[发明专利]全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及测风激光雷达，特别是一种全光纤多普勒相干激光测风雷达装置及其测量方法。

背景技术

多普勒相干测风激光雷达在国外已广泛应用于大气风场信息测量，包括晴空湍流、风切变、机场测风、飓风追踪及飞机轨迹涡流探测等，在国内车载多普勒相干测风激光雷达已有相关报道。采用激光雷达方式对风速测量可以弥补微波雷达在晴天时探测的不足，同时在测量时可以得到较高的风速测量精度和距离分辨率。为适应复杂多变的测量要求，同时适应动平台的多普勒相干测风激光雷达成为发展的趋势，对于低的对流层风速测量,在波段选择上以人眼安全的2.0μm或1.5μm相干激光雷达为主；全光纤紧凑型、低功耗和便于维护的激光测风雷达装置成为国内外研究的热点。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服传统风速测量方法的不足，提供一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置。该装置可以实现高风速测量精度和高距离分辨率的风速测量，可以满足不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速的风速测量需求。

根据权利要求1所述的全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，其特征在于所述的基本原理是基于激光的多普勒测量技术，通过激光器发射出两束激光，一束光作为信号光，通过望远镜和扫描器发射出去；一束光作为本振光用于相干探测；接收到回波信号光与本振光进行相干探测，得到回波信号光和本振光的频率差，这个频率差包含了多普勒频移信息，通过信号处理后得到多普勒频移信息对应的视线风速，再通过多组视线风速计算,同时校正平台运动状态,可以得到三维风剖面信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置，包括全光纤激光器和环形器，在所述的全光纤激光器的第一输出端与所述的环形器的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜，该望远镜与扫描器的第一输入端相连，所述的环形器的第三端口的输出方向是耦合器的第一输入端，所述的全光纤激光器的第二输出端与所述的耦合器的第二输入端相连，该耦合器的第一输出端与平衡探测器的第一输入端相连，该耦合器的第二输出端与平衡探测器的第二输入端相连，所述的平衡探测器的输出端与放大器的输入端相连，该放大器的输出端与模拟-数字采集卡的第一输入端相连，所述的模拟-数字采集卡的输出端与具有实时处理能力的数据处理单元的第一输入端相连，数据处理单元的输出端接实时显示和存储单元及其存储终端，所述的全光纤激光器的输入端为波形调制器的输出端，所述的波形调制器的输入端为控制器的第一输出端，所述的控制器的第二输出端与扫描器的第二输入端相连，控制器的第三输出端与模拟-数字采集卡的第二输入端相连，控制器的第四输出端与数据处理单元的第二输入端相连。

所述的全光纤激光器为单模保偏全光纤激光器，该全光纤激光器的第一输出端的激光频率为f₀+Δf,为脉冲光源；该全光纤激光器的第二输出端的激光频率为f₀，为连续光源。

所述的望远镜为发射和接收共光轴的望远镜系统。

所述的扫描器为旋转型光楔偏转镜或者两镜扫描镜，扫描方位角为0至360°范围。

所述的耦合器为2×2的光纤耦合器。

所述的放大器为模拟放大器。

所述的处理器内嵌具有实时处理能力的现场可编程门阵列（FPGA）与数字信号处理器（DSP），

所述的显示和存储单元及其存储终端是基于电脑(PC)。

所述的控制器为基于FPGA的指令控制单元。

本发明全光纤多普勒相干激光雷达风速测量装置的流程如下：

①激光器的第一输出端发出的激光作为信号光，该信号光由环形器的第一端口进入后由该环形器的第二端口输出后进入望远镜，通过扫描器偏转后发射，激光器的第二输出端发出的激光作为本振光进入耦合器的第二输入端，该信号的峰值频率为f₀；

②所述的激光器的第一输出端发出的激光根据波形调制器的输出信号具有脉冲宽度可调，脉冲形状可调，所述的激光器是具有激光脉冲重复频率可调，激光脉冲中间频率Δf可调的全光纤紧凑型脉冲激光器；

③所述的扫描器接收目标回波信号光后，经过扫描器的第一输入端反向进入望远镜，再通过所述的环形器的第二端口进入所述的环形器并经该环形器的第三端口进入耦合器的第一输入端，该信号频率为f₀+Δf+f_d；