[发明专利]相干测风激光雷达信号检测解调装置

说明书

技术领域

本发明涉及相干测风激光雷达，特别是一种相干测风激光雷达信号检测解调装置。

背景技术

在全球范围内获取高分辨率的大气风场数据信息以及对三维风场的直接测量使得多普勒激光测风雷达得到了越来越多的关注。通过测量气溶胶和分子的散射信号，获得实时大气参数，为各种天气变化做出预警。迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场轮廓线的有效工具，具有广阔的发展前景。

相干激光测风技术的发展，不仅取决于激光技术本身的长期发展，同时还取决于各种器件、探测技术、数据采集和控制技术的产生和快速发展。为了获得相干探测所具有的高灵敏度和信噪比，就必须对雷达回波信号的检测解调等关键技术进行研究，充分发挥相干测风激光雷达在微弱信号探测方面的独特性能和优越的探测能力。

多普勒测风激光雷达从探测技术上可分为相干探测和直接探测两种。直接探测通过调节发射机的发射频率，直接探测回波信号，利用发射信号和接收信号之间的频率差推算出时间延迟，从而获得风场信息。相干探测则是在直接探测的基础上引入一束参考光束进行测量。相对于直接探测而言，相干探测具有更高的灵敏度，显著提高了接收信号的信噪比，其灵敏度比非相干系统提高了3～4个数量级，并且已有大量详细的理论和实验研究证明了相干探测体制的优势。

国内对测风激光雷达的研究主要集中在直接探测激光雷达方面，中国海洋大学和中科院安徽光学精密机械研究所在该方面做了大量的研究并获得了相关的风场数据信息。而对相干测风激光雷达方面技术的研究仍是一项研究空白。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种相干测风激光雷达回波信号检测解调装置，该装置应具有实时、连续测量解调、集成度高、操作简便的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种相干测风激光雷达信号检测解调装置，特点是其构成包括脉冲光监测模块、回波信号光相干检测模块、信号正交解调模块和信号放大调理模块四部分，光电二极管、第一带通滤波器和第一放大器依次连接构成脉冲光监测模块；雪崩探测器、第二带通滤波器和第二放大器依次连接构成了回波信号光相干检测模块；正交解调芯片构成了信号正交解调模块；第一低通滤波器和第三放大器、第二低通滤波器和第四放大器构成了具有双路信号放大的信号放大调理模块；输出双路信号传递给下级的数据采集卡，其位置关系是：光电二极管接收本振激光和脉冲激光在本装置表面相干混频后产生的拍频光信号，其输出的电信号经第一带通滤波器和第一放大器后，得到脉冲光监测模块的输出信号；雪崩探测器接收本振激光和米氏散射回波光信号在本装置表面相干混频后产生的拍频光信号，该电信号经第二带通滤波器和第二放大器后，得到回波信号光相干检测模块的输出信号，所述的脉冲光监测模块的输出信号和回波信号光相干检测模块的输出信号由所述的正交解调芯片作用，得到相位差为90°的两路正交信号，再分别由信号放大调理模块中的第一低通滤波器、第三放大器和第二低通滤波器、第四放大器后，最终得到相干测风激光雷达信号检测解调装置的两路输出信号，这两路输出信号最终送入数据采集卡进行后期的数据处理和显示。

所述的光电二极管为1064nm的PIN光电二极管(P-type intrinsicN-type Photo Diode，以下简称为PIN光电二极管)。

所述的构成信号正交解调模块由正交解调芯片RF2713构成。

工作过程如下：

雪崩探测器接收含有风场信息的散射回波光信号和本振激光在该探测器表面相干混频后产生的拍频，其输出的电信号经第二带通滤波器和第二放大器作用后，得到回波信号光相干检测模块的输出信号。与此同时，PIN光电二极管接收本振激光和脉冲激光在本发明装置表面相干混频后产生的拍频光信号，输出的电信号经第一带通滤波器和第一放大器作用后，得到脉冲光监测模块的输出信号。脉冲光监测模块的输出信号和回波信号光相干检测模块的输出信号再由信号正交解调模块中的正交解调芯片RF2713作用，得到相位相差90°的两路正交信号，并由信号放大调理模块IV中的第一低通滤波器、第三放大器和第二低通滤波器、第四放大器分别作用，最终得到相干测风激光雷达信号检测解调装置的两路输出信号，这两路输出信号送入数据采集卡进行后期的数据处理和显示。

由于相干测风激光雷达工作环境和雷达内部构成器件而引入的频率漂移，在装置内用一个PIN光电二极管监测脉冲激光频率的漂动情况，并为后期数据处理时的时序抖动纠错，以免影响相干探测中的测量精度和探测信噪比。