全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)方法
【專利摘要】全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)、鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)連接，激光發(fā)射系統(tǒng)和光學(xué)接收系統(tǒng)通過多模/單模轉(zhuǎn)換器與鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)連接；激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光進(jìn)入大氣，光學(xué)接收系統(tǒng)接收大氣分子的后向散射光，并將其耦合入多模光纖，再經(jīng)過多模/單模轉(zhuǎn)換器進(jìn)入鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)處理后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)處理得到風(fēng)速信息。本發(fā)明采用光纖M-Z干涉儀作為鑒頻器，具有較寬的波長(zhǎng)范圍，激光光源的選擇性大，抗外界干擾能力強(qiáng)，且具有較高的光譜分辨率及分光效率；提高了探測(cè)的穩(wěn)定性，且探測(cè)精度高，使用方便。
【專利說明】全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，還涉及利用這種系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)場(chǎng)是重要的氣象參數(shù)和大氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，與氣候變化及各種異常氣候現(xiàn)象的發(fā)生有密切的關(guān)系，高時(shí)空大尺度的精細(xì)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的研究一直是激光雷達(dá)遙感的重要研究目標(biāo)及前沿技術(shù)之一。
[0003]激光雷達(dá)作為具有高時(shí)空分辨率及晴空探測(cè)風(fēng)場(chǎng)的新技術(shù)手段，正受到世界各國(guó)的廣泛的關(guān)注與資金投入。美國(guó)NASA及歐空局ESA等國(guó)家相繼研發(fā)了地基、機(jī)載及星載激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)，我國(guó)的中科院安徽光機(jī)所及中國(guó)海洋大學(xué)等單位也開展卓有成效的研究，先后研制出不同波長(zhǎng)的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，并用于初步的日常業(yè)務(wù)及科研觀測(cè)研究。星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)用于全球三維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)探測(cè)的研究，美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始前期的立項(xiàng)預(yù)研工作，也有各種空間發(fā)射計(jì)劃，如ESA正在計(jì)劃于2015年發(fā)射首顆用于全球風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的ALADIN/ADM-Aeolus計(jì)劃，日本與歐洲計(jì)劃在2015年聯(lián)合發(fā)射用于大氣氣溶膠、云等精細(xì)探測(cè)的高光譜分辨率星載激光雷達(dá)的ATLID/EarthCARE計(jì)劃，這些計(jì)劃將在今后幾年中投入實(shí)際發(fā)射運(yùn)行，必將對(duì)全球氣候變化及災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
[0004]目前，激光雷達(dá)用于大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的原理是基于大氣分子及懸浮顆粒物的多普勒頻移，通過對(duì)頻率相干檢測(cè)及直接鑒頻的方式實(shí)現(xiàn)多普勒頻移鑒頻，反演得到大氣風(fēng)速。直接鑒頻測(cè)量多普勒頻移(非相干檢測(cè))方法主要包括邊緣檢測(cè)技術(shù)和條紋成像技術(shù)。邊緣檢測(cè)常米用高分辨率的Fabry-Perot(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具、Mach-Zehnder (M-Z)干涉儀、Michelson干涉儀、光柵等或者利用各種分子、原子濾波器，如碘濾波器，鈉、鉀、銀蒸汽濾波器等作為鑒頻器，將頻率信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為相對(duì)能量信號(hào)的變化來測(cè)定多普勒頻移，其測(cè)量靈敏度主要依賴于邊緣檢測(cè)濾波器的濾波特性；條紋圖像技術(shù)則是利用多通道探測(cè)器對(duì)干涉儀所成的條紋成像，當(dāng)存在多普勒頻移時(shí)，條紋分布在各個(gè)通道上的能量發(fā)生變化，即條紋重心發(fā)生移動(dòng)，通過測(cè)量條紋重心的相對(duì)移動(dòng)可以反演風(fēng)速。相對(duì)于F-P干涉儀鑒頻，M-Z干涉儀作為鑒頻器，具有透過率高、探測(cè)譜的范圍寬、能進(jìn)行視場(chǎng)展寬而獲得大光通量，而且所成直條紋可以與探測(cè)器相互匹配等的優(yōu)點(diǎn)，用于多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可以獲得較高的探測(cè)信噪比及大的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)范圍。然而傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)式M-Z干涉儀往往具有體積大、光路調(diào)整復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不緊湊、易受環(huán)境干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，制約其應(yīng)用及發(fā)展，特別是在機(jī)載和星載系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0005]近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，基于光纖技術(shù)的光纖濾波器、光纖干涉儀等技術(shù)日趨成熟。日本三菱公司研發(fā)的小型機(jī)載1.5um-2.0um波長(zhǎng)的全光纖相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，利用光纖激光器及光纖相干技術(shù)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)，研究已經(jīng)接近商業(yè)化，可為商用客機(jī)探測(cè)晴空大氣風(fēng)場(chǎng)及湍流。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的機(jī)構(gòu)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且探測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定的問題。
[0007]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種利用上述探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)的方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)、鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)連接，激光發(fā)射系統(tǒng)和光學(xué)接收系統(tǒng)通過多模/單模轉(zhuǎn)換器與鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)連接；激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光進(jìn)入大氣，光學(xué)接收系統(tǒng)接收大氣分子的后向散射光，并將其耦合入多模光纖，再經(jīng)過多模/單模轉(zhuǎn)換器進(jìn)入鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)處理后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)處理得到風(fēng)速信息。
[0009]本發(fā)明的特點(diǎn)還在于:
[0010]激光發(fā)射系統(tǒng)前設(shè)有分束器、反射鏡和掃描鏡，激光通過分束器、反射鏡到達(dá)掃描鏡，通過掃描鏡折射進(jìn)入大氣，光學(xué)接收系統(tǒng)通過掃描鏡接收大氣分子的后向散射光。
[0011]鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)包括光纖M-Z干涉儀和光電探測(cè)器，光纖M-Z干涉儀由兩個(gè)光纖稱合器Cp C2和兩條光纖干涉臂Lp L2組成；光信號(hào)從光纖M-Z干涉儀輸入端輸入，由光纖M-Z干涉儀輸出端口輸出；輸出的光信號(hào)有兩路傳播途徑,一路經(jīng)光纖I禹合器C1的直通臂、光纖干涉臂 L1和光纖耦合器C2的直通臂，另一路經(jīng)光纖耦合器C1的交叉臂、光纖干涉臂L2和光纖耦合器C2的交叉臂，兩路信號(hào)在輸出端口相互干涉，由光電探測(cè)器接收。
[0012]光纖M-Z干涉儀包括輸入端I和2，光纖M-Z干涉儀包括輸出端口 3和4 ;輸出端口 3輸出的信號(hào)由光電探 測(cè)器PMTl接收，輸出端口 4輸出的信號(hào)由光電探測(cè)器PMT2接收。
[0013]利用上述探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)方法，激光發(fā)射系統(tǒng)采用頻率穩(wěn)定的種子注入ND:YAG脈沖激光器，經(jīng)二倍頻晶體出射激光，光束經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、分束器、反射鏡到達(dá)掃描鏡，通過掃描鏡折射進(jìn)入大氣，回波信號(hào)通過光學(xué)接收系統(tǒng)接收，然后將散射回波信號(hào)耦合到多模光纖中，再經(jīng)過多模/單模轉(zhuǎn)換器和透鏡準(zhǔn)直進(jìn)入光纖M-Z干涉儀的輸入端，3dB光耦合器C1將光分為強(qiáng)度相等的兩束光，經(jīng)過具有光程差的兩臂傳輸，再經(jīng)3dB耦合器C2干涉后從兩端口 3和4輸出，再由探測(cè)器接收后送入信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和反演計(jì)算，得到風(fēng)速大小信息，風(fēng)速方向由光束掃描系統(tǒng)確定。
[0014]光纖M-Z干涉儀輸出端口 3和4的透過率由耦合模理論推導(dǎo)得出，在不考慮插入
損耗時(shí)，輸入光場(chǎng)與輸出光場(chǎng)的關(guān)系可以表不為:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括激光發(fā)射系統(tǒng)(I)、光學(xué)接收系統(tǒng)(2)、鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(3)和信號(hào)處理系統(tǒng)(4)，鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(3)與信號(hào)處理系統(tǒng)(4)連接，激光發(fā)射系統(tǒng)(I)和光學(xué)接收系統(tǒng)(2)通過多模/單模轉(zhuǎn)換器與鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(3 )連接；激光發(fā)射系統(tǒng)(I)發(fā)射激光進(jìn)入大氣，光學(xué)接收系統(tǒng)(2 )接收大氣分子的后向散射光，并將其耦合入多模光纖，再經(jīng)過多模/單模轉(zhuǎn)換器進(jìn)入鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(3)處理后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)4，經(jīng)處理得到風(fēng)速信息。
2.如權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:激光發(fā)射系統(tǒng)(I)前設(shè)有分束器、反射鏡和掃描鏡，激光通過分束器、反射鏡到達(dá)掃描鏡，通過掃描鏡折射進(jìn)入大氣，光學(xué)接收系統(tǒng)(2)通過掃描鏡接收大氣分子的后向散射光。
3.如權(quán)利要求1或2所述的全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:鑒頻及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(3)包括光纖M-Z干涉儀和光電探測(cè)器，光纖M-Z干涉儀由兩個(gè)光纖耦合器Cp C2和兩條光纖干涉臂Lp L2組成；光信號(hào)從光纖M-Z干涉儀輸入端輸入，由光纖M-Z干涉儀輸出端口輸出；輸出的光信號(hào)有兩路傳播途徑，一路經(jīng)光纖I禹合器C1的直通臂、光纖干涉臂L1和光纖耦合器C2的直通臂，另一路經(jīng)光纖耦合器C1的交叉臂、光纖干涉臂L2和光纖耦合器C2的交叉臂，兩路信號(hào)在輸出端口相互干涉，由光電探測(cè)器接收。
4.如權(quán)利要求3所述的全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:光纖M-Z干涉儀包括輸入端I和2，光纖M-Z干涉儀包括輸出端口 3和4 ;輸出端口 3輸出的信號(hào)由光電探測(cè)器PMTl接收，輸出端口 4輸出的信號(hào)由光電探測(cè)器PMT2接收。
5.利用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的全光纖多普勒激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)方法，其特征在于:激光發(fā)射系統(tǒng)(I)采用頻率穩(wěn)定的種子注入ND: YAG脈沖激光器，經(jīng)二倍頻晶體出射激光，光束經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、分束器、反射鏡到達(dá)掃描鏡，通過掃描鏡折射進(jìn)入大氣，回波信號(hào)通過光學(xué)接收系統(tǒng)(2)接收，然后將散射回波信號(hào)耦合到多模光纖中，再經(jīng)過多模/單模轉(zhuǎn)換器和透鏡準(zhǔn)直進(jìn)入光纖M-Z干涉儀的輸入端，3dB光耦合器C1將光分為強(qiáng)度相等的兩束光，經(jīng)過具有光程差的兩臂傳輸，再經(jīng)3dB耦合器C2干涉后從兩端口 3和4輸出，再由探測(cè)器接收后送入信號(hào)處理系統(tǒng)(4)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和反演計(jì)算，得到風(fēng)速大小信息，風(fēng)速方向由光束掃描系統(tǒng)確定。
6.如權(quán)利要求5所述的探測(cè)方法，其特征在于:光纖M-Z干涉儀輸出端口3和4的透過率由I禹合模理論推導(dǎo)得出，在不考慮插入損耗時(shí)，輸入光場(chǎng)與輸出光場(chǎng)的關(guān)系可以表不
7.如權(quán)利要求6所述的探測(cè)方法，其特征在于:最優(yōu)光程差為
【文檔編號(hào)】G01S7/491GK103713293SQ201310740353
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】汪麗, 華燈鑫, 胡遼林 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)