[发明专利]基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达

说明书

本发明公开了一种基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达。本发明使用带通滤波器滤除回波信号电流中的气溶胶米散射信号，并使用前置放大器对分子瑞利散射信号进行放大。使用可调带通滤波器对放大后的瑞利信号进行范围内的扫描滤波，实现电学上的扫描式鉴频器结构。本发明既使用了相干探测中，对弱信号具有放大作用、检测灵敏度高的优点，又利用了直接探测中使用鉴频器对回波信号进行鉴频，数据处理计算量小的优点。解决了传统相干测风激光雷达无法探测分子宽谱瑞利信号的问题，实现了相干多普勒测风激光雷达在测温和中高空探测的应用。

技术领域

本发明涉及本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达。

背景技术

全球风场的主动观测被世界气象组织称为最具意义和挑战性的气象观测之一。在大气风场的探测中，常用的手段有气象气球、声呐探测器、微波测风雷达、测风激光雷达等。激光雷达作为热门的主动大气遥感手段，具有体积小、测量精度高、时间和空间分辨率高等优点，非常适合要求测量速度快、机动性高、隐蔽性好的实战应用场所。测风激光雷达分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。相干测风激光雷达基本结构如图1：连续波激光器产生中心频率为υ₀的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υ_M的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ_d，则回波信号中心频率为υ₀+υ_M+υ_d，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υ_M+υ_d的IF电信号，再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。得益于光纤通信技术的发展，基于1550nm通信波段的全光纤激光雷达技术近年来发展迅速。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的相干激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2014年报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。

本发明的发明人研究发现：由于相干探测的限制，以上相干多普勒测风激光雷达只对后向散射信号中窄带的气溶胶米散射信号敏感，无法对宽谱的分子瑞利散射信号进行探测，目前为止，尚未发现基于大气分子回波信号的相干激光雷达。由于气溶胶几乎全部分布在边界层以内，所以相干多普勒测风激光雷达无法用于中高层大气风场的测量。由于相干探测无法探测分子的瑞利散射信号，因而无法检测大气温度，而温度是大气状态的重要参数之一。温度数据在大气动力学、气候学和大气化学领域，在研究全球气候变暖、中间逆温层、地球重力波等科学问题上扮演着重要角色。因此，以上不足限制了相干多普勒测风激光雷达在分子瑞利散射信号检测领域的应用。

发明内容