[发明专利]脉冲激光相干测风雷达

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于测量中远程大气风场的风速风向的脉冲激光相干测风雷达。更具体地说本发明涉及一种利用激光多普勒效应和相干探测原理，采用全光纤连接传输，收发天线合一的一体化、模块化的中远程测风激光雷达。

背景技术

现有技术中用于测量大气风场风速风向的雷达系统，是利用大气中随风漂移的微小颗粒对激光散射回波的多普勒频移效应来测量大气风场的。一般也采用具有无需直接接触、测量精度高、作用距离远等特点的相干探测方式。比如美国专利号US20070171396A1公开的名称为“激光雷达装置和方法”的专利，就是这样的雷达系统。它是由两台激光器作为发射源，一台作为主振激光，一台作为本振激光。主振激光经过变焦系统后聚焦在大气空域中，大气中随风漂移的微小颗粒对激光散射回波中包含了多普勒频移信号，回波信号与本振激光进行混频后由探测器接收，再经过信号处理器对信号进行分析处理，从而得到聚焦点处的径向风速信息。经过对同一风层的圆锥扫描和对不同风层的扫描最终得到探测空域的整体风场信息。该专利采用两台分离的激光器作为发射源，对两者的频率稳定性和偏振性都有较高的要求。其光路采用传统的多镜片空间传输结构，光路调节困难，各光学镜片需用对激光器偏振方向一致的元件，加工困难大，制造成本高，费用昂贵的缺陷。另外，它在远距离探测时，由于回波信号较弱，其采用直接将光信号转化为电信号再进行处理的方法，会造成信号信噪比较低，容易导致信号误判或丢失，而影响测量精度。

发明内容

本发明是对现有技术的进一步改进和发展，其目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种测量精度高、结构简单、安装调试方便、体积小巧的脉冲激光相干测风雷达。

为了达到上述目的，本发明提供的一种脉冲激光相干测风雷达，包括光纤脉冲激光发射系统14、光学收发扫描系统15、光学环行器5、光纤合束器8、平衡光电探测器9和信号采集处理器10，其特征在于，作为发射源的光纤脉冲激光发射系统14产生两束激光，一束为用于相干探测本振光的功率较小连续激光，另一束用于风场探测的高重频脉冲序列激光，两束激光经过光学环行器5直接耦合进入光学收发扫描系统15向目标空域16准直发射，光学环形器5利用偏振分束特性将发射光与空中气溶胶散射回波光进行隔离分束，选择空中气溶胶散射回波进入光纤合束器8，将光纤脉冲激光发射系统产生的其中一束激光作为本振光与回波光混频输入平衡放大光电探测器9对混频信号进行光学放大，并转换为中频电信号，经信号采集处理器10采集处理，计算出当前激光发射指向上各距离门的径向风速，并将每一个风场测量周期对应检测出的多普勒频率值数据传送至雷达操作显示界面11。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明利用大气中随风漂移的微小颗粒对激光后向散射回波的多普勒频移效应来测量大气风场。光纤脉冲激光发射系统14通过光学收发扫描系统15向目标空域16准直发射，回波信号与本振光进行混频，混频信号聚焦在光电探测器9上，对输出的中频信号进行处理后，检测出对应的多普勒频率值，计算得出目标空域16的径向风速大小，只用一套线宽极窄的、确定偏振方向的脉冲激光发射系统14作为发射源，利用光学环形器5的偏振分束特性将发射光与回波光进行隔离分束而实现收发光学天线共孔径，省去了双光学天线系统带来的一系列问题，简化了系统的结构，使系统更加可靠稳定。采用平衡放大光电探测器对混频信号进行光学放大，提高雷达系统的信躁比，大大增加了系统的测量精度。

本发明采用全光纤光路结构，通过光学收发扫描系统15进行风场扫描，雷达系统对各扫描方向的数据进行计算和处理，得到各扫描方向上不同距离门的水平和垂直风速，以上数据进行反演后可得到测量空域的风场分布，解决了现有技术光路调节困难，制造成本高，容易导致信号误判或丢失影响测量精度的问题。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。

图1是本发明脉冲激光相干测风雷达原理框图。

图2是本发明脉冲激光相干测风雷达的大气后向散射原理图。

图3是本发明脉冲激光相干测风雷达的风场扫描示意图。

图4是本发明脉冲激光相干测风雷达的距离门划分示意图。