一种全光纤相干测风激光雷达及其测风方法

摘要

本发明涉及测风激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种使用光子晶体激光器作为光源的全光纤相干测风激光雷达及其测风方法，一种全光纤相干测风激光雷达包括光子晶体激光器、光纤环形器装置、光探测装置、发射/接收光学装置及信号处理与激光驱动装置；本发明通过对信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流进行线性调制，以获得频移量较大的基频信号与回波信号，将基频信号与回波信号进行混频获得差频信号，对差频信号进行处理及计算，即可测得径向风速及风向。本发明一种全光纤相干测风激光雷达不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及风向。

说明书

技术领域

本发明涉及测风激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种使用光子晶体激光器作为光源的全光纤相干测风激光雷达及其测风方法。

背景技术

测风激光雷达技术应用多普勒效应，通过测量反射激光束的频移来测量风速。该技术主要分为两大类：直接测量方法和相干测量方法，由于直接测量方法通常使用F-P标准具来测量多普勒频移，需要相对复杂的光学系统，因此相干测量方法越来越受到大家的关注。

相干测量方法通过将基频信号和频移后的回波信号进行混频，得到差频信号后再经信号处理电路获得风速。由于在低风速下多普勒频移量比较小，基频信号与频移后的回波信号的频率差非常小，不容易获得，通常的做法是通过声光调频或其他外加调频办法来增大基频信号与频移后的回波之间的频率差，这不但增加了系统的复杂度和成本，给整个系统增加负荷，而且也降低了信号的信噪比，进而降低测得的风速的精度。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明旨在提供一种全光纤相干测风激光雷达及其测风方法，该全光纤相干测风激光雷达不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及径向风向。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种全光纤相干测风激光雷达，包括光子晶体激光器、光纤环形器装置、光探测装置、发射/接收光学装置及信号处理与激光驱动装置；所述光子晶体激光器发射激光信号，所述激光信号的波长根据驱动电流的变化在一定范围内进行线性调制；所述光纤环形器装置包括三个端口，光子晶体激光器发射的激光信号传输至第一端口，由第一端口输入的激光信号的一部分在第二端口端面处发生反射经第三端口传输至光探测装置，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口输入的激光信号的另一部分经第二端口传输至发射/接收光学装置并经其聚焦于探测点，由探测点反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口输入经第三端口传输至光探测装置；所述光探测装置用于将所述基频信号与回波信号进行混频得到差频信号；所述信号处理与激光驱动装置给光子晶体激光器提供驱动电流并对接收自光探测装置的差频信号进行处理得到探测点的径向风速及风向。

上述方案中，通过使用光子晶体激光器作为激光信号源，并对信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流进行线性调制，使光子晶体激光器直接发射出调制后的激光信号，利用光纤环形器装置获取该激光信号的基频信号与回波信号，利用光探测装置对基频信号与回波信号进行混频得到差频信号，通过计算该差频信号即可实现探测点的径向风速及风向的测量。该全光纤相干测风激光雷达不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及风向。

优选地，为了进一步增大基频信号与回波信号之间的频率差，以提高测得的径向风速及风向的精度，将信号处理与激光驱动装置给光子晶体激光器提供的驱动电流按照连续的三角波进行调制。

优选地，该全光纤相干测风激光雷达还包括将光子晶体激光器发射的低功率激光信号放大至所需功率光纤的光放大装置。这样设置可以更进一步增大基频信号与回波信号之间的频率差，有助于提高测得的径向风速及风向的精度。

优选地，所述光放大装置为EDFA光放大装置。EDFA光放大装置不但成本低，而且放大激光信号时噪音低，可以保证激光信号的信噪比。

优选地，所述探测点为发射/接收光学装置的焦点位置。

优选地，所述激光信号在单模光纤中进行传输。单模光纤色散小，可以保证传输的激光信号的频率，有助于提高测得的径向风速及风向的精度。

本发明的另一个目的是提供一种全光纤相干测风激光雷达的测风方法，包括如下步骤：

1.1）获取调制后的激光信号；将信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流按照线性方式进行调制，使光子晶体激光器发出调制后的激光信号；

1.2）获取基频信号与回波信号并将基频信号与回波信号传输至光探测装置；将获取的调制后的激光信号传输至光纤环形器装置的第一端口，由第一端口输入的激光信号的一部分在第二端口端面处发生反射经第三端口传输至光探测装置，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口输入的激光信号的另一部分经第二端口传输至发射/接收光学装置并经其聚焦于探测点，由探测点反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口输入经第三端口传输至光探测装置；

1.3）根据基频信号与回波信号获取差频信号；光探测装置将基频信号与回波信号进行混频，获取差频信号；

1.4）根据差频信号计算探测点的径向风速及径向风向；信号处理与激光驱动装置接收差频信号并对其进行处理及计算即可得到探测点的径向风速及风向。

优选地，步骤1.1）所述的信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流按照连续的三角波进行调制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种全光纤相干测风激光雷达，通过使用光子晶体激光器作为光源，对其所发出的激光束进行直接频率调制，不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及风向；通过对信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器驱动电流按照连续的三角波进行调制，可以进一步提高测得的径向风速及风向的精度；通过使用全光纤的形式进行信号传输，可以保证传输信号的信噪比，以免因信噪比降低影响测得的径向风速及风向的精度；本发明一种全光纤相干测风激光雷达的测风方法，方法简单，容易实现，且测量的精度高。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明中测风方法在顺风时基频信号、回波信号及差频信号的波形图。

图3为本发明中测风方法在逆风时基频信号、回波信号及差频信号的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

本实施例一种全光纤相干测风激光雷达的结构示意图如图1所示，包括光子晶体激光器1、光纤环形器装置4、光探测装置6、发射/接收光学装置5及信号处理与激光驱动装置7；光子晶体激光器1发射激光信号，激光信号的波长根据驱动电流的变化在一定范围内进行线性调制；光纤环形器装置4包括三个端口，光子晶体激光器1发射的激光信号传输至第一端口41，由第一端口41输入的激光信号的一部分在第二端口42端面处发生反射经第三端口43传输至光探测装置6，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口41输入的激光信号的另一部分经第二端口42传输至发射/接收光学装置5并经其聚焦于探测点8，由探测点8反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口42输入经第三端口43传输至光探测装置6；光探测装置6用于将基频信号与回波信号进行混频得到差频信号；信号处理与激光驱动装置7给光子晶体激光器1提供驱动电流并对接收自光探测装置6的差频信号进行处理得到探测点8的径向风速及风向。本实施例中的探测点8为发射/接收光学装置5的焦点位置，在发射/接收光学装置5的焦点位置处信号的强度最强，信号损失最少。

测风时，将信号处理与激光驱动装置7提供给光子晶体激光器1的驱动电流按照连续的三角波进行调制，使光子晶体激光器1发出调制后的激光信号；调制后的激光信号传输至光纤环形器装置4的第一端口41，由第一端口41输入的激光信号的一部分在第二端口42端面处发生反射经第三端口43传输至光探测装置6，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口41输入的激光信号的另一部分经第二端口42传输至发射/接收光学装置5并经其聚焦于探测点8，由探测点8反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口42输入经第三端口43传输至光探测装置6；光探测装置6将基频信号与回波信号进行混频，即可获取差频信号，图2为顺风情况的差频信号的波形图，图3为逆风情况的差频信号的波形图；信号处理与激光驱动装置7接收该差频信号并对其进行处理及计算，即可得出多普勒频移的数值，计算出探测点8的径向风速，再根据差频信号的波形，即可判断出径向风向。通过循环整个测量过程，即可实现对探测点8径向风速及风向的实时监控，通过使用不同的发射/接收光学装置5，即可测量不同距离的探测点8处的径向风速及风向。本发明不但复杂度低、成本低，通过对光子晶体激光器1的驱动电流进行直接连续的三角波调制，使光子晶体激光器1发射出信噪比较高的激光信号，可以实现高精度的径向风速及风向的测量。

其中，本实施例在光子晶体激光器1与光纤环形器装置之间还设置了光放大装置2，光放大装置2将光子晶体激光器1发射的低功率激光信号放大至所需功率光纤，这可以更进一步增大基频信号与回波信号之间的频率差，有助于提高测得的径向风速及径向风向的精度。该光放大装置2为EDFA光放大装置，EDFA光放大装置不但成本低，而且放大激光信号时噪音低，可以保证激光信号的信噪比。

另外，激光信号在单模光纤3中进行传输，单模光纤3色散小，可以保证传输的激光信号的频率，有助于提高测得的径向风速及风向的精度。

一种全光纤相干测风激光雷达的测风方法，包括如下步骤：1.1）获取调制后的激光信号；将信号处理与激光驱动装置7提供给光子晶体激光器1的驱动电流按照连续的三角波进行调制，使光子晶体激光器1发出调制后的激光信号；1.2）获取基频信号与回波信号并将基频信号与回波信号传输至光探测装置6；将获取的调制后的激光信号传输至光纤环形器装置4的第一端口41，由第一端口41输入的激光信号的一部分在第二端口42端面处发生反射经第三端口43传输至光探测装置6，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口41输入的激光信号的另一部分经第二端口42传输至发射/接收光学装置5并经其聚焦于探测点8，由探测点8反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口42输入经第三端口43传输至光探测装置6；1.3）根据基频信号与回波信号获取差频信号；光探测装置6将基频信号与回波信号进行混频，获取差频信号；1.4）根据差频信号计算探测点的径向风速及径向风向；信号处理与激光驱动装置7接收差频信号并对其进行处理及计算即可得到探测点的径向风速及风向。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。