本發(fā)明涉及風(fēng)力風(fēng)向測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)方法及測(cè)風(fēng)雷達(dá)。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為清潔可再生能源，逐漸受世界各國(guó)的重視，催生了風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的迅速發(fā)展。但風(fēng)力發(fā)電會(huì)受風(fēng)速風(fēng)向隨機(jī)變化不利影響，包括風(fēng)向變化帶來(lái)的風(fēng)機(jī)偏航問(wèn)題與風(fēng)速變化帶來(lái)的功率波動(dòng)問(wèn)題，因此如何對(duì)風(fēng)力風(fēng)向的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效能、高安全性風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵。

目前測(cè)風(fēng)設(shè)備主要分為兩大類(lèi)型：傳統(tǒng)的風(fēng)杯風(fēng)標(biāo)式風(fēng)速風(fēng)向儀和新型的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)。與傳統(tǒng)的風(fēng)杯風(fēng)標(biāo)式風(fēng)速風(fēng)向儀相比，新型的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)不僅具有測(cè)試精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的非接觸遙測(cè)，便于避開(kāi)風(fēng)機(jī)槳葉的干擾，同時(shí)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)波長(zhǎng)較短，探測(cè)光可被空氣中的粉塵、氣溶膠等粒子反射，更適用于晴空條件下的高精度實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量，因此，新型的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)已得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)按照工作機(jī)制可分為脈沖式和連續(xù)波兩類(lèi)。由于與脈沖式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)相比，連續(xù)波激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)具有測(cè)試精度高、測(cè)試盲區(qū)小、成本低以及穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，其已成為目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)前方風(fēng)速風(fēng)向的實(shí)時(shí)檢測(cè)的主要技術(shù)手段。

但是目前連續(xù)光激光雷達(dá)存在以下問(wèn)題：

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般需采用光學(xué)外差干涉方式實(shí)現(xiàn)，光路至少需要參考光路和探測(cè)光路，如果需進(jìn)一步對(duì)風(fēng)速矢量多方向測(cè)量，光路更加復(fù)雜，成本較高。

2.光路元器件眾多，即使采用鍍膜工藝，楔角設(shè)計(jì)或傾斜安裝等，不可避免帶來(lái)額外損耗。

3.激光器光源是測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的主要成本來(lái)源。由于測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)多普勒頻移的提取精度與散射光線寬密切相關(guān)，因此一般需窄線寬的激光器光源，大幅提高了相關(guān)成本。

4.由于風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)際線采用非定點(diǎn)測(cè)量的機(jī)制，因此需要存在大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)(掃描)元件，系統(tǒng)可靠性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于外界反饋光反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成的激光自混合效應(yīng)，利用偏振分光同時(shí)檢測(cè)方式或者偏振分時(shí)檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)的連續(xù)波激光矢量測(cè)風(fēng)方法及基于該方法的測(cè)風(fēng)雷達(dá)。

為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是：

一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)方法，具體步驟包括：

a.激光器出射激光經(jīng)偏振片形成線偏振光；

b.線偏振光經(jīng)偏振分束器形成偏振方向互相正交的兩束線偏振光，兩束線偏振光的偏振方向與線偏振光的偏振方向之間的夾角均為45度；

c.兩束線偏振光分別經(jīng)兩個(gè)輸出光路同時(shí)投射到同一待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述兩束線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度；

d.返回的攜帶有兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息的兩束線偏振光合束后反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信號(hào)分量；

e.探測(cè)激光自混合信號(hào)并對(duì)其分析處理得出兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息進(jìn)行合成，即可得出實(shí)際的風(fēng)速信息和風(fēng)向信息。

作為改進(jìn)，所述步驟c中兩個(gè)輸出光路上均設(shè)有擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

基于上述測(cè)風(fēng)方法的測(cè)風(fēng)雷達(dá)，包括激光器、偏振片、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第一探測(cè)器、第二探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理單元，所述激光器出射激光，所述激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光，所述初始線偏振光經(jīng)偏振分束器分成第一線偏振光和第二線偏振光，所述第一線偏振光的偏振方向與第二線偏振光的偏振方向互相正交且兩者與初始線偏振光的偏振方向之間的夾角均為45度，所述第一線偏振光和第二線偏振光投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度，返回的第一線偏振光和第二線偏振光沿原路反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量，第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量分別經(jīng)第一分束器和第二分束器反饋到第一探測(cè)器和第二探測(cè)器中，第一探測(cè)器和第二探測(cè)器分別將自己接收到的激光自混合信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)輸出的兩組電信號(hào)分別進(jìn)行處理分析得出兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息進(jìn)行合成即可得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

作為改進(jìn)，所述第一線偏振光和第二線偏振光分別通過(guò)第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中。

作為優(yōu)選，所述第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均為反射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)或者透射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，所述偏振分束器采用布魯斯特窗口片或者沃拉斯頓棱鏡。

作為優(yōu)選，所述激光器為半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、固體激光器或者氣體激光器。

為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是：

一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)方法，具體步驟包括：

a.激光器出射激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光；

b.初始線偏振光進(jìn)入延時(shí)裝置，通過(guò)控制延時(shí)裝置的延時(shí)量使得線偏振光的偏振方向交替出現(xiàn)0度偏轉(zhuǎn)或者90度偏轉(zhuǎn)；

c.偏振方向交替改變的線偏振光經(jīng)偏振分束器分成偏振方向0度偏轉(zhuǎn)的線偏振光和偏振方向90度偏轉(zhuǎn)的線偏振光，兩束線偏振光分別經(jīng)兩個(gè)輸出光路同時(shí)投射到同一待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述兩束線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度；

d.返回的攜帶有兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息的兩束線偏振光合束后反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信號(hào)分量；

e.探測(cè)激光自混合信號(hào)并對(duì)其分析處理得出兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息進(jìn)行合成，即可得出實(shí)際的風(fēng)速信息和風(fēng)向信息。

作為改進(jìn)，所述步驟c中兩個(gè)輸出光路上均設(shè)有擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

基于上述測(cè)風(fēng)方法的測(cè)風(fēng)雷達(dá),包括激光器、偏振片、電控延時(shí)器、偏振分束器、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理單元，所述激光器出射激光，所述激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光，所述初始線偏振光經(jīng)電控延時(shí)器形成偏振方向分時(shí)出現(xiàn)0度偏轉(zhuǎn)和90度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)線偏振光，偏轉(zhuǎn)線偏振光經(jīng)偏振分束器分成偏振方向0度偏轉(zhuǎn)的第一線偏振光和偏振方向90度偏轉(zhuǎn)的第二線偏振光，所述第一線偏振光和第二線偏振光投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度，返回的第一線偏振光和第二線偏振光沿原路反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量且這兩種信號(hào)分量分時(shí)出現(xiàn)，探測(cè)器接收激光自混合信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理分析得出兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息進(jìn)行合成即可得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

作為改進(jìn)，所述第一線偏振光和第二線偏振光分別通過(guò)第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中。

作為優(yōu)選，所述第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均為反射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)或者透射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，所述偏振分束器采用布魯斯特窗口片或者沃拉斯頓棱鏡。

作為優(yōu)選，所述激光器為半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、固體激光器或者氣體激光器。

從以上描述可以看出，本發(fā)明具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明所述的測(cè)風(fēng)雷達(dá)只需單一光路，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)體積、復(fù)雜度和成本，提高系統(tǒng)的收集光效率。

2.本發(fā)明所述的測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用全光學(xué)元件，無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)元件，大幅度提高了測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和魯棒性。

3.由于反饋光返回激光器腔內(nèi)時(shí)，會(huì)改變激光器穩(wěn)態(tài)條件，可進(jìn)一步壓縮激光器線寬，同時(shí)激光自混合效應(yīng)相關(guān)距離理論上不受激光器線寬影響，因此偏振反饋激光自混合測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)激光器光源線寬要求大大降低，不同類(lèi)型激光器光源均可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)風(fēng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明矢量測(cè)量原理示意圖；

圖2是三鏡腔理論模型示意圖；

圖3是風(fēng)速合成示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的激光傳輸方向和激光偏振方向的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例2的激光傳輸方向和激光偏振方向的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于激光多普勒測(cè)速原理，但由于激光多普勒信號(hào)只能測(cè)量光束方向的速度，即將其應(yīng)用在測(cè)量風(fēng)速的場(chǎng)合時(shí)只能測(cè)量光束方向的風(fēng)速，無(wú)法直接獲得風(fēng)向數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明擬采用一種矢量測(cè)量的方法對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量，下面結(jié)合圖1對(duì)采用的矢量測(cè)量方法進(jìn)行說(shuō)明。

如圖1所示，為基于矢量測(cè)量方法的風(fēng)速合成示意圖。該矢量測(cè)量方法，先探測(cè)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速分量，再對(duì)探測(cè)到的兩個(gè)分量進(jìn)行合成，從而獲得實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向。

基于上述矢量測(cè)量方法，本發(fā)明結(jié)合激光偏振效應(yīng)、激光自混合效應(yīng)對(duì)風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量原理為：

(1)基于激光偏振效應(yīng)，利用不同偏振態(tài)的激光分別對(duì)不同矢量方向上的風(fēng)速分量進(jìn)行測(cè)量；

(2)基于激光的自混合效應(yīng)利用激光對(duì)每個(gè)矢量方向上的風(fēng)速分量進(jìn)行測(cè)量，其方法為：將激光投射到待測(cè)風(fēng)場(chǎng)中，投射到待測(cè)風(fēng)場(chǎng)中的氣溶膠粒子上的激光形成后向散射并返回，返回激光反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，通過(guò)對(duì)激光自混合信號(hào)進(jìn)行功率分析，即可得到氣溶膠粒子的后向散射信息從而獲得氣溶膠粒子的移動(dòng)信息，通過(guò)氣溶膠粒子的移動(dòng)信息即可分析出風(fēng)速信息；

(3)最后基于矢量測(cè)量方法，將兩個(gè)矢量方向上測(cè)得的風(fēng)速分量進(jìn)行合成即可得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

基于上述測(cè)量原理，建立理論模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，以論證本發(fā)明的可行性。具體推導(dǎo)過(guò)程如下：

如圖2所示，三鏡腔理論模型中，將激光器內(nèi)部等效成一個(gè)由前后兩端面m1、m2組成的腔結(jié)構(gòu)，反射系數(shù)分別為r1、r2，輸出激光由外部大氣氣溶膠顆粒后向散射回激光腔內(nèi)，其中，大氣氣溶膠等效成外部反射面m3，由于大氣對(duì)激光的吸收、散射等都會(huì)導(dǎo)致激光能量的衰減，最終返回激光器的信號(hào)大功率可表示為：

p＝p0ηoηt[t(r)]²(cβ/2)(ar/r²)式(1)

式(1)中，p0為激光初始出射功率，ηo為光學(xué)系統(tǒng)(含擴(kuò)束、準(zhǔn)直系統(tǒng)等)的透過(guò)效率，ηt為激光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的截?cái)鄵p失(插入損耗)，

ar＝πd²/4為擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的接收截面，d為擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的；β為氣溶膠的后向散射系數(shù)；t(r)為傳輸距離為r處的大氣透過(guò)率。

均勻大氣的條件下，大氣透過(guò)率遵從比爾-朗伯定律，可表示為：

式(2)中，α(r)是任意距離r處的大氣消光系數(shù)，包含大氣分子和氣溶膠兩方面影響。三鏡腔理論中的外部反射率r3可等效為：

r3＝ηoηt[t(r)]²(cβ/2)(ar/r²)式(3)

根據(jù)激光穩(wěn)態(tài)條件，因此相位φ(v)偏離量δφ(v)的值應(yīng)等于0，即：

其中α是激光器的線寬展寬因子，v0，v分別是無(wú)反饋光時(shí)和有反饋光時(shí)激光器的激光頻率，ξ表示反饋光對(duì)激光器內(nèi)腔的耦合系數(shù)，且有內(nèi)腔和外腔時(shí)延分別為τd(＝2n0d/c)(n0為激光器內(nèi)部折射率)和τr(＝2r/c)。

根據(jù)激光器的輸出功率與激光器的增益和頻率的關(guān)系可得激光器輸出功率表達(dá)式如下：

p＝p0[1+m×cos(φext)]式(5)

其中，φext(＝4πvr/c)是往返腔鏡m2-m3的相位，m為調(diào)制系數(shù)。

在實(shí)際測(cè)量中，速度與自混合信號(hào)頻移量δf關(guān)系式如下：

在本系統(tǒng)中，由p光和s光(p光和s光為互相正交的不同偏振方向的激光分量)分別測(cè)得兩個(gè)不同方向的風(fēng)速分別為

如圖3所示，則實(shí)際風(fēng)速可表示為：

θ為p光和s光之間夾角。由幾何關(guān)系可得出vcosα-vpcosθ＝vs，則實(shí)際風(fēng)向與s光夾角α可表示為：

由于同一束激光的偏振態(tài)控制方法可以采用同時(shí)不同偏振態(tài)控制或者分時(shí)不同偏振態(tài)控制兩種方式，因此基于上述理論基礎(chǔ)可以形成如下兩種測(cè)風(fēng)方法。

第一種測(cè)風(fēng)方法為：

一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)方法，具體步驟包括：

a.激光器出射激光經(jīng)偏振片形成線偏振光；

b.線偏振光經(jīng)偏振分束器形成偏振方向互相正交的兩束線偏振光，兩束線偏振光的偏振方向與線偏振光的偏振方向之間的夾角均為45度；

c.兩束線偏振光分別經(jīng)兩個(gè)輸出光路同時(shí)投射到同一待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述兩束線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度；

d.返回的攜帶有兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息的兩束線偏振光合束后反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信號(hào)分量；

e.探測(cè)激光自混合信號(hào)并對(duì)其分析處理得出兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息進(jìn)行合成，即可得出實(shí)際的風(fēng)速信息和風(fēng)向信息。

其中，步驟c中的兩個(gè)輸出光路上還可以增設(shè)擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，使得線偏振光投射到風(fēng)場(chǎng)前進(jìn)行擴(kuò)束，以增加光束的覆蓋角度，從而獲得足夠多的氣溶膠粒子后向散射信息。

本方法中利用偏振分束器在同一時(shí)段內(nèi)將線偏振光分為兩種不同偏振態(tài)的線偏振光，兩種不同偏振態(tài)的線偏振光沿不同的輸出光路輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

第二種測(cè)風(fēng)方法為：

一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)方法，具體步驟包括：

a.激光器出射激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光；

b.初始線偏振光進(jìn)入延時(shí)裝置，通過(guò)控制延時(shí)裝置的延時(shí)量使得線偏振光的偏振方向交替出現(xiàn)0度偏轉(zhuǎn)或者90度偏轉(zhuǎn)；

c.偏振方向交替改變的線偏振光經(jīng)偏振分束器分成偏振方向0度偏轉(zhuǎn)的線偏振光和偏振方向90度偏轉(zhuǎn)的線偏振光，兩束線偏振光分別經(jīng)兩個(gè)輸出光路同時(shí)投射到同一待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，所述兩束線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度；

d.返回的攜帶有兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息的兩束線偏振光合束后反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信號(hào)分量；

e.探測(cè)激光自混合信號(hào)并對(duì)其分析處理得出兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速信息進(jìn)行合成，即可得出實(shí)際的風(fēng)速信息和風(fēng)向信息。

其中，步驟c中的兩個(gè)輸出光路上還可以增設(shè)擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，使得線偏振光投射到風(fēng)場(chǎng)前進(jìn)行擴(kuò)束，以增加光束的覆蓋角度，從而獲得足夠多的氣溶膠粒子后向散射信息。

本方法中利用延時(shí)裝置使得線偏振光在不同時(shí)段內(nèi)的偏振方向不同即產(chǎn)生偏振態(tài)分時(shí)變化的線偏振光，偏振態(tài)分時(shí)變化的線偏振光經(jīng)過(guò)偏振分束器后，不同偏振態(tài)的線偏振光分別通過(guò)不同的輸出光路輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)矢量方向上的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

下面結(jié)合圖4和圖5，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例1，但不對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求做任何限定。

如圖4所示，一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)雷達(dá)，包括激光器、偏振片、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第一探測(cè)器、第二探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理單元；

激光器出射的激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光，初始線偏振光再經(jīng)偏振分束器分成第一線偏振光和第二線偏振光，第一線偏振光的偏振方向與第二線偏振光的偏振方向互相正交且兩者與初始線偏振光的偏振方向之間的夾角均為45度，第一線偏振光和第二線偏振光投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度，返回的分別攜帶有兩個(gè)矢量方向風(fēng)速信號(hào)的第一線偏振光和第二線偏振光沿原路反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，此時(shí)的激光自混合信號(hào)包含有第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量，第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量分別經(jīng)第一分束器和第二分束器分別反饋到第一探測(cè)器和第二探測(cè)器中，第一探測(cè)器和第二探測(cè)器分別將自己接收到的激光自混合信號(hào)分量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸出，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)輸出的兩組電信號(hào)分別進(jìn)行處理分析得出兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息進(jìn)行合成即可得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信息；

進(jìn)一步地，為了提高投向風(fēng)場(chǎng)中的光束覆蓋角度(即提高測(cè)量覆蓋角度)，在第一線偏振光和第二線偏振光的輸出光路上最好分別設(shè)置第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，利用第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)第一線偏振光和第二線偏振光進(jìn)行擴(kuò)束，此時(shí)，第一分束器和第二分束器最好分別設(shè)置在所述偏振分束器分別與第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)形成的兩個(gè)光路上。

本實(shí)施例中：

(1)第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度可以通過(guò)設(shè)置第一線偏振光的投射光路和第二線偏振光的投射光路實(shí)現(xiàn)。例如：a.如圖4所示，可以將第一線偏振光的投射光路(偏振分束器——第一分束器——第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)與第二線偏振光的投射光路(偏振分束器——第二分束器——第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)之間的夾角設(shè)置為小于90度；b.也可以將第一線偏振光的投射光路(偏振分束器——第一分束器——第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)與第二線偏振光的投射光路(偏振分束器——第二分束器——第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)之間的夾角設(shè)置為大于90度，然后再在第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)后續(xù)的光路上分別設(shè)置一個(gè)反射器，通過(guò)兩個(gè)反射器將兩束線偏振光反射到風(fēng)場(chǎng)中，從而保證第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度。

(2)偏振分束器可以采用布魯斯特窗口片或者沃拉斯頓棱鏡，也可以采用偏振分束鏡或者方解石光束偏移器，采用后者的兩種時(shí)需要結(jié)合反射光路使用。

(3)第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均可以采用反射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)(如牛頓型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、格里高利型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、卡塞格林型望遠(yuǎn)系統(tǒng)等)或者透射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)(開(kāi)普勒型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、伽利略型望遠(yuǎn)系統(tǒng)等)，圖2中第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均采用的是伽利略型望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

(4)激光光源可以采用半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、固體激光器或者氣體激光器等多種類(lèi)型的激光器。

(5)數(shù)據(jù)處理單元至少包括數(shù)據(jù)采集部分(采集由兩個(gè)矢量方向上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，即兩路電信號(hào))和數(shù)據(jù)處理部分(對(duì)兩路電信號(hào)分別進(jìn)行處理分析后，再將分析結(jié)果根據(jù)矢量原理合成)。

如圖5所示，為實(shí)施例1的激光傳輸方向和激光偏振方向的示意圖，圖中光路上的箭頭表示激光傳輸方向，實(shí)線代表出射光的傳輸方向，虛線代表返回光的傳輸方向，圓圈內(nèi)的箭頭表示相應(yīng)光路上的光偏振方向。

下面結(jié)合圖6和圖7，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例2，但不對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求做任何限定。

如圖6所示，一種基于偏振效應(yīng)和自混合效應(yīng)的激光矢量測(cè)風(fēng)雷達(dá)包括激光器、偏振片、電控延時(shí)器、偏振分束器、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理單元，所述激光器出射激光，所述激光經(jīng)偏振片形成初始線偏振光，所述初始線偏振光經(jīng)電控延時(shí)器形成偏振方向分時(shí)出現(xiàn)0度偏轉(zhuǎn)和90度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)線偏振光，偏轉(zhuǎn)線偏振光經(jīng)偏振分束器分成偏振方向0度偏轉(zhuǎn)的第一線偏振光和偏振方向90度偏轉(zhuǎn)的第二線偏振光，所述第一線偏振光和第二線偏振光投射到待測(cè)均勻風(fēng)場(chǎng)中后返回，第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度，返回的第一線偏振光和第二線偏振光沿原路反饋回激光器諧振腔內(nèi)形成激光自混合信號(hào)，所述激光自混合信號(hào)包含有第一線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量和第二線偏振光偏振方向的激光自混合信號(hào)分量且這兩種信號(hào)分量分時(shí)出現(xiàn)，探測(cè)器接收激光自混合信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理分析得出兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息，然后再對(duì)兩個(gè)矢量方向的風(fēng)速信息進(jìn)行合成即可得到實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

進(jìn)一步地，為了提高投向風(fēng)場(chǎng)中的光束覆蓋角度(即提高測(cè)量覆蓋角度)，在第一線偏振光和第二線偏振光的輸出光路上分別設(shè)置第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，利用第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)第一線偏振光和第二線偏振光進(jìn)行擴(kuò)束。

本實(shí)施例中：

(1)可以通過(guò)設(shè)置電控延時(shí)器的延遲量改變初始線偏振光的偏振態(tài)，即以電控方式控制延時(shí)器的延遲量在0與半波長(zhǎng)之間切換，從而導(dǎo)致經(jīng)過(guò)延時(shí)器輸出的線偏振光的偏轉(zhuǎn)方向出現(xiàn)0度偏轉(zhuǎn)與90度偏轉(zhuǎn)，由于延時(shí)器的延遲量在0與半波長(zhǎng)之間切換，那么線偏振光的0度偏轉(zhuǎn)與90度偏轉(zhuǎn)分時(shí)出現(xiàn)，即在不同的時(shí)間區(qū)間內(nèi)線偏振光的偏振方向不同。當(dāng)將偏轉(zhuǎn)方向分時(shí)改變的線偏振光通過(guò)偏振分束器時(shí)，不同偏振方向的線偏振光會(huì)沿不同的輸出光路輸出，從而實(shí)現(xiàn)從兩個(gè)矢量方向?qū)︼L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

(2)第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度可以通過(guò)設(shè)置第一線偏振光的投射光路和第二線偏振光的投射光路實(shí)現(xiàn)。例如：a.如圖6所示，可以將第一線偏振光的投射光路(偏振分束器——第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)與第二線偏振光的投射光路(偏振分束器——第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)構(gòu)成的光路)之間的夾角設(shè)置為小于90度；b.也可以將第一線偏振光的投射光路(偏振分束器——第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)與第二線偏振光的投射光路(偏振分束器——第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光路)之間的夾角設(shè)置為大于90度，然后再在第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)與第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)后續(xù)的光路上分別設(shè)置一個(gè)反射器，通過(guò)兩個(gè)反射器將兩束線偏振光反射到風(fēng)場(chǎng)中，從而保證第一線偏振光的投射方向與第二線偏振光的投射方向之間的夾角小于90度。

(3)偏振分束器可以采用布魯斯特窗口片或者沃拉斯頓棱鏡，也可以采用偏振分束鏡或者方解石光束偏移器，采用后者的兩種時(shí)需要結(jié)合反射光路使用。

(4)第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均可以采用反射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)(如牛頓型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、格里高利型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、卡塞格林型望遠(yuǎn)系統(tǒng)等)或者透射式擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)(開(kāi)普勒型望遠(yuǎn)系統(tǒng)、伽利略型望遠(yuǎn)系統(tǒng)等)，圖4中第一擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)和第二擴(kuò)束望遠(yuǎn)系統(tǒng)均采用的是伽利略型望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

(5)激光器可以采用半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、固體激光器或者氣體激光器等多種類(lèi)型的激光器。當(dāng)采用半導(dǎo)體激光器時(shí)，半導(dǎo)體激光器可以兼具探測(cè)器的功能。

(6)數(shù)據(jù)處理單元至少包括數(shù)據(jù)采集部分(采集由兩個(gè)矢量方向上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，即兩路電信號(hào))和數(shù)據(jù)處理部分(對(duì)兩路電信號(hào)分別進(jìn)行處理分析后，再將分析結(jié)果根據(jù)矢量原理合成)。

如圖7所示，為實(shí)施例2的激光傳輸方向和激光偏振方向的示意圖，圖中光路上的箭頭表示激光傳輸方向，實(shí)線代表出射光的傳輸方向，虛線代表返回光的傳輸方向，圓圈內(nèi)的箭頭表示相應(yīng)光路上的光偏振方向。

綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明所述的測(cè)風(fēng)雷達(dá)只需單一光路，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)體積、復(fù)雜度和成本，提高系統(tǒng)的收集光效率。

2.本發(fā)明所述的測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用全光學(xué)元件，無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)元件，大幅度提高了測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和魯棒性。

3.由于反饋光返回激光器諧振腔內(nèi)時(shí)，會(huì)改變激光器穩(wěn)態(tài)條件，可進(jìn)一步壓縮激光器線寬，同時(shí)激光自混合效應(yīng)相關(guān)距離理論上不受激光器線寬影響，因此偏振反饋激光自混合測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)激光器光源線寬要求大大降低，不同類(lèi)型激光器光源均可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)風(fēng)。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說(shuō)明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。