專利名稱:微波測風(fēng)激光雷達裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種激光測量大氣風(fēng)場的裝置,更具體地說是一種測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置。
背景技術(shù):
大氣風(fēng)場是氣象觀測中的重要參數(shù),在天氣、氣候、海洋、環(huán)境以及交通、航空、航天等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值。目前我國中小尺度災(zāi)害性天氣的觀測和預(yù)報能力不足。而數(shù)值天氣預(yù)報迫切需要高精度的三維風(fēng)場數(shù)據(jù)作為初始計算參數(shù)。
用于風(fēng)場測量的測風(fēng)激光雷達(多普勒激光雷達)是上世紀(jì)七十年代開始發(fā)展的大氣遙感技術(shù),目前已有的技術(shù)包括相干測風(fēng)激光雷達和非相干測風(fēng)激光雷達。美國宇航局(NASA)于80年代研制了一臺相干測風(fēng)激光雷達用來測量清潔空氣湍流。相干測風(fēng)激光雷達一般工作在紅外或近紅外波段,通過氣溶膠來探測多普勒頻移,通常取一部分發(fā)射光為本振光,將氣溶膠的后向散射光與本振光進行混頻,然后輸出差頻電信號及直流分量,經(jīng)過中頻放大器和鑒頻器,最后獲得所需的多普勒頻移。其優(yōu)點是高信噪比,等效噪聲功率接近理論極限,光電探測器量子效率高并對太陽背景光不敏感。但是因為大氣分子散射頻譜過寬,不能產(chǎn)生相干,因此相干激光雷達的主要缺點是無法探測大氣分子散射,對于氣溶膠稀少的區(qū)域(如干潔大氣和高空大氣)就無法進行風(fēng)速測量。
二十世紀(jì)九十年代起,非相干測風(fēng)激光雷達開始發(fā)展。美國NASA也研制了GLOW非相干測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),這是目前國際上最先進的非相干激光測風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Nd:YAG激光器1064nm激光測氣溶膠散射,355nm激光測分子散射。非相干探測技術(shù)(又稱為直接探測技術(shù))通過光譜分析器件來直接探測頻率變化引起的探測信號強度變化,進而求取徑向風(fēng)速分量,可以測量大氣分子和氣溶膠散射信號。然而直接探測技術(shù)中的精密的光學(xué)干涉儀對環(huán)境條件較為敏感,對溫控的要求較高(0.01K以上),而且價格昂貴。直接探測技術(shù)對激光發(fā)射源的要求非??量?,需要單縱模的脈沖激光器。而且要實現(xiàn)高精度的風(fēng)速測量,激光頻率至少要穩(wěn)定在10-9。關(guān)鍵部件如可調(diào)諧的種子激光器依賴進口。
此外,可以探測大氣分子散射的非相干測風(fēng)激光雷達的探測靈敏度只有千分之二到千分之三,因而從微弱的大氣后向散射信號中提取多普勒頻移就變得十分困難。
總之,目前的測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),無論是相干還是非相干系統(tǒng),其可以測量的散射粒子和測量靈敏度明顯存在不足,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴,難以推廣到實際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微波測風(fēng)激光雷達裝置,以彌補已有技術(shù)的不足。
本發(fā)明是在現(xiàn)有測風(fēng)激光雷達的基礎(chǔ)上,對激光器的納秒級脈沖進行微波頻率調(diào)制,激光器的光波頻率作為微波調(diào)制頻率的載頻。而且,大氣分子和氣溶膠散射的多普勒頻移由微波鑒頻實現(xiàn),即以微波調(diào)制器的微波頻率作為參考信號作用于鑒頻器,來探測多普勒頻移,而不是用激光器的光波頻率探測多普勒頻移。因此本發(fā)明的激光發(fā)射和鑒頻技術(shù)方案兼有激光雷達和微波雷達的優(yōu)點,對于我國測風(fēng)激光雷達的發(fā)展和應(yīng)用推廣具有重要的意義。
本發(fā)明包括由脈沖激光器、擴束鏡和反射鏡組成的發(fā)射系統(tǒng);由望遠鏡、光學(xué)濾波器、光電探測器組成的接收系統(tǒng);與光電探測器相連接的鑒頻器和含有軟件的中央控制裝置,其特征是它還包括一個微波調(diào)制器,且該微波調(diào)制器分別與激光器和鑒頻器電連接,以微波調(diào)制器的調(diào)制信號對激光器的激光脈沖進行微波頻率調(diào)制,以微波調(diào)制器的調(diào)制信號又作為參考信號輸入到鑒頻器,且鑒頻器與中央控制裝置相連接而將鑒頻器中混頻得到的多普勒頻移信號輸入到中央控制裝置。
上述的微波調(diào)制器也可以設(shè)置在激光器和擴束鏡之間。
上述的激光器的可以選用發(fā)射波長范圍在200nm~10μm的一種脈沖激光光源。如可選用紫外、可見光、近紅外激光光源等激光器件,以適應(yīng)航空和軍事等不同應(yīng)用需求。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單,成本低,高探測信噪比,能適應(yīng)惡劣環(huán)境,既保持了激光雷達空間指向性好、距離分辨率高的優(yōu)點,因為多普勒頻率的檢測是在微波調(diào)制頻率而不是激光頻率上完成,使用普通脈沖激光器,又省去了目前相干和非相干測風(fēng)激光雷達中昂貴的鎖頻單縱模脈沖激光器。又由于采用微波鑒頻器件,省略精密、昂貴的光學(xué)鑒頻系統(tǒng),微波載頻提高風(fēng)速探測范圍達到±200m/s。。傳統(tǒng)測風(fēng)激光雷達的徑向風(fēng)速探測范圍受到鑒頻器件的影響,一般不超過±50m/s。鑒頻器可以利用成熟的微波外差檢測技術(shù),利于推廣應(yīng)用。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
圖1,本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)方框示意圖。
圖2,本發(fā)明的另一種總體結(jié)構(gòu)方框示意圖。
其中,1.微波調(diào)制器 2.激光器 3.擴束鏡 4.反射鏡 5.大氣 6.望遠鏡 7.光學(xué)濾波器 8.光電探測器 9.鑒頻器 10.中央控制裝置 11.光電探測器信號輸入端 12.低頻信號輸出端 13.高頻信號輸出端 14.低頻信號輸入端 15.鑒頻器信號輸入端 16.微波調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端 17.多普勒頻移信號輸出端 18.多普勒信號輸入端。
具體實施例方式
如圖1、圖2,本發(fā)明包括由脈沖激光器1、擴束鏡3和反射鏡4組成的發(fā)射系統(tǒng);由望遠鏡6、光學(xué)濾波器7、光電探測器8組成的接收系統(tǒng);與光電探測器8相連接的鑒頻器9和含有軟件的中央控制裝置10,其特征是它還包括微波調(diào)制器1,且該微波調(diào)制器1分別與激光器2和鑒頻器9電連接,以微波調(diào)制器1的調(diào)制信號對激光器2的激光脈沖進行微波頻率調(diào)制,以微波調(diào)制器1的調(diào)制信號又作為參考信號輸入到鑒頻器9,且鑒頻器9與中央控制裝置10相連接而將鑒頻器9中混頻得到的多普勒頻移信號輸入到中央控制裝置10,從而得以測量大氣的風(fēng)場。
上述的微波調(diào)制器1也可以設(shè)置在激光器2和擴束鏡3之間。這是微波調(diào)制器1在激光器2的激光腔外進行調(diào)制時引起的位置的變化。
上述微波調(diào)制器1對激光器2的激光脈沖進行調(diào)制。微波調(diào)制器1的調(diào)制頻率的范圍可以是幾百MHz到幾十GHz。例如脈沖調(diào)制頻率1GHz,可以在一個30ns脈寬的激光脈沖中調(diào)制30個周期的微波信號。
激光器2可以采用已有脈沖激光器,如各種固體激光器、光纖激光器、氣體激光器,其縱模模式不限。例如法國Quantel公司的YG980系列固體激光器。
望遠鏡6可以是市場銷售的反射式、折反式等通用望遠鏡,例如美國Celestron公司生產(chǎn)的11英寸施密特-卡塞格倫望遠鏡。擴束鏡3和反射鏡4為通用光學(xué)器件。
光學(xué)濾波器7為窄帶光學(xué)濾波器,可以是干涉濾色片、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光柵分光系統(tǒng)或者法拉第反常色散濾波器。
光電探測器8采用高速和高量子效率的光電探測器件,以采集大氣后向散射中微弱的光強信號和加載于信號上的微波調(diào)制信息。光電探測器8是高靈敏度和高速響應(yīng)的光電二極管、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD),例如美國New Focus公司的GaAs光電二極管,具體型號可根據(jù)激光發(fā)射波長的不同而進行選擇。微波調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端激光器2的發(fā)射脈沖受到微波調(diào)制器1的微波頻率調(diào)制,同時該調(diào)制信號輸入到與其連接的鑒頻器9,即微波調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端16,當(dāng)激光器2發(fā)射的光束經(jīng)過擴束鏡3壓縮發(fā)散角后,經(jīng)過反射鏡4發(fā)射到大氣5當(dāng)中,被大氣分子或氣溶膠散射。而大氣的運動——風(fēng),會使散射光的中心頻率和調(diào)制在光脈沖上的微波頻率都產(chǎn)生多普勒頻移。上述大氣的散射光由望遠鏡6收集后,通過光學(xué)濾波器7壓縮天空背景輻射,然后經(jīng)由光電探測器8進行光電轉(zhuǎn)換。目前的測風(fēng)激光雷達檢測散射光的中心頻率的多普勒頻移,本發(fā)明是檢測微波頻率的多普勒頻移。
來自光學(xué)濾波器7的信號進入光電探測器信號輸入端11,光電探測器8輸出的信號分為低頻的激光后向散射信號和高頻的微波調(diào)制信號。低頻信號輸出端12經(jīng)過相連接的中央控制裝置10的低頻信號輸入端14進入帶有軟件的中央控制裝置10,或者通過低頻窄帶放大器(圖省略)后進入中央控制裝置。光電探測器8連接鑒頻器9即將高頻信號輸出端13連接于鑒頻器9的鑒頻器信號輸入端15。
由光電探測器輸出的高頻信號進入鑒頻器9的信號輸入端15。在鑒頻器9中,高頻的微波信號經(jīng)過帶通放大、混頻、整形放大,輸出到鑒頻器的多普勒頻移信號輸出端17。鑒頻器的混頻功能可以選用通用的雙平衡混頻器實現(xiàn),例如成都亞光電子公司HSP38雙平衡混頻器?;蛘吖怆娞綔y后的高頻信號的鑒頻也可以使用鎖相放大器,例如美國NewFocus公司的1421放大器?;蛘咴诠怆娞綔y時直接采用平衡式光電二極管替代。
多普勒頻移信號經(jīng)過鑒頻器9的多普勒頻移信號輸出端17進入中央控制裝置10的多普勒信號輸入端18。數(shù)字化的多普勒頻移信號進入帶有軟件的中央控制裝置計算出徑向風(fēng)速和相應(yīng)的風(fēng)場,以及大氣的散射強度信號等。
權(quán)利要求
1.一種測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置,包括由脈沖激光器(1)、擴束鏡(3)和反射鏡(4)組成的發(fā)射系統(tǒng);由望遠鏡(6)、光學(xué)濾波器(7)、光電探測器(8)組成的接收系統(tǒng);與光電探測器(8)相連接的鑒頻器(9)和含有軟件的中央控制裝置(10),其特征是它還包括一個微波調(diào)制器(1),且該微波調(diào)制器(1)分別與激光器(2)和鑒頻器(9)電連接,以微波調(diào)制器(1)的調(diào)制信號對激光器(2)的激光脈沖進行微波頻率調(diào)制,以微波調(diào)制器(1)的調(diào)制信號又作為參考信號輸入到鑒頻器(9)而將鑒頻器(9)中混頻得到的多普勒頻移信號輸入到中央控制裝置(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置,其特征是上述的微波調(diào)制器(1)在激光器(2)和擴束鏡(3)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置,其特征是激光器(2)是發(fā)射波長選用范圍在200nm~10μm的一種脈沖激光光源。
4.如權(quán)利要求1所述的測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置,其特征是上述的光電探測器(8)是高靈敏度和高速響應(yīng)的光電二極管、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD)。
5.如權(quán)利要求1所述的測量大氣風(fēng)場的微波測風(fēng)激光雷達裝置,其特征是上述的微波調(diào)制器1的調(diào)制頻率的范圍可以是幾百MHz到幾十GHz。
全文摘要
一種測量大氣風(fēng)場的微波調(diào)制測風(fēng)激光雷達。包括由脈沖激光器和擴束鏡組成的發(fā)射系統(tǒng);由望遠鏡、光纖、窄帶濾色片等組成的光學(xué)接收系統(tǒng);由多組光電探測器和放大器組成的鑒頻系統(tǒng);由帶有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備;計算機和軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。對激光雷達的納秒級脈沖的幅度進行微波頻率調(diào)制,大氣分子和氣溶膠散射的多普勒頻移由微波鑒頻實現(xiàn)。與現(xiàn)有的測風(fēng)激光雷達相比,本發(fā)明保持了激光雷達空間指向性好、距離分辨率高的優(yōu)點。省去了精密、昂貴的單縱橫脈沖激光器和光學(xué)鑒頻系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)惡劣環(huán)境。而且發(fā)射波長不限,可適應(yīng)航空和軍事等不同應(yīng)用需求。脈沖調(diào)制還大幅度提高探測信噪比。本發(fā)明的激光發(fā)射和鑒頻技術(shù)方案兼有激光雷達和微波雷達的優(yōu)點,以彌補已有技術(shù)的不足,對于我國測風(fēng)激光雷達的發(fā)展和應(yīng)用推廣具有重要的意義。
文檔編號G01S17/50GK1932553SQ200610069120
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者劉智深, 吳松華 申請人:中國海洋大學(xué)