，從而實現(xiàn)本振光中心頻率與出射光 中心頻率的頻率差可調(diào)；
[0029] 其中，υ Μ為AOM 4單次產(chǎn)生的頻移。
[0030] 進(jìn)一步的，所述EOM 5將垂直方向的連續(xù)偏振光轉(zhuǎn)化為水平方向的脈沖光，通過 控制EOM 5的時序，實現(xiàn)水平方向的脈沖光的脈沖半高全寬可調(diào)，并使固定頻移量的出射 光通過偏振環(huán)形分束器3,實現(xiàn)相干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率可調(diào)。
[0031] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，一方面，采用偏振環(huán)形分束器3,將垂直 方向的偏振光鎖定在環(huán)形器中，通過多次通過AOM 4,使出射激光產(chǎn)生n u Μ的頻移，實現(xiàn)了 激光頻移量可調(diào)；另一方面，采用EOM 5搭配偏振環(huán)形分束器3,將環(huán)形器中達(dá)到預(yù)定偏移 量的激光偏振態(tài)由垂直方向偏振轉(zhuǎn)化為平行方向偏振，并且將連續(xù)波激光轉(zhuǎn)化為脈沖寬度 可調(diào)的脈沖光，從而實現(xiàn)了相干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率可調(diào)。基于上述方案，不僅提高 了相干測風(fēng)激光雷達(dá)在不同分辨率要求場合下和不同天氣情況下的適用程度，還提高了相 干測風(fēng)激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的可靠性。
【附圖說明】
[0032] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施