[发明专利]单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达

说明书

本发明公开了一种单腔F‑P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，该激光雷达使用单腔光纤F‑P干涉仪作为鉴频器，利用单腔光纤F‑P干涉仪的透射曲线和反射曲线构成双边缘，采用透射曲线和反射曲线的交叉点锁定激光出射频率，从而实现双边缘风速探测技术。本发明采用时分复用技术，通过在光纤F‑P干涉仪的反射光路中增加低损耗的延时光纤，实现单个探测器同时采集光纤F‑P干涉仪的透反信号。本发明仅使用单腔光纤F‑P干涉仪和单个探测器实现双边缘探测，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。

技术领域

本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达。

背景技术

测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型、提高军事环境预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际民航机构、世界气象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探测系统的研究与开发。

多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光相干的方式探测风速探测。直接探测则利用鉴频器将多普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。直接探测可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采用F-P干涉仪(Fabry–Perot interferometer，法布里-珀罗干涉仪)或Fizeau干涉仪(斐索干涉仪)产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气后向散射信号的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、Michelson干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪(马赫-曾德干涉仪)等高分辨鉴频率器。

采用边缘技术的测风激光雷达中，F-P干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度，针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛的鉴频器。国外开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的研究单位主要有法国的OHP观测站、美国NASA、欧空局(European Space Agency,ESA)、德国、英国、挪威、联合建设的北极激光雷达观测站(ALOMAR,Arctic Lidar Observation of Middle AtmosphereResearch)，同时，丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展基于直接探测测风激光雷达的研究单位主要有中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学等。

传统的双边缘测风激光雷达中需采用两个F-P干涉仪或者双通道F-P干涉仪，同时双通道探测需要配备两个探测器，多个F-P干涉和多个探测器的系统存在如下缺点：

1)F-P干涉仪和探测器造价高，从而导致系统成本高；2)激光雷达信号的利用率不高，多通道探测通过分光器件实现，而F-P干涉仪的反射信号被浪费；3)两个F-P干涉仪和两个探测器的系统，无法避免工作时环境不一致所引入的系统误差，如环境温度不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处于振动环境下时，两个探测器的耦合效率不同；另外，光学污染和探测器老化问题也无法避免引起探测器的差异；4)双通道导致光路调节困难，并且增加了系统校正参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：