專利名稱:多普勒測風激光雷達速度精確校準儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種多普勒測風激光雷達速度精確校準儀,屬于校準儀技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來激光測風雷達作為一種測量工具被用于風速的測量,但風速測量中為了提高所測風速的準確度,需要通過一定的方法對所測量的風速進行校準,因此風速校準成為風速測量準確性的關(guān)鍵問題之一。國內(nèi)有關(guān)速度校準的報道不多,中國環(huán)境監(jiān)測總站高小晉等人曾對“速度場系數(shù)在煙氣流速測定中的應(yīng)用與研究”的課題進行了研究,提出了用參比方法對連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)流速測定值進行流速校準。而涉及激光測風雷達測量風速過程中對 速度進行校準的國內(nèi)報道就更少了,青島海洋大學的劉智深等在“激光雷達研制及其探測大氣氣溶膠的實驗研究”一文中提到了風速校準的內(nèi)容,但沒有涉及本課題提出的研究內(nèi)容和方法。目前從校準方法上來看,國內(nèi)外通常的校準方法幾乎都是進行對比實驗,即與其它測量工具例如微波多普勒雷達、探空儀、聲雷達或氣球等進行對比實驗,由于各種方法的測量結(jié)果自身也都會存在誤差,因此這種校準方式只是一種粗略的校準。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有國內(nèi)外通常的校準方法幾乎都是進行對比實驗,由于各種方法的測量結(jié)果自身也都會存在誤差,因此這種校準方式只是一種粗略的校準的問題,進而提供一種多普勒測風激光雷達速度精確校準儀。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種多普勒測風激光雷達速度精確校準儀,包括第一光纖耦合器、光纖延時器、第二準直器、第一準直器、轉(zhuǎn)盤、伺服電機及編碼器、伺服控制器、微機、Nd:YAG激光器、激光雷達接收機、第二光纖耦合器、衰減器、第三準直器、可調(diào)衰減器、發(fā)射光闌和接收光闌,所述Nd: YAG激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過衰減器耦合到第三準直器上,第三準直器通過傳導光纖與第一光纖耦合器的輸入端相連接,脈沖光經(jīng)過第一光纖耦合器后再經(jīng)過光纖延時器和第一準直器,再經(jīng)過發(fā)射光闌以一定入射傾角照明轉(zhuǎn)盤的邊緣,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)盤邊緣上的散射光產(chǎn)生多普勒頻移,包含有多普勒頻移信號的散射光經(jīng)過接收光闌和第二準直器后再經(jīng)過另一路光纖傳輸?shù)降诙饫w耦合器的輸入端,第一光纖耦合器的另一輸入端產(chǎn)生的串擾信號作為參考光經(jīng)過可調(diào)衰減器后,再與包含多普勒頻移信號的散射光一起,分別經(jīng)由第二光纖耦合器耦合后,到達激光雷達接收機進行信號分析與處理,激光雷達接收機的信號輸出端與微機的信號輸入端相連接,微機的信號輸出端與Nd: YAG激光器的信號輸入端相連接,伺服電機及編碼器為一個整體,伺服電機的輸出端與轉(zhuǎn)盤相連接,伺服電機及編碼器與伺服控制器相連接,伺服控制器通過信號線與微機相連接。本實用新型具有以下優(yōu)點I、測風激光雷達速度精確校準儀中采用了全光纖系統(tǒng),整機的光學系統(tǒng)實現(xiàn)全光纖傳輸,避免了參考光對信號光的干擾。2、在全光纖系統(tǒng)中米用了光纖延遲技術(shù),即在信號光和參考光中使信號光通過100米光纖后再進入信號采集系統(tǒng),從而使得信號光得到延遲,并有效實現(xiàn)參考光對信號光的分離。3、采用伺服電機與光電編碼器組成的高精度伺服系統(tǒng)作為校準儀的控制系統(tǒng),從而提高測量轉(zhuǎn)速精度使得系統(tǒng)的最大速度偏差的理論值為0. 4mm/s,最大相對誤差為0. 001%。4、將雙邊緣檢測推廣到光纖壓力測試儀中,創(chuàng)造性的在光纖壓力測試中提出了雙邊緣解調(diào)的方法,結(jié)果表明單邊緣解調(diào)與雙邊緣解調(diào)相比,在0 6MPa范圍內(nèi)雙邊緣解調(diào)靈敏度是單邊緣解調(diào)靈敏度的2 3倍。5、提出了瑞利散射多普勒測風激光雷達的校準的方法,并就理論依據(jù)和可行性進行了闡述,并力圖通過比較等方法間接的得到氣體分子的風速校準,為瑞利散射多普勒測 風激光雷達的校準提供了一種有效的途徑。
圖I是本實用新型多普勒測風激光雷達速度精確校準儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施,給出了詳細的實施方式,但本實用新型的保護范圍不限于下述實施例。如圖I所示,本實施例所涉及的一種多普勒測風激光雷達速度精確校準儀,包括第一光纖耦合器I、光纖延時器2、第二準直器3、第一準直器4、轉(zhuǎn)盤5、伺服電機及編碼器
6、伺服控制器7、微機8、Nd: YAG激光器9、激光雷達接收機10、第二光纖耦合器11、衰減器12、第三準直器13、可調(diào)衰減器14、發(fā)射光闌15和接收光闌16,所述Nd = YAG激光器9發(fā)出的脈沖光經(jīng)過衰減器12耦合到第三準直器13上,第三準直器13通過傳導光纖與第一光纖耦合器I的輸入端相連接,脈沖光經(jīng)過第一光纖耦合器I后再經(jīng)過光纖延時器2和第一準直器4,再經(jīng)過發(fā)射光闌15以一定入射傾角照明轉(zhuǎn)盤5的邊緣,轉(zhuǎn)盤5轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)盤邊緣上的散射光產(chǎn)生多普勒頻移,包含有多普勒頻移信號的散射光經(jīng)過接收光闌16和第二準直器3后再經(jīng)過另一路光纖傳輸?shù)降诙饫w稱合器11的輸入端,第一光纖稱合器I的另一輸入端產(chǎn)生的串擾信號作為參考光經(jīng)過可調(diào)衰減器14后,再與包含多普勒頻移信號的散射光一起,分別經(jīng)由第二光纖耦合器11耦合后,到達激光雷達接收機10進行信號分析與處理,激光雷達接收機10的信號輸出端與微機8的信號輸入端相連接,微機8的信號輸出端與Nd: YAG激光器9的信號輸入端相連接,伺服電機及編碼器6為一個整體,伺服電機的輸出端與轉(zhuǎn)盤5相連接,伺服電機及編碼器6與伺服控制器7相連接,伺服控制器7通過信號線與微機8相連接。在多普勒測風激光雷達校準儀中激光入射和接收角度的確定是由多個因素構(gòu)成的,當轉(zhuǎn)盤半徑、電機轉(zhuǎn)速、光束直徑、支架的寬度、風速測量范圍等諸多客觀因素被一一確定后,確立當多普勒校準儀中轉(zhuǎn)盤半徑為100mm、準直器到轉(zhuǎn)盤的距離L < 50mm時,選取激光入射與接收方向的夾角=25°、入射角=20°。本實用新型的基本原理是激光雷達發(fā)出的激光束分別照射到軟(隨風一起運動的氣溶膠)、硬運動的目標上,激光測風雷達系統(tǒng)接收機接收并檢測多普勒散射光,并測量出散射信號的多普勒頻移(徑向速度),運動硬目標速度是作為標準的,它是可知的,并且可以保障高精度的,這樣就可以將照射到軟目標上所得到的速度與硬目標速度比較,并得到軟、硬目標的校準曲線,通過校準曲線來實現(xiàn)多普勒測風激光雷達速度精確較準。這種校準方法所依據(jù)原理的前提條件是激光氣溶膠散射譜與激光硬目標的散射譜一致,根據(jù)前人實驗結(jié)果報道,所采用的激光光譜寬度是60MHz,而對于0. 01-0. Ium半徑的氣溶膠粒子由于布郎運動而引起的多普勒展寬約為0. 7KHz到0. 7MHz,因此氣溶膠散射對激光線寬的展寬作用完全可以忽略,因此這里所采用的這種等效目標是合理的。本實用新型的意義還在于研制出一臺多普勒激光雷達速度校準儀,所完成的校準儀提供了一個頻率展寬與氣溶膠展寬特性類似,速度精確已知,速度在±50m/s連續(xù)可調(diào) 的校準裝置;系統(tǒng)在國內(nèi)率先采用了全光纖系統(tǒng),由于采用全光纖器件搭建光路,系統(tǒng)具有全封閉性、高穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊的特點,易于對地基、機載和星栽測風激光雷達進行周期性校準;控制系統(tǒng)率先采用伺服系統(tǒng)后大大提升了測試系統(tǒng)的測量精度,系統(tǒng)中采用131072脈沖的高分辨率編碼器大大提高了伺服電機旋轉(zhuǎn)分辨率,實現(xiàn)平穩(wěn)的機械轉(zhuǎn)動。這一系統(tǒng)理論上最大速度偏差為0. 4mm/So線速度的最大相對誤差為0. 001%,如此高精度的校準儀在國內(nèi)未見報道;開展了多項實驗測試,先后完成了穩(wěn)定性測試、時續(xù)性測試,并在此基礎(chǔ)上開展了速度校準測試,得到了理想的測試結(jié)果,實踐表明研究路線合理、方法正確、樣機性能穩(wěn)定、精度高,實現(xiàn)了成果拓展,本實用新型將雙邊緣檢測的方式推廣到光纖壓力測試儀中,創(chuàng)造性的在光纖壓力測試中提出了雙邊緣解調(diào)的方式,并研制出雙邊緣解調(diào)的光柵光纖壓力測試系統(tǒng),在原課題的基礎(chǔ)上提出了瑞利散射多普勒測風激光雷達的校準的方法,并就理論依據(jù)和可行性進行了闡述,為瑞利散射多普勒測風激光雷達的校準提供了一種有效的方法。系統(tǒng)穩(wěn)定性測試為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性,其電機與光電編碼器采用國際先進的日本富士電機機器制御株式會社生產(chǎn)的富士伺服系統(tǒng),采用這個系統(tǒng)后可以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)分析功能、試運行功能、監(jiān)控輸出功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,利用電腦編程器、觸摸面板實現(xiàn)操作和顯示。這種高分辨率編碼器,采用131072脈沖的高分辨率編碼器提高了伺服電機旋轉(zhuǎn)分辨率,實現(xiàn)低速平穩(wěn)的機械運動。因此我們第一個測試內(nèi)容就是針對新搭建系統(tǒng)的穩(wěn)定性的測試 我們選定 500r/min, 1000r/min, 1500r/min, 2000r/min, 2500r/min3000r/min,3500r/min和4000r/min這8個速度進行了穩(wěn)定性測試。伺服電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性非常好,即交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統(tǒng)調(diào)整。從測試的數(shù)據(jù)來看,伺服電機的偏差脈沖量最大為I個脈沖,即速度的相對誤差最大為AV = O. 00274X2 31 +360X0. 1X5000 + 60 ^ 4X1(T4米/秒。即最大速度偏差為
0. 0004m/so線速度的最大相對誤差為,=3.98xl0_4+50 = 0.001%。如此高的精度完全
V滿足校準儀的精度要 求。
權(quán)利要求1.一種X多普勒測風激光雷達速度精確校準儀,包括第一光纖耦合器、光纖延時器、第二準直器、第一準直器、轉(zhuǎn)盤、伺服電機及編碼器、伺服控制器、微機、Nd:YAG激光器、激光雷達接收機、第二光纖耦合器、衰減器、第三準直器、可調(diào)衰減器、發(fā)射光闌和接收光闌,其特征在于,所述Nd:YAG激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過衰減器耦合到第三準直器上,第三準直器通過傳導光纖與第一光纖耦合器的輸入端相連接,脈沖光經(jīng)過第一光纖耦合器后再經(jīng)過光纖延時器和第一準直器,再經(jīng)過發(fā)射光闌以一定入射傾角照明轉(zhuǎn)盤的邊緣,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)盤邊緣上的散射光產(chǎn)生多普勒頻移,包含有多普勒頻移信號的散射光經(jīng)過接收光闌和第二準直器后再經(jīng)過另一路光纖傳輸?shù)降诙饫w耦合器的輸入端,第一光纖耦合器的另一輸入端產(chǎn)生的串擾信號作為參考光經(jīng)過可調(diào)衰減器后,再與包含多普勒頻移信號的散射光一起,分別經(jīng)由第二光纖耦合器耦合后,到達激光雷達接收機進行信號分析與處理,激光雷達接收機的信號輸出端與微機的信號輸入端相連接,微機的信號輸出端與Nd: YAG激光器的信號輸入端相連接,伺服電機及編碼器為一個整體,伺服電機的輸出端與轉(zhuǎn)盤相連接,伺服電機及編碼器與伺服控制器相連接,伺服控制器通過信號線與微機相連接。
專利摘要本實用新型提供了一種多普勒測風激光雷達速度精確校準儀,本實用新型轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)盤邊緣上的散射光產(chǎn)生多普勒頻移,包含有多普勒頻移信號的散射光經(jīng)過接收光闌和第二準直器后再經(jīng)過另一路光纖傳輸?shù)降诙饫w耦合器的輸入端,第一光纖耦合器的另一輸入端產(chǎn)生的串擾信號作為參考光經(jīng)過可調(diào)衰減器后,再與包含多普勒頻移信號的散射光一起,分別經(jīng)由第二光纖耦合器耦合后,到達激光雷達接收機進行信號分析與處理。本實用新型采用伺服電機與光電編碼器組成的高精度伺服系統(tǒng)作為校準儀的控制系統(tǒng),從而提高測量轉(zhuǎn)速精度使得系統(tǒng)的最大速度偏差的理論值為0.4mm/s,最大相對誤差為0.001%。
文檔編號G01P21/02GK202421211SQ20112048774
公開日2012年9月5日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者楊洋, 王力 申請人:承德石油高等??茖W校