基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达

摘要

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。

说明书

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

本发明的目的是提出基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达。在光电探测器后使用带通滤波器滤除强度较大的气溶胶米散射信号，并使用前置放大器对瑞利信号进行放大；使用可调带通滤波器对放大后的瑞利信号进行处理，形成电学上的扫描式鉴频器，实现频谱选通，实现信号频域到强度的直接转换，得到瑞利信号的谱宽。本发明既利用了相干探测灵敏度高，对弱信号放大性好的优点，又利用了直接探测数据处理计算量小的特点。

本发明是这样实现的：

基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、光纤环形器、望远镜、混频器、光电探测器、带通滤波器、前置放大器、功率分配器、可调带通滤波器、多通道采集卡和数字信号处理模块；其中，

连续波激光器的输出端与光纤分束器的入光口连接，所述光纤分束器将输入的光信号分为信号光和本振光，信号光接入光调制器的入光口，光调制器的出光口连接激光放大器的入光口，激光放大器的出光口连接光纤环形器的输入端，光纤环形器的收发端连接望远镜，光纤环形器的输出端连接混频器的第一输入端；本振光接入混频器的第二输入端；混频器的输出端连接光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接前置放大器的输入端；前置放大器的输出端连接功率分配器的输入端；功率分配器的第一输出端连接多通道采集卡的第一输入端，功率分配器第二输出端连接可调带通滤波器的输入端；可调带通滤波器的输出端连接多通道采集卡的第二输入端，多通道采集卡输出端连接数字信号处理模块。

进一步地，所述光调制器为电光调制器。

进一步地，所述光调制器为声光调制器。

进一步地，所述光电探测器为平衡探测器。

进一步地，所述激光放大器为掺铒光纤放大器。

进一步地，所述可调带通滤波器的中心频率为0-1GHz可调，通带带宽为100MHz。

进一步地，所述功率分配器为一分二功率分配器。

进一步地，所述连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、光纤环形器、望远镜、混频器和光电探测器之间均采用保偏光纤连接。

本发明还提供了基于上述的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的温度测量方法，包括：

连续波激光器输出激光至光纤分束器；

光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；

信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后输入光纤环形器，由望远镜出射；

本振光输入混频器；

望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号，并将接收到的回波信号经光纤分束器输出；光纤分束器输出的回波信号输入至混频器中与本振光混频，混频后的光信号输出至光电探测器；

光电探测器将输入信号转换为IF信号输出至带通滤波器；

带通滤波器滤除窄带米散射电信号后，将信号输入前置放大器；前置放大器对分子瑞利信号进行放大，并将放大后的信号输入功率分配器；

功率分配器的输出的一部分信号作为参考信号输入多通道采集卡的一个输入口，功率分配器输出的第二部分信号输入可调带通滤波器进行信号处理；

可调带通滤波器对信号进行扫描，形成电学上的扫描式鉴频器，得到不同频率处信号强度的分布；

多通道采集卡接收功率分配器输出的参考信号和可调带通滤波器输出的信号后输出至数字信号处理模块；

数字信号处理模块通过对信号强度分布的拟合，得到信号的展宽，根据信号的展开得到对应探测距离处的温度。

本发明还提供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，包括：连续波激光器、分束器、光调制器、激光放大器、环形器、望远镜、混频器、光电探测器、带通滤波器、前置放大器、功率分配器、可调带通滤波器、多通道采集卡和数字信号处理模块；其中，

连续波激光器输出的光信号经分束器后分为信号光和本振光，信号光输入光调制器调制后，输入到激光放大器，激光放大器将输入的光信号放大后输出到环形器的输入端，环形器的收发端连接望远镜，从光纤环形器的输出端输出的光信号输入到混频器的第一输入端；本振光接入混频器的第二输入端；从混频器输出的光信号输入光电探测器；从光电探测器的输出的信号输入带通滤波器，带通滤波器的输出端连接前置放大器的输入端；前置放大器的输出端连接功率分配器的输入端；功率分配器的第一输出端连接多通道采集卡的第一输入端，功率分配器第二输出端连接可调带通滤波器的输入端；可调带通滤波器的输出端连接多通道采集卡的第二输入端，多通道采集卡输出端连接数字信号处理模块。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用可调带通滤波器对探测信号进行滤波，形成电学上的扫描式鉴频器，实现频谱选通，将信号的频域变化转换为强度变化，不需要进行FFT变换便可以提取信号频域信息。本发明同时利用了相干探测和直接探测的优点，实现相干多普勒测风激光雷达对宽谱微弱瑞利信号的探测。

(2)本发明使用带通滤波器滤除气溶胶米散射信号；由于气溶胶米散射信号强度是分子瑞利散射信号强度的100倍以上，使用带通滤波器滤除米散射信号后，再使用前置放大器对瑞利信号进行放大，可以防止放大器饱和，同时可以提高后续探测电路的灵敏度。

(3)本发明采用功率分配器将放大后的瑞利信号分出一路作为参考信号，可以去除光电探测器或放大器不稳定造成的信号探测误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为传统相干测风激光雷达的原理图；

图2为本发明提供的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的结构框图；

图3为单个距离门处，带通滤波器滤除分子米散射信号的示意图和可调带通滤波器对瑞利信号进行滤波的示意图；

图4为信号通过可调带通滤波器处理之后的强度分布；

图5为本发明提供的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的另一结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

图2是本发明提供的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的结构框图，如图2所示，包括：连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、光纤环形器5、望远镜6、混频器7、光电探测器8、带通滤波器9、前置放大器10、功率分配器11、可调带通滤波器12、多通道采集卡13和数字信号处理模块14。

连续波激光器1用于输出连续光作为种子光。在一个可选的实施例中，连续波激光器为光纤激光器，光纤激光器具体体积小、重量轻的优点。

连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的入光口连接，所述光纤分束器2将输入的光信号分为信号光和本振光。具体的，光纤分束器2用于将输入的光信号分为两路，即信号光和本振光。光纤分束器2具有两个输出端，分别是第一输出端和第二输出端，其中，第一输出端用于输出信号光，第二输出端用于输出本振光。

第一输出端与光调制器3的输入端连接，信号光接入光调制器3的入光口。光调制器3可以是声光调制器，或者光调制器3可以是电光调制器，只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器，均适用于本发明。

光调制器3的出光口连接激光放大器4的入光口，入光口也叫做输出端；出光口也叫做输出端。

激光放大器4的出光口连接光纤环形器5的输入端。

在一个可选的实施例中，连续波激光器1输出的光信号的波长为1550nm，所述激光放大器4为掺铒光纤放大器。

光纤环形器5具有三个端口，分别为输入端、收发端和输出端，收发端既能发射光信号，也能接收光信号。输入端对应于图2中的a端，收发端对应于图2中的b端，输出端对应于图2中的c端。

光纤环形器5的收发端连接望远镜6，用于将输入的信号光经望远镜6发射到大气中，同时，光纤环形器5的收发端用于接收信号光的后向散射信号。

光纤环形器5的输出端连接混频器7的第一输入端。

混频器7是产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件。混频器7用于把输入的两个不同频率的信号进行混合得到第三个频率的信号。混频器7具有至少两个输入端。

本振光接入混频器7的第二输入端；混频器7的输出端连接光电探测器8的输入端。在一个可选的实施例中，光电探测器8为平衡探测器。

光电探测器8的输出端连接带通滤波器9的输入端，带通滤波器9的输出端连接前置放大器10的输入端；前置放大器10的输出端连接功率分配器11的输入端；功率分配器(power divider)是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，所述功率分配器11包括至少两个输出端，即功率分配器11至少包括第一输出端和第二输出端；功率分配器11的第一输出端连接多通道采集卡13的第一输入端，功率分配器11第二输出端连接可调带通滤波器12的输入端；可调带通滤波器12的输出端连接多通道采集卡13的第二输入端，多通道采集卡13输出端连接数字信号处理模块14。

光电探测器输出的电信号大部分为弱信号，前置放大器10用于对光电探测器输出的电信号进行放大，提高后续信号处理电路的灵敏度。

在一种可选的实施例中，所述功率分配器为一分二功率分配器。当然，功率分配器也可以是其他类型的一分多功率分配器，只要能够输出至少两路信号的功率分配器，均适用于本发明。

带通滤波器9用于滤除气溶胶米散射信号。气溶胶米散射信号强度是分子瑞利散射信号强度的100倍以上。使用带通滤波器滤除米散射信号后，再使用前置放大器对瑞利信号进行放大，可以有效防止放大器饱和，同时可以提高后续探测电路的灵敏度。

进一步地，所述可调带通滤波器12用于对输入的探测信号进行滤波，形成扫描式鉴频器，通过频谱选通，根据预设的输入信号的频率与输出信号强度的映射关系，将信号的频率变化转换为强度变化。不需要进行FFT变换便可以提取信号频域信息。本发明同时利用了相干探测和直接探测的优点，实现相干多普勒测风激光雷达对宽谱微弱瑞利信号的探测。

在一个可选的实施例中，所述可调带通滤波器12的中心频率为0-1GHz可调，通带带宽为100MHz。

采用功率分配器将放大后的瑞利信号分出一路作为参考信号，可以去除光电探测器或放大器不稳定造成的信号探测误差。

数字信号处理模块14可以是计算机或具有数字信号处理功能的器件，如单片机。

在一个可选的实施例中，所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、光纤环形器5、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间均采用保偏光纤连接。由于上述光路中的各个元件之间均采用保偏光纤连接，有效地减小了整个装置的体积、重量，同时，由于光纤轻柔、可弯折的特性，光纤连接有效地增加了装置的灵活性和便携性，降低装置的硬件装配要求。

本发明还提供了基于上述的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的温度测量方法，包括：

连续波激光器输出激光至光纤分束器；

光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；

信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后输入光纤环形器，由望远镜出射；

本振光输入混频器；

望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号，并将接收到的回波信号经光纤分束器输出；光纤分束器输出的回波信号输入至混频器中与本振光混频，混频后的光信号输出至光电探测器；

光电探测器将输入信号转换为IF信号输出至带通滤波器；

带通滤波器滤除窄带米散射电信号后，将信号输入前置放大器；前置放大器对分子瑞利信号进行放大，并将放大后的信号输入功率分配器；

功率分配器的输出的一部分信号作为参考信号输入多通道采集卡的一个输入口，功率分配器输出的第二部分信号输入可调带通滤波器进行信号处理；

可调带通滤波器对信号进行扫描，形成电学上的扫描式鉴频器，得到不同频率处信号强度的分布；

多通道采集卡接收功率分配器输出的参考信号和可调带通滤波器输出的信号后输出至数字信号处理模块；

数字信号处理模块通过对信号强度分布的拟合，得到信号的展宽，根据信号的展开得到对应探测距离处的温度。

下面结合图2-图4对本发明提供的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的工作过程进行说明。

步骤一：连续波激光器1发出激光，激光经光纤分束器分为本振光和信号光。信号光经光调制器调制成脉冲光后，经激光放大器4进行能量放大，经过光纤环形器5后输入望远镜6发射至大气中。

步骤二：出射激光与大气作用后，后向散射信号经望远镜6接收，由光纤环形器5的b口输入，c口输出后接入混频器7和平衡探测器中与本振光混频并转换为IF电信号。

步骤三：平衡探测器输出的IF电信号经带通滤波器9滤除窄带米散射电信号，输入前置放大器10对余下的分子瑞利信号进行放大，并输入功率分配器11；功率分配器的一个输出作为参考信号接入多通道采集卡13的一个输入口，功率分配器的第二个输出接至可调带通滤波器12进行信号处理。通过可调带通滤波器对信号进行扫描，形成电学上的扫描式鉴频器，得到不同频率处信号强度的分布，如图4所示。通过对信号强度分布的拟合，得到信号的展宽，从而得到对应探测距离处的温度。

如图3所示，1550nm波长的瑞利回波信号半宽为1GHz左右。若连续波激光器1发射的光波长为1550nm，则可调带通滤波器的中心频率为0-1GHz可调，可调带通滤波器的通带带宽100MHz。图4为信号通过可调带通滤波器处理之后的强度分布。为便于看出瑞利分布，使用白色虚线部分表示对称分布的瑞利信号另一半。

综上所述，本发明在光电探测器后使用带通滤波器滤除强度较大的气溶胶米散射信号，并使用前置放大器对瑞利信号进行放大；使用可调带通滤波器对放大后的瑞利信号进行处理，形成电学上的扫描式鉴频器，实现频谱选通，实现信号频域到强度的直接转换，得到瑞利信号的谱宽。本发明既利用了相干探测灵敏度高，对弱信号放大性好的优点，又利用了直接探测数据处理计算量小的特点。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用可调带通滤波器对探测信号进行滤波，形成电学上的扫描式鉴频器，实现频谱选通，将信号的频域变化转换为强度变化，不需要进行FFT变换便可以提取信号频域信息。本发明同时利用了相干探测和直接探测的优点，实现相干多普勒测风激光雷达对宽谱微弱瑞利信号的探测。

(2)本发明使用带通滤波器滤除气溶胶米散射信号；由于气溶胶米散射信号强度是分子瑞利散射信号强度的100倍以上，使用带通滤波器滤除米散射信号后，再使用前置放大器对瑞利信号进行放大，可以防止放大器饱和，同时可以提高后续探测电路的灵敏度。

(3)本发明采用功率分配器将放大后的瑞利信号分出一路作为参考信号，可以去除光电探测器或放大器不稳定造成的信号探测误差。

实施例2

如图5所示，本发明还提供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，包括：连续波激光器1、分束器、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7、光电探测器8、带通滤波器9、前置放大器10、功率分配器11、可调带通滤波器12、多通道采集卡13和数字信号处理模块14；其中，

连续波激光器1输出的光信号经分束器后分为信号光和本振光，信号光输入光调制器3调制后，输入到激光放大器4，激光放大器4将输入的光信号放大后输出到环形器的输入端，环形器的收发端连接望远镜6，从光纤环形器的输出端输出的光信号输入到混频器7的第一输入端；本振光接入混频器7的第二输入端；从混频器7输出的光信号输入光电探测器8；从光电探测器8的输出的信号输入带通滤波器9，带通滤波器9的输出端连接前置放大器10的输入端；前置放大器10的输出端连接功率分配器11的输入端；所述功率分配器11包括至少两个输出端，功率分配器11的第一输出端连接多通道采集卡13的第一输入端，功率分配器11第二输出端连接可调带通滤波器12的输入端；可调带通滤波器12的输出端连接多通道采集卡13的第二输入端，多通道采集卡13输出端连接数字信号处理模块14。

图中，连续波激光器1、分束器、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7、光电探测器8之间的连线代表光信号的传输方向，连续波激光器1、分束器2、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间可以通过光纤连接，当然，也可以不通过光波导，连续波激光器1、分束器2、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间的光信号在自由空间传输也适用于本发明。

在一种可选的实施例中，所述功率分配器为一分二功率分配器。当然，功率分配器也可以是其他类型的一分多功率分配器，只要能够输出至少两路信号的功率分配器，均适用于本发明。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。