一種基于單頻連續(xù)光eom調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)測風(fēng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光調(diào)制的雙頻連續(xù)光相干測 風(fēng)激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)以其方向性好、時(shí)間分辨率和空間分辨率高、精度高、非接觸(遙感)探測 等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測風(fēng)、測距、成像、污染物監(jiān)測、測風(fēng)、測溫等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的相干測風(fēng) 激光雷達(dá)中，單頻激光一分為二，一路發(fā)射到探測目標(biāo)，另外一路作為本振光，通過目標(biāo)物 后向散射信號與本振光拍頻實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的速度探測。理想情況下，當(dāng)目標(biāo)物的速度一定時(shí)， 獲得的光譜為窄線寬，速度信息則從多普勒頻移中提取。但在實(shí)際情況中，由于目標(biāo)物表面 不平整、大氣湍流引起的散斑噪聲和激光的相干性引起的相位噪聲將引起多普勒頻移譜線 的展寬，從而導(dǎo)致測量的速度精度降低、探測距離減小。而傳統(tǒng)的微波雷達(dá)中，因微波波長 與激光相比較長，受大氣湍流影響較小，但是空間分辨率也因此低于激光雷達(dá)。
[0003] 為了減小散斑噪聲的影響，提高探測精度，基于雙頻激光的相干測風(fēng)激光雷達(dá)被 提出，它集成了相干激光雷達(dá)和傳統(tǒng)微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，在一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)中采用雙頻激 光束作為載波，將頻差控制在微波范圍內(nèi)，使系統(tǒng)具有空間分辨率高，抗大氣湍流能力強(qiáng)， 信號處理技術(shù)發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)。雙頻激光雷達(dá)發(fā)射的激光包含兩個(gè)頻率，探測到的目標(biāo)物后向 散射信號的兩個(gè)光頻率都有多普勒頻移，導(dǎo)致拍頻頻移，根據(jù)公式Af = V · f/2c(式中Af 為多普勒頻移，V為探測目標(biāo)速度，f為入射光頻率，c為光速），當(dāng)目標(biāo)物的速度V-定時(shí)，多 普勒頻移△ f與出射頻率f成正比，速度信息則通過檢測雙頻激光多普勒頻移的差值獲得。 因此，雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)探測目標(biāo)為雙頻激光的多普勒頻率差，即微波信號。多普勒測 量僅取決于光頻差，而不是光頻本身，因此可精確測風(fēng)的目標(biāo)距離取決于微波穩(wěn)定性，而不 是光頻穩(wěn)定性，任何光學(xué)噪聲(如光放大器的ASE噪聲、沿光束路徑的衰減和散射過程)若只 改變激光譜線寬度而不改變微波譜線寬度，就不會影響系統(tǒng)性能。微波波長遠(yuǎn)大于激光，抑 制了散斑噪聲造成的多普勒頻移譜線展寬，這大大降低了大氣湍流和目標(biāo)物表面不平整引 起的散斑噪聲對速度探測的影響，并將激光雷達(dá)的相干信號處理環(huán)節(jié)從光路部分轉(zhuǎn)移到技 術(shù)發(fā)展成熟的電路部分，同時(shí)保留激光雷達(dá)高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，從而揚(yáng)長避短，很大程度 上提升雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能，縮短研發(fā)周期。
[0004] 雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)中，檢測的為雙頻激光的頻率差，一般為幾十GHz，假設(shè)頻 率間距為40GHz，則lm/s的風(fēng)速引起的頻差為267Hz。因此，該類型激光雷達(dá)對兩個(gè)激光頻率 間距的穩(wěn)定性要求苛刻，激光相干性引起的相位噪聲會導(dǎo)致多普勒頻移譜線展寬，限制了 其發(fā)展。微波拍頻信號的相干性和穩(wěn)定性可以通過鎖相來增強(qiáng)，然而將兩束激光鎖相是困 難的。
[0005] 目前，雙頻相干激光雷達(dá)采用的激光器有鎖模激光器和種子注入半導(dǎo)體激光器。 為了獲得雙頻率激光輸出，鎖模激光器需配備波長選擇開關(guān)或者Fabry-Perot干涉儀，而種 子注入半導(dǎo)體激光器需配備主激光器和從激光器使用，因此，基于該兩種激光器的激光雷 達(dá)系統(tǒng)的光路復(fù)雜、成本高昂。此外，雙頻激光源還可由重疊兩個(gè)頻差已知的激光束或基于 激光腔外調(diào)制得到，前者顯然不能改善激光相干性低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于單頻連續(xù)光Ε0Μ調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)，具 有精度高、穩(wěn)定性好、且造價(jià)相對較低等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種基于單頻連續(xù)光Ε0Μ調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)，包括：
[0009] 連續(xù)光激光器1、電光調(diào)制器E0M2、信號發(fā)生器3、第一濾波器4、激光放大器5、第二 濾波器6、分束器7、環(huán)形器8、光學(xué)收發(fā)裝置9、連續(xù)可調(diào)衰減器11、分束器12、平衡探測器13、 A/D采集卡14、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15與計(jì)算機(jī)16,各個(gè)器件的連接關(guān)系如下：
[0010] 連續(xù)光激光器1的輸出端與E0M2的輸入端連接，E0M2輸出端與第一濾波器4的輸入 端連接，信號發(fā)生器3的控制信號輸入端與E0M2的控制信號輸出端連接，第一濾波器4的輸 出端與激光放大器5的輸入端連接，激光放大器5的輸出端與第二濾波器6的輸入端連接，第 二濾波器6的輸出端與分束器7的輸入端連接；
[0011 ]所述分束器7用于將雙頻激光分成兩分，其中輸出端A輸出為信號光，輸出端B輸出 的為本振光;分束器7的輸出端A與環(huán)形器8的A端口連接，分束器7的輸出端B與連續(xù)可調(diào)衰 減器11的輸入端連接，
[0012] 環(huán)形器8的C端與分束器12的A端口連接;環(huán)形器8的B端口與光學(xué)收發(fā)裝置9連接， 光學(xué)收發(fā)裝置9出射的光束照射在探測目標(biāo)物10上，探測目標(biāo)物10后向散射回的信號經(jīng)光 學(xué)收發(fā)裝置9收集，再先后經(jīng)環(huán)形器8的B端和C端，傳輸至分束器12;
[0013] 連續(xù)可調(diào)衰減器11的輸出端與分束器12的B端口連接，本振光與后向散射回的信 號通過分束器12混合后接入平衡探測器13,平衡探測器13的輸出端與A/D采集卡14的輸入 端連接，A/D采集卡14的輸出端與DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15的輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15的 輸出端與計(jì)算機(jī)16連接。
[0014] 進(jìn)一步的，若所述探測目標(biāo)物10為大氣氣溶膠，則該激光雷達(dá)用于探測大氣風(fēng)速。
[0015] 進(jìn)一步的，所述E0M2用于產(chǎn)生邊頻，其包括:振幅調(diào)制器、相位調(diào)制器和頻率調(diào)制 器。
[0016] 進(jìn)一步的，所述第一濾波器4包括:光纖布拉格光柵、Fabry-Perot干涉儀、M-Z干涉 儀、原子與分子吸收腔、Sagnac環(huán)和多層介質(zhì)膜干涉濾光片。
[0017] 進(jìn)一步的，所述信號發(fā)生器3用于提供E0M2的調(diào)制信號，其中信號發(fā)生器3輸出的 調(diào)制信號頻率決定了雙頻間距的大小。
[0018] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，其不僅可測量硬目標(biāo)的移動(dòng)速度，而且 可以測量大氣風(fēng)速。本發(fā)明通過連續(xù)光調(diào)制的方法產(chǎn)生雙頻激光，通過微波的方式提取多 普勒頻移信息，通過DSP數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了探測目標(biāo)速度實(shí)時(shí)顯示，雙頻探測方式降低了探 測目標(biāo)不平整和大氣湍流引起的散斑噪聲，具有探測精度高、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu) 點(diǎn)。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)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(shí)施例，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0020] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于單頻連續(xù)光Ε0Μ調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷 達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙波長激光器的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(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)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?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。
[0023] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于單頻連續(xù)光Ε0Μ調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)。如 圖1所示，其主要包括：
[0024] 連續(xù)光激光器1、電光調(diào)制器(E0M)2、信號發(fā)生器3、第一濾波器4、激光放大器5、第 二濾波器6、分束器7、環(huán)形器8、光學(xué)收發(fā)裝置9、連續(xù)可調(diào)衰減器ll、3dB分束器12、平衡探測 器13、A/D采集卡14、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15與計(jì)算機(jī)16,各個(gè)器件的連接關(guān)系如下：
[0025] 連續(xù)光激光器1的輸出端與Ε0Μ 2的輸入端連接，Ε0Μ 2輸出端與第一濾波器4的輸 入端連接，信號發(fā)生器(3的控制信號輸入端與Ε0Μ 2的控制信號輸出端連接，第一濾波器4 的輸出端與激光放大器5的輸入端連接，激光放大器5的輸出端與第二濾波器6的輸入端連 接，第二濾波器6的輸出端與分束器7的輸入端連接；
[0026] 所述分束器7用于將雙頻激光分成兩分，其中輸出端A輸出為信號光，輸出端B輸出 的為本振光;分束器7的輸出端A與環(huán)形器8的A端口連接，分束器7的輸出端B與連續(xù)可調(diào)衰 減器11的輸入端連接，
[0027] 環(huán)形器8的C端與分束器12的A端口連接;環(huán)形器8的B端口與光學(xué)收發(fā)裝置9連接， 光學(xué)收發(fā)裝置9出射的光束照射在探測目標(biāo)物10上，探測目標(biāo)物10后向散射回的信號經(jīng)光 學(xué)收發(fā)裝置9收集，再先后經(jīng)環(huán)形器8的B端和C端，傳輸至分束器12;
[0028] 連續(xù)可調(diào)衰減器11的輸出端與分束器12的B端口連接，本振光與后向散射回的信 號通過分束器12混合后接入平衡探測器13,平衡探測器13的輸出端與A/D采集卡14的輸入 端連接，A/D采集卡14的輸出端與DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15的輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15的 輸出端與計(jì)算機(jī)16連接。
[0029] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述連續(xù)光激光器1用于輸出雙波長激光。
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例中，若所述探測目標(biāo)物10為大氣氣溶膠，則該激光雷達(dá)用于探測大 氣風(fēng)速。
[0031] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述信號發(fā)生器3用于提供Ε0Μ 2的調(diào)制信號，其中信號發(fā)生器3 輸出的調(diào)制信號頻率決定了雙頻間距的大小。
[0032] 所述第二濾波器6用于濾除激光放大器5所產(chǎn)生的ASE噪聲。
[0033] 所述的光學(xué)收發(fā)裝置9可為焦距可調(diào)望遠(yuǎn)鏡，通過調(diào)焦可實(shí)現(xiàn)不同距離處的風(fēng)速 探測。
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述EOM 2用于產(chǎn)生邊頻，其包括但不限于:振幅調(diào)制器、相位調(diào) 制器和頻率調(diào)制器。
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述第一濾波器4包括但不限于:光纖布拉格光柵、Fabry-Perot 干涉儀、M-Z干涉儀、原子與分子吸收腔、Sagnac環(huán)和多層介質(zhì)膜干涉濾光片。
[0036] 所述第一濾波器4用于濾除激光中心頻率f。，參見圖2所示，f。為激光的中心頻率， 為調(diào)制頻率，心與5為調(diào)制獲得的邊頻，心與匕的距離和f 2與f。的距離相等為fm;第一濾波 器4濾除激光中心頻率fc，并且濾出邊頻&與5，從而產(chǎn)生了用于風(fēng)速探測的雙頻激光，雙頻 激光的間距為2fm。
[0037] 為了便于理解本發(fā)明，下面介紹基于連續(xù)光調(diào)制的雙頻相干測風(fēng)激光雷達(dá)的原 理。
[0038] 本發(fā)明通過單頻連續(xù)光Ε0Μ調(diào)制產(chǎn)生雙頻率激光，接下來將先介紹雙頻的產(chǎn)生，然 后闡述雙頻相干激光雷達(dá)測風(fēng)的原理。
[0039] 假定調(diào)制信號是一個(gè)時(shí)間的余弦函數(shù)，BP
[0040] a(t) =AmC〇s(fmt) (1)
[0041] 式中，Am為調(diào)制信號的振幅，為調(diào)制信號的角頻率。激光調(diào)制方法按調(diào)制的性質(zhì) 可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和強(qiáng)度調(diào)制。激光的電場可表示為
[0042] Ec(t) =Accos[fc · ?+Φ0(?)] (2)
[0043] 式中，Α。為振幅，f。為角頻率，(^⑴為相位角。當(dāng)進(jìn)行振幅調(diào)制時(shí)，Α。不再為常數(shù)， 其電場