本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

背景技術(shù)：

全球風(fēng)場(chǎng)的主動(dòng)觀測(cè)被世界氣象組織稱為最具意義和挑戰(zhàn)性的氣象觀測(cè)之一。在大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)中，常用的手段有氣象氣球、聲吶探測(cè)器、微波測(cè)風(fēng)雷達(dá)、測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)等。激光雷達(dá)作為熱門的主動(dòng)大氣遙感手段，具有體積小、測(cè)量精度高、時(shí)間和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合要求測(cè)量速度快、機(jī)動(dòng)性高、隱蔽性好的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)所。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)分為直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和相干探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)使用光學(xué)鑒頻器，將多普勒頻移信息轉(zhuǎn)化為能量的相對(duì)變化，實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量；相干探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)通過大氣回波信號(hào)與本振激光的相干拍頻實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)如圖1：連續(xù)波激光器產(chǎn)生中心頻率為υ₀的線偏振光，經(jīng)分光片后分為信號(hào)光和本振光，信號(hào)光經(jīng)聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制為脈沖光，并產(chǎn)生υ_M的頻移，再由放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)環(huán)形器后由望遠(yuǎn)鏡出射。設(shè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)脈沖光產(chǎn)生的多普勒頻移為υ_d，則回波信號(hào)中心頻率為υ₀+υ_M+υ_d，回波信號(hào)與本振光兩者的拍頻信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為頻率為υ_M+υ_d的IF電信號(hào)，再經(jīng)采集卡采樣和后續(xù)電路數(shù)據(jù)處理分析得到風(fēng)場(chǎng)信息。得益于光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于1550nm通信波段的全光纖激光雷達(dá)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速。日本三菱機(jī)電有限公司報(bào)道了世界上第一臺(tái)1.5μm的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。法國(guó)LEOSPHERE公司生產(chǎn)了可以商用的WINDCUBE相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，法國(guó)航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，英國(guó)SgurrEnergy推出了搭配風(fēng)力發(fā)電設(shè)備使用的Galion系列相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，英國(guó)QinetiQ公司開發(fā)出了ZephIR系列基于光纖技術(shù)的1.548μm脈沖相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)擁有機(jī)載的基于連續(xù)激光的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)(LAMS)。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)姚勇課題組在2010年搭建了采用1.5μm波長(zhǎng)連續(xù)波激光器的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。中國(guó)海洋大學(xué)在2014年報(bào)道了其研制的用于風(fēng)能研究和開發(fā)利用的1.55μm相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所2010年報(bào)道了采用1.5μm連續(xù)波零差頻的相干激光雷達(dá)，并在2013年報(bào)道了一套全光纖化的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在2014年報(bào)道了用于邊界層風(fēng)廓線探測(cè)的1.54μm全光纖相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

本發(fā)明的發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)：由于相干探測(cè)的限制，以上相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)只對(duì)后向散射信號(hào)中窄帶的氣溶膠米散射信號(hào)敏感，無(wú)法對(duì)寬譜的分子瑞利散射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)基于大氣分子回波信號(hào)的相干激光雷達(dá)。由于氣溶膠幾乎全部分布在邊界層以內(nèi)，所以相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)無(wú)法用于中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。由于相干探測(cè)無(wú)法探測(cè)分子的瑞利散射信號(hào)，因而無(wú)法檢測(cè)大氣溫度，而溫度是大氣狀態(tài)的重要參數(shù)之一。溫度數(shù)據(jù)在大氣動(dòng)力學(xué)、氣候?qū)W和大氣化學(xué)領(lǐng)域，在研究全球氣候變暖、中間逆溫層、地球重力波等科學(xué)問題上扮演著重要角色。因此，以上不足限制了相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在分子瑞利散射信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。在光電探測(cè)器后使用帶通濾波器濾除強(qiáng)度較大的氣溶膠米散射信號(hào)，并使用前置放大器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行放大；使用可調(diào)帶通濾波器對(duì)放大后的瑞利信號(hào)進(jìn)行處理，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，實(shí)現(xiàn)頻譜選通，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻域到強(qiáng)度的直接轉(zhuǎn)換，得到瑞利信號(hào)的譜寬。本發(fā)明既利用了相干探測(cè)靈敏度高，對(duì)弱信號(hào)放大性好的優(yōu)點(diǎn)，又利用了直接探測(cè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算量小的特點(diǎn)。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，包括：連續(xù)波激光器、光纖分束器、光調(diào)制器、激光放大器、光纖環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、混頻器、光電探測(cè)器、帶通濾波器、前置放大器、功率分配器、可調(diào)帶通濾波器、多通道采集卡和數(shù)字信號(hào)處理模塊；其中，

連續(xù)波激光器的輸出端與光纖分束器的入光口連接，所述光纖分束器將輸入的光信號(hào)分為信號(hào)光和本振光，信號(hào)光接入光調(diào)制器的入光口，光調(diào)制器的出光口連接激光放大器的入光口，激光放大器的出光口連接光纖環(huán)形器的輸入端，光纖環(huán)形器的收發(fā)端連接望遠(yuǎn)鏡，光纖環(huán)形器的輸出端連接混頻器的第一輸入端；本振光接入混頻器的第二輸入端；混頻器的輸出端連接光電探測(cè)器的輸入端；光電探測(cè)器的輸出端連接帶通濾波器的輸入端，帶通濾波器的輸出端連接前置放大器的輸入端；前置放大器的輸出端連接功率分配器的輸入端；功率分配器的第一輸出端連接多通道采集卡的第一輸入端，功率分配器第二輸出端連接可調(diào)帶通濾波器的輸入端；可調(diào)帶通濾波器的輸出端連接多通道采集卡的第二輸入端，多通道采集卡輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理模塊。

進(jìn)一步地，所述光調(diào)制器為電光調(diào)制器。

進(jìn)一步地，所述光調(diào)制器為聲光調(diào)制器。

進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器為平衡探測(cè)器。

進(jìn)一步地，所述激光放大器為摻鉺光纖放大器。

進(jìn)一步地，所述可調(diào)帶通濾波器的中心頻率為0-1GHz可調(diào)，通帶帶寬為100MHz。

進(jìn)一步地，所述功率分配器為一分二功率分配器。

進(jìn)一步地，所述連續(xù)波激光器、光纖分束器、光調(diào)制器、激光放大器、光纖環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、混頻器和光電探測(cè)器之間均采用保偏光纖連接。

本發(fā)明還提供了基于上述的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的溫度測(cè)量方法，包括：

連續(xù)波激光器輸出激光至光纖分束器；

光纖分束器將輸入的激光分為兩路，一路用作信號(hào)光，另外一路用作本振光；

信號(hào)光輸入光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，脈沖光經(jīng)激光放大器放大后輸入光纖環(huán)形器，由望遠(yuǎn)鏡出射；

本振光輸入混頻器；

望遠(yuǎn)鏡接收出射激光與大氣作用后反射回的回波信號(hào)，并將接收到的回波信號(hào)經(jīng)光纖分束器輸出；光纖分束器輸出的回波信號(hào)輸入至混頻器中與本振光混頻，混頻后的光信號(hào)輸出至光電探測(cè)器；

光電探測(cè)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為IF信號(hào)輸出至帶通濾波器；

帶通濾波器濾除窄帶米散射電信號(hào)后，將信號(hào)輸入前置放大器；前置放大器對(duì)分子瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的信號(hào)輸入功率分配器；

功率分配器的輸出的一部分信號(hào)作為參考信號(hào)輸入多通道采集卡的一個(gè)輸入口，功率分配器輸出的第二部分信號(hào)輸入可調(diào)帶通濾波器進(jìn)行信號(hào)處理；

可調(diào)帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，得到不同頻率處信號(hào)強(qiáng)度的分布；

多通道采集卡接收功率分配器輸出的參考信號(hào)和可調(diào)帶通濾波器輸出的信號(hào)后輸出至數(shù)字信號(hào)處理模塊；

數(shù)字信號(hào)處理模塊通過對(duì)信號(hào)強(qiáng)度分布的擬合，得到信號(hào)的展寬，根據(jù)信號(hào)的展開得到對(duì)應(yīng)探測(cè)距離處的溫度。

本發(fā)明還提供了一種基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，包括：連續(xù)波激光器、分束器、光調(diào)制器、激光放大器、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、混頻器、光電探測(cè)器、帶通濾波器、前置放大器、功率分配器、可調(diào)帶通濾波器、多通道采集卡和數(shù)字信號(hào)處理模塊；其中，

連續(xù)波激光器輸出的光信號(hào)經(jīng)分束器后分為信號(hào)光和本振光，信號(hào)光輸入光調(diào)制器調(diào)制后，輸入到激光放大器，激光放大器將輸入的光信號(hào)放大后輸出到環(huán)形器的輸入端，環(huán)形器的收發(fā)端連接望遠(yuǎn)鏡，從光纖環(huán)形器的輸出端輸出的光信號(hào)輸入到混頻器的第一輸入端；本振光接入混頻器的第二輸入端；從混頻器輸出的光信號(hào)輸入光電探測(cè)器；從光電探測(cè)器的輸出的信號(hào)輸入帶通濾波器，帶通濾波器的輸出端連接前置放大器的輸入端；前置放大器的輸出端連接功率分配器的輸入端；功率分配器的第一輸出端連接多通道采集卡的第一輸入端，功率分配器第二輸出端連接可調(diào)帶通濾波器的輸入端；可調(diào)帶通濾波器的輸出端連接多通道采集卡的第二輸入端，多通道采集卡輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理模塊。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用可調(diào)帶通濾波器對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，實(shí)現(xiàn)頻譜選通，將信號(hào)的頻域變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，不需要進(jìn)行FFT變換便可以提取信號(hào)頻域信息。本發(fā)明同時(shí)利用了相干探測(cè)和直接探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)寬譜微弱瑞利信號(hào)的探測(cè)。

(2)本發(fā)明使用帶通濾波器濾除氣溶膠米散射信號(hào)；由于氣溶膠米散射信號(hào)強(qiáng)度是分子瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度的100倍以上，使用帶通濾波器濾除米散射信號(hào)后，再使用前置放大器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，可以防止放大器飽和，同時(shí)可以提高后續(xù)探測(cè)電路的靈敏度。

(3)本發(fā)明采用功率分配器將放大后的瑞利信號(hào)分出一路作為參考信號(hào)，可以去除光電探測(cè)器或放大器不穩(wěn)定造成的信號(hào)探測(cè)誤差。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為傳統(tǒng)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的原理圖；

圖2為本發(fā)明提供的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為單個(gè)距離門處，帶通濾波器濾除分子米散射信號(hào)的示意圖和可調(diào)帶通濾波器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行濾波的示意圖；

圖4為信號(hào)通過可調(diào)帶通濾波器處理之后的強(qiáng)度分布；

圖5為本發(fā)明提供的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的另一結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1：

圖2是本發(fā)明提供的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示，包括：連續(xù)波激光器1、光纖分束器2、光調(diào)制器3、激光放大器4、光纖環(huán)形器5、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7、光電探測(cè)器8、帶通濾波器9、前置放大器10、功率分配器11、可調(diào)帶通濾波器12、多通道采集卡13和數(shù)字信號(hào)處理模塊14。

連續(xù)波激光器1用于輸出連續(xù)光作為種子光。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，連續(xù)波激光器為光纖激光器，光纖激光器具體體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

連續(xù)波激光器1的輸出端與光纖分束器2的入光口連接，所述光纖分束器2將輸入的光信號(hào)分為信號(hào)光和本振光。具體的，光纖分束器2用于將輸入的光信號(hào)分為兩路，即信號(hào)光和本振光。光纖分束器2具有兩個(gè)輸出端，分別是第一輸出端和第二輸出端，其中，第一輸出端用于輸出信號(hào)光，第二輸出端用于輸出本振光。

第一輸出端與光調(diào)制器3的輸入端連接，信號(hào)光接入光調(diào)制器3的入光口。光調(diào)制器3可以是聲光調(diào)制器，或者光調(diào)制器3可以是電光調(diào)制器，只要能夠?qū)⑤斎氲倪B續(xù)光轉(zhuǎn)換為脈沖光的光調(diào)制器，均適用于本發(fā)明。

光調(diào)制器3的出光口連接激光放大器4的入光口，入光口也叫做輸出端；出光口也叫做輸出端。

激光放大器4的出光口連接光纖環(huán)形器5的輸入端。

在一個(gè)可選的實(shí)施例中，連續(xù)波激光器1輸出的光信號(hào)的波長(zhǎng)為1550nm，所述激光放大器4為摻鉺光纖放大器。

光纖環(huán)形器5具有三個(gè)端口，分別為輸入端、收發(fā)端和輸出端，收發(fā)端既能發(fā)射光信號(hào)，也能接收光信號(hào)。輸入端對(duì)應(yīng)于圖2中的a端，收發(fā)端對(duì)應(yīng)于圖2中的b端，輸出端對(duì)應(yīng)于圖2中的c端。

光纖環(huán)形器5的收發(fā)端連接望遠(yuǎn)鏡6，用于將輸入的信號(hào)光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡6發(fā)射到大氣中，同時(shí)，光纖環(huán)形器5的收發(fā)端用于接收信號(hào)光的后向散射信號(hào)。

光纖環(huán)形器5的輸出端連接混頻器7的第一輸入端。

混頻器7是產(chǎn)生的振蕩頻率為兩個(gè)輸入振蕩或信號(hào)頻譜分量中的頻率的整數(shù)倍的線性組合的非線性器件?；祛l器7用于把輸入的兩個(gè)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行混合得到第三個(gè)頻率的信號(hào)。混頻器7具有至少兩個(gè)輸入端。

本振光接入混頻器7的第二輸入端；混頻器7的輸出端連接光電探測(cè)器8的輸入端。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，光電探測(cè)器8為平衡探測(cè)器。

光電探測(cè)器8的輸出端連接帶通濾波器9的輸入端，帶通濾波器9的輸出端連接前置放大器10的輸入端；前置放大器10的輸出端連接功率分配器11的輸入端；功率分配器(power divider)是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，所述功率分配器11包括至少兩個(gè)輸出端，即功率分配器11至少包括第一輸出端和第二輸出端；功率分配器11的第一輸出端連接多通道采集卡13的第一輸入端，功率分配器11第二輸出端連接可調(diào)帶通濾波器12的輸入端；可調(diào)帶通濾波器12的輸出端連接多通道采集卡13的第二輸入端，多通道采集卡13輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理模塊14。

光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)大部分為弱信號(hào)，前置放大器10用于對(duì)光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，提高后續(xù)信號(hào)處理電路的靈敏度。

在一種可選的實(shí)施例中，所述功率分配器為一分二功率分配器。當(dāng)然，功率分配器也可以是其他類型的一分多功率分配器，只要能夠輸出至少兩路信號(hào)的功率分配器，均適用于本發(fā)明。

帶通濾波器9用于濾除氣溶膠米散射信號(hào)。氣溶膠米散射信號(hào)強(qiáng)度是分子瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度的100倍以上。使用帶通濾波器濾除米散射信號(hào)后，再使用前置放大器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，可以有效防止放大器飽和，同時(shí)可以提高后續(xù)探測(cè)電路的靈敏度。

進(jìn)一步地，所述可調(diào)帶通濾波器12用于對(duì)輸入的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，形成掃描式鑒頻器，通過頻譜選通，根據(jù)預(yù)設(shè)的輸入信號(hào)的頻率與輸出信號(hào)強(qiáng)度的映射關(guān)系，將信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化。不需要進(jìn)行FFT變換便可以提取信號(hào)頻域信息。本發(fā)明同時(shí)利用了相干探測(cè)和直接探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)寬譜微弱瑞利信號(hào)的探測(cè)。

在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述可調(diào)帶通濾波器12的中心頻率為0-1GHz可調(diào)，通帶帶寬為100MHz。

采用功率分配器將放大后的瑞利信號(hào)分出一路作為參考信號(hào)，可以去除光電探測(cè)器或放大器不穩(wěn)定造成的信號(hào)探測(cè)誤差。

數(shù)字信號(hào)處理模塊14可以是計(jì)算機(jī)或具有數(shù)字信號(hào)處理功能的器件，如單片機(jī)。

在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述連續(xù)波激光器1、光纖分束器2、光調(diào)制器3、激光放大器4、光纖環(huán)形器5、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7和光電探測(cè)器8之間均采用保偏光纖連接。由于上述光路中的各個(gè)元件之間均采用保偏光纖連接，有效地減小了整個(gè)裝置的體積、重量，同時(shí)，由于光纖輕柔、可彎折的特性，光纖連接有效地增加了裝置的靈活性和便攜性，降低裝置的硬件裝配要求。

本發(fā)明還提供了基于上述的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的溫度測(cè)量方法，包括：

連續(xù)波激光器輸出激光至光纖分束器；

光纖分束器將輸入的激光分為兩路，一路用作信號(hào)光，另外一路用作本振光；

信號(hào)光輸入光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，脈沖光經(jīng)激光放大器放大后輸入光纖環(huán)形器，由望遠(yuǎn)鏡出射；

本振光輸入混頻器；

望遠(yuǎn)鏡接收出射激光與大氣作用后反射回的回波信號(hào)，并將接收到的回波信號(hào)經(jīng)光纖分束器輸出；光纖分束器輸出的回波信號(hào)輸入至混頻器中與本振光混頻，混頻后的光信號(hào)輸出至光電探測(cè)器；

光電探測(cè)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為IF信號(hào)輸出至帶通濾波器；

帶通濾波器濾除窄帶米散射電信號(hào)后，將信號(hào)輸入前置放大器；前置放大器對(duì)分子瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的信號(hào)輸入功率分配器；

功率分配器的輸出的一部分信號(hào)作為參考信號(hào)輸入多通道采集卡的一個(gè)輸入口，功率分配器輸出的第二部分信號(hào)輸入可調(diào)帶通濾波器進(jìn)行信號(hào)處理；

可調(diào)帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，得到不同頻率處信號(hào)強(qiáng)度的分布；

多通道采集卡接收功率分配器輸出的參考信號(hào)和可調(diào)帶通濾波器輸出的信號(hào)后輸出至數(shù)字信號(hào)處理模塊；

數(shù)字信號(hào)處理模塊通過對(duì)信號(hào)強(qiáng)度分布的擬合，得到信號(hào)的展寬，根據(jù)信號(hào)的展開得到對(duì)應(yīng)探測(cè)距離處的溫度。

下面結(jié)合圖2-圖4對(duì)本發(fā)明提供的基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作過程進(jìn)行說(shuō)明。

步驟一：連續(xù)波激光器1發(fā)出激光，激光經(jīng)光纖分束器分為本振光和信號(hào)光。信號(hào)光經(jīng)光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光后，經(jīng)激光放大器4進(jìn)行能量放大，經(jīng)過光纖環(huán)形器5后輸入望遠(yuǎn)鏡6發(fā)射至大氣中。

步驟二：出射激光與大氣作用后，后向散射信號(hào)經(jīng)望遠(yuǎn)鏡6接收，由光纖環(huán)形器5的b口輸入，c口輸出后接入混頻器7和平衡探測(cè)器中與本振光混頻并轉(zhuǎn)換為IF電信號(hào)。

步驟三：平衡探測(cè)器輸出的IF電信號(hào)經(jīng)帶通濾波器9濾除窄帶米散射電信號(hào)，輸入前置放大器10對(duì)余下的分子瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，并輸入功率分配器11；功率分配器的一個(gè)輸出作為參考信號(hào)接入多通道采集卡13的一個(gè)輸入口，功率分配器的第二個(gè)輸出接至可調(diào)帶通濾波器12進(jìn)行信號(hào)處理。通過可調(diào)帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，得到不同頻率處信號(hào)強(qiáng)度的分布，如圖4所示。通過對(duì)信號(hào)強(qiáng)度分布的擬合，得到信號(hào)的展寬，從而得到對(duì)應(yīng)探測(cè)距離處的溫度。

如圖3所示，1550nm波長(zhǎng)的瑞利回波信號(hào)半寬為1GHz左右。若連續(xù)波激光器1發(fā)射的光波長(zhǎng)為1550nm，則可調(diào)帶通濾波器的中心頻率為0-1GHz可調(diào)，可調(diào)帶通濾波器的通帶帶寬100MHz。圖4為信號(hào)通過可調(diào)帶通濾波器處理之后的強(qiáng)度分布。為便于看出瑞利分布，使用白色虛線部分表示對(duì)稱分布的瑞利信號(hào)另一半。

綜上所述，本發(fā)明在光電探測(cè)器后使用帶通濾波器濾除強(qiáng)度較大的氣溶膠米散射信號(hào)，并使用前置放大器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行放大；使用可調(diào)帶通濾波器對(duì)放大后的瑞利信號(hào)進(jìn)行處理，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，實(shí)現(xiàn)頻譜選通，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻域到強(qiáng)度的直接轉(zhuǎn)換，得到瑞利信號(hào)的譜寬。本發(fā)明既利用了相干探測(cè)靈敏度高，對(duì)弱信號(hào)放大性好的優(yōu)點(diǎn)，又利用了直接探測(cè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算量小的特點(diǎn)。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用可調(diào)帶通濾波器對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，形成電學(xué)上的掃描式鑒頻器，實(shí)現(xiàn)頻譜選通，將信號(hào)的頻域變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，不需要進(jìn)行FFT變換便可以提取信號(hào)頻域信息。本發(fā)明同時(shí)利用了相干探測(cè)和直接探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)寬譜微弱瑞利信號(hào)的探測(cè)。

(2)本發(fā)明使用帶通濾波器濾除氣溶膠米散射信號(hào)；由于氣溶膠米散射信號(hào)強(qiáng)度是分子瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度的100倍以上，使用帶通濾波器濾除米散射信號(hào)后，再使用前置放大器對(duì)瑞利信號(hào)進(jìn)行放大，可以防止放大器飽和，同時(shí)可以提高后續(xù)探測(cè)電路的靈敏度。

(3)本發(fā)明采用功率分配器將放大后的瑞利信號(hào)分出一路作為參考信號(hào)，可以去除光電探測(cè)器或放大器不穩(wěn)定造成的信號(hào)探測(cè)誤差。

實(shí)施例2

如圖5所示，本發(fā)明還提供了一種基于寬譜選通相干探測(cè)的瑞利多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，包括：連續(xù)波激光器1、分束器、光調(diào)制器3、激光放大器4、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7、光電探測(cè)器8、帶通濾波器9、前置放大器10、功率分配器11、可調(diào)帶通濾波器12、多通道采集卡13和數(shù)字信號(hào)處理模塊14；其中，

連續(xù)波激光器1輸出的光信號(hào)經(jīng)分束器后分為信號(hào)光和本振光，信號(hào)光輸入光調(diào)制器3調(diào)制后，輸入到激光放大器4，激光放大器4將輸入的光信號(hào)放大后輸出到環(huán)形器的輸入端，環(huán)形器的收發(fā)端連接望遠(yuǎn)鏡6，從光纖環(huán)形器的輸出端輸出的光信號(hào)輸入到混頻器7的第一輸入端；本振光接入混頻器7的第二輸入端；從混頻器7輸出的光信號(hào)輸入光電探測(cè)器8；從光電探測(cè)器8的輸出的信號(hào)輸入帶通濾波器9，帶通濾波器9的輸出端連接前置放大器10的輸入端；前置放大器10的輸出端連接功率分配器11的輸入端；所述功率分配器11包括至少兩個(gè)輸出端，功率分配器11的第一輸出端連接多通道采集卡13的第一輸入端，功率分配器11第二輸出端連接可調(diào)帶通濾波器12的輸入端；可調(diào)帶通濾波器12的輸出端連接多通道采集卡13的第二輸入端，多通道采集卡13輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理模塊14。

圖中，連續(xù)波激光器1、分束器、光調(diào)制器3、激光放大器4、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7、光電探測(cè)器8之間的連線代表光信號(hào)的傳輸方向，連續(xù)波激光器1、分束器2、光調(diào)制器3、激光放大器4、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7和光電探測(cè)器8之間可以通過光纖連接，當(dāng)然，也可以不通過光波導(dǎo)，連續(xù)波激光器1、分束器2、光調(diào)制器3、激光放大器4、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡6、混頻器7和光電探測(cè)器8之間的光信號(hào)在自由空間傳輸也適用于本發(fā)明。

在一種可選的實(shí)施例中，所述功率分配器為一分二功率分配器。當(dāng)然，功率分配器也可以是其他類型的一分多功率分配器，只要能夠輸出至少兩路信號(hào)的功率分配器，均適用于本發(fā)明。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。