一种多光束非扫描相干探测多普勒测风激光雷达光学系统

摘要

本发明公开了一种多光束非扫描相干探测多普勒测风激光雷达光学系统，该系统包括：光学天线、多路探测光纤、光纤转换器、耦合器、激光器、光纤环路器和探测器，其中，光纤转换器、耦合器、激光器、光纤环路器和探测器通过选通操作与光学天线、多路探测光纤形成多路探测通道，各路探测通道分别完成对特定方向径向风速的探测，其中，本发明多路不同方向视场信号收发共用一个光学镜头，能同时收发多路探测光束，对空间风场三维矢量进行探测，克服了传统扫描激光雷达光学系统的缺点，有利于雷达系统的轻小型化，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相干多普勒测风激光雷达光学系统，特别是一种收发 合置、同时收发多路探测光束，对空间风矢量进行探测的测风激光雷达光 学系统。

背景技术

伴随着激光技术和光纤技术的迅猛发展，多普勒雷达系统向着高可靠 度、轻小型化、多功能、长使用寿命等目标稳步前进。近年来，全光纤多 普勒雷达系统倍受青睐。光纤激光器、光环路器等光纤器件的引入使系统 在结构布局上灵活多变，外形尺寸减小，系统具有良好的抗冲击振动、温 度变化干扰的能力、使用寿命长等优点。

多普勒测风雷达只能测量视线方向风速，要想获得风矢方向，至少需 要同时进行三个方向的探测。目前，风矢测量方式主要有两种：凝视探测 或扫描模式，其中，凝视探测模式需要多套信号收发系统，体积庞大；扫 描模式测量主要依靠扫描机构带动光学系统做锥形或垂直平面扫描，从而 完成风矢测量，但上述机械扫描结构的引入不利于雷达系统的轻小型化， 并且，由于各个方向的机械扫描均需一定的时间，因此在风场变化较快的 情况下，难以完成实时探测任务。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种相干测风激 光雷达光学系统，本发明光学系统中四路不同方向的视场信号收发共用一 个光学镜头，这样就能够同时收发多路探测光束，进而对空间风场矢量进 行探测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明多路信号收发同体，能同时收发四路探测光束，对空间 风场进行探测，单个系统单次探测就能完成风场三维测量。

(2)本发明回波信号经光学系统接收直接耦合进光纤，耦合效率在 65％以上。

(3)本发明不仅克服了传统雷达光学系统不能同时收发多路信号光 的缺点，有利于雷达系统的轻小型化，具有诱人的应用前景。

附图说明

图1是非扫描型相干测风激光雷达风矢测量原理图。

图2是本发明的某一探测通道原理示意图。

图3是本发明光学天线多路光束收发原理示意图。

图4是光学天线结构简图。

图5是光学天线各视场点列图。

图6是光学天线各视场波像差图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图对本发明内容作进一步的说明。

图1是非扫描型相干测风激光雷达风矢测量原理图，如图1所示，约 定正东方向为零度方位角，顺时针方向为角度的正方向。以天顶角，方位 角表示探测光束空间位置。测风激光雷达系统分别以(0°，0°)、(12.5°， 0°)、(10°，135°)和(10°，225°)四个方向向空间风场发射激光光束，各 方向对应图1中所标出的①、②、③、④四路探测通道。理论上，测得三 个方向的径向风速便可以反演三维风场信息。在本发明一实施例中，为提 高探测精度，增加了一路天顶角为0°的探测通道，这样与四个探测通道 对应的光纤为四根，各光纤纤芯直径为10μm，数值孔径NA＝0.12，且接 收(出射)端面垂直于对应视场的主光线。本发明光学系统四路不同方向 视场信号收发共用一个光学镜头，能同时收发多路探测光束，对空间风场 矢量进行探测。

本发明测风激光雷达光学系统包括光学天线、多路探测光纤、光纤转 换器、耦合器、激光器、光纤环路器和探测器，其中，光纤转换器、耦合 器、激光器、光纤环路器和探测器通过选通操作与光学天线、多路探测光 纤形成多路探测通道，各路探测通道分别完成对特定方向径向风速的探测， 如图2所示，对于某一路探测通道而言：

所述激光器用于发出激光，并通过耦合器进入所述光纤环路器；

其中，所述激光的轴向光强可近似认为服从高斯分布，其光波电磁场 表示为：

$E\left(t\right)=\sqrt{2p}\exp [-j(2\pi \nu t+\phi )]---\left(1\right)$

其中，p为放大后的激光功率，ν为激光频率，φ定义为激光初始相位。

所述光纤环路器用于将接收到的激光器发出的激光光波通过光纤传 输到光纤转换器中；

其中，所述激光光波经过光纤环路器后分为两路：信号光S(t)和本振 光R_o(t)，其中，本振光由光纤端面后向反射 产生，其中，ρ为光纤端面反射率，为本振光传播到探测器光敏面时的 相位值，就目前的工艺水平而言，可以通过在光纤端面镀膜或者修切光纤 端面角度来调整本振的光强；信号光经光学天线后出射，由 于大气中气溶胶等粒子的散射，部分后向散射信号光重新被光学天线接收， 所述被光学天线接收的后向散射信号光可表示为：

其中，τ为光学系统透过率，Δν为多普勒频移，为第i个气溶胶粒 子散射引入的相位因子。

考虑单个气溶胶粒子后向散射的情况，此时后向散射信号光表示为：

其中，为气溶胶粒子后向散射信号光传播到探测器光敏面时的相位 值。

所述光纤转换器用于分时选通多个探测通道，某时间段内被选通的探 测通道激光经相应的通道光纤和光学天线出射到探测空域；

探测光束经大气气溶胶颗粒散射，后向散射光重新被光学天线接收并 耦合进对应光纤中并经光纤环路器传输到探测器上，后向散射信号光与本 振光在探测器光敏面上相干叠加；

所述探测器用于将其光敏面上变化的光强转变为按同样规律变化的 电流或电压输出。

其中，探测器光敏面上的光强分布可表示为：

$\begin{array}{c}I=R_s\left(t\right)·{R_s}^{*}\left(t\right)+R_o\left(t\right)·{R_o}^{*}\left(t\right)+2\mathrm{Re}[R_s\left(t\right)·{R_o}^{*}\left(t\right)]\\ =I_1+I_2+I_3\end{array}---\left(4\right)$

式中，I₁、I₂、I₃分别表示后向散射信号光、本振光和外差信号在光敏 面上的强度分布。

滤除I₁、I₂直流分量后获得包含频移信息的I₃：

式中，回波信号与本振光相位差

若所述探测器满足平方律特性且表面量子效率均匀分布，那么外差探 测得到的光电流i(t)∝I₃。通过对探测器输出的光电流进行相关处理，得 到多普勒频移Δν，代入等式(2)即可求得径向风速：式 中正负号与气溶胶粒子相对雷达系统的运动方向有关，两者相向运动取正 号，反之取负号。

利用上述测风雷达光学系统的四路探测通道可测得四个径向风速，即 可反演得到风场三维信息。实际风速在直角坐标系中可表示为： 其在四个探测方向上的投影分别为V_r1、V_r2、V_r3和V_r4，根 据几何关系联立方程，求解此矛盾方程，可以得到空间风场速度的最小二 乘解。

$\left(\begin{array}{ccc}\sin \theta & 0& \cos \theta \\ \sin \theta \cos \alpha & -\sin \theta \sin \alpha & \cos \theta \\ \sin \theta \cos \beta & -\sin \theta \sin \beta & \cos \theta \\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_{r1}\\ V_{r2}\\ V_{r3}\\ V_{r4}\end{array}\right)---\left(6\right)$

图3是本发明光学天线多路光束收发原理示意图，参照图3，四根光 纤对应着四路探测通道，光纤的一端位于光学天线焦平面上，分别对应着 天顶角和方位角为(0°，0°)、(10°，135°)、(10°，225°)、(12.5°， 0°)四个探测方向。四个探测方向又分别对应着光学天线(0°，0°)、 (10°，10°)、(-10°，10°)、(0°，-12.5°)四个视场。各光纤纤芯 直径为10μm，数值孔径NA＝0.12，且接收(出射)端面垂直于对应视场 的主光线。

激光器中耦合进光纤环路器中的激光经光纤转换器通道选通和光学 天线扩束准直后出射到探测空域；探测光束经空域气溶胶颗粒后向散射后， 重新被光学天线接收并聚焦后耦合到光纤环路器中。光学天线在四个视场 上与光纤转换器、光纤环路器配合工作，光纤转换器快速选通不同探测通 道，实现信号收发同体，多路光束并行探测，完成非扫描风矢信息测量。 光学天线系统相对口径为1:4.28，全视场角为20°×22.5°，总长为277mm， 后截距为127.28mm，有效焦距为300mm，口径为70mm，图4是光学天 线结构简图，如图4所示，光学天线一共由五个透镜L1～L5组成，其中包 括一个双胶合透镜L2，光阑设置在第三个折射面上。

光学天线的第一透镜L1由曲率半径为79.07mm、-2512mm的两个球 面构成，光轴方向中心厚度13.66mm，玻璃材料为BAF9。

进一步的，光学天线的第二透镜L2与第一透镜L1光轴方向的距离为 12.2mm，为由曲率半径为-274.2mm、110.45mm和139.96mm三个球面构 成的双胶合透镜，第一面到第二面光轴方向中心厚度5mm，第二面到第三 面光轴方向中心厚度6mm，第三面为光阑面，玻璃材料依次为SF59和 SSK4A。

进一步的，光学天线的第三透镜L3与第二透镜L2光轴方向距离为 24.27mm，由曲率半径为95.5mm、-196.34mm的两个球面构成，光轴方向 中心厚度17mm，玻璃材料为LAKL12。

进一步的，光学天线的第四透镜L4与第三透镜L3光轴方向距离为 24.4mm，由曲率半径为-140.47mm、-1355.2mm的两个球面构成，光轴方 向中心厚度14.4mm，玻璃材料为K50。

进一步的，光学天线的第五透镜L5与第四透镜L4光轴方向距离为 13.6mm，由曲率半径为-74.99mm的球面和近轴半径为-163.31mm的偶次 方非球面构成，偶次方非球面4、6、8和10阶系数分别为5.9547E-007、 5.12E-011、1.2307E-014和-4.242E-018。两个曲面光轴方向中心厚度 19.26mm，玻璃材料为N-SK2。

上述透镜材料均为ZEMAX中德国肖特玻璃库中所定义的玻璃材料。

所述光学天线的结构参数如表1所示：

表1 光学天线结构参数表

图5是光学天线各视场点列图，参照图5，本发明的光学天线实施例 像面上最大弥散斑几何均方根半径为4.258μm，小于纤芯半径，满足光纤 耦合要求。

图6是光学天线各视场波像差图，参照图6，本发明的光学天线各视 场波像差PV值小于0.26λ，RMS小于0.07λ，光学系统具有很高的成像质 量，足以满足雷达系统相干探测效率损失小于3dB的要求(1/5λ<波像差 RMS<1/10λ)。

总体来说，本发明的相干测风激光雷达光学系统，四路不同方向视场 信号收发共用一个光学天线，能同时收发多路探测光束，对空间风场矢量 进行探测，且各视场光纤耦合效率达到65％以上。克服了传统扫描激光雷 达光学系统的缺点，有利于雷达系统的轻小型化，具有广阔的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。