基于不對稱m-z干涉儀的全光纖測風(fēng)激光雷達(dá)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于不對稱 M-Z干涉儀的全光纖測風(fēng)激光雷達(dá)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 測風(fēng)激光雷達(dá)對提高長期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、風(fēng)暴預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、改進(jìn)氣候研究 模型、提高軍事環(huán)境預(yù)報(bào)等有重大意義。因此，大氣風(fēng)場的測量受到越來越多的關(guān)注，國際 民航機(jī)構(gòu)、世界氣象組織、世界各國航空航天的研究機(jī)構(gòu)等組織都正在積極地開展風(fēng)場探 測系統(tǒng)的研究與開發(fā)。
[0003] 多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)根據(jù)探測原理的不同可分為相干探測（又稱外差探測）和直 接探測（又稱非相干探測）。相干探測通過激光大氣回波信號與本振激光的相干（拍頻） 的方式實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場測量。直接探測則利用鑒頻器將接收回波信號的頻移變化轉(zhuǎn)化為能量 的相對變化，從而實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場探測。直接探測又可分為條紋技術(shù)和邊緣技術(shù)。條紋技術(shù)采 用Fabry-Perot干涉儀或Fizeau干涉儀產(chǎn)生干涉條紋，通過條紋重心的偏移測定大氣散射 信號的多普勒頻移。邊緣技術(shù)利用具有陡峭響應(yīng)曲線的濾波器，通過檢測透過率的變化測 量多普勒頻移量。邊緣技術(shù)中，除采用上述兩種干涉儀外，還可以采用碘吸收線、Michelson 干涉儀、光柵、棱鏡、M-Z(Mach-Zehnder)干涉儀等高分辨鑒頻率器。
[0004] 采用邊緣技術(shù)的測風(fēng)激光雷達(dá)中，F(xiàn)abry-Perot干涉儀的使用比較廣泛。然而， Fabry-Perot干涉儀與M-Z干涉儀的比較來看，基于M-Z干涉儀的系統(tǒng)具有透過率高、動(dòng)態(tài) 范圍大等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于M-Z干涉儀的測風(fēng)激光雷達(dá)可獲得較高的信噪比和較大的風(fēng)速 測量范圍。但傳統(tǒng)的空間光學(xué)式M-Z干涉儀由于受振動(dòng)影響大、結(jié)構(gòu)不緊湊、光路調(diào)節(jié)復(fù)雜 等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用和發(fā)展，特別是在機(jī)載、星載、艦載平臺的應(yīng)用。
[0005] 隨著光纖傳感的發(fā)展，光纖M-Z干涉儀的應(yīng)用越來越廣泛。光纖M-Z干涉儀克服 了空間光學(xué)式M-Z干涉儀的受振動(dòng)影響大、結(jié)構(gòu)不緊湊、光路調(diào)節(jié)復(fù)雜等缺點(diǎn)。然而，一般 采用的基于對稱M-Z干涉儀的測風(fēng)激光雷達(dá)中，需要將激光鎖定在M-Z干涉儀的半腰處，因 此，其對激光器和M-Z干涉儀的穩(wěn)定性要求苛刻。并且，由于其測量需限制在半腰處，為了 增加頻移測量的動(dòng)態(tài)范圍，需增加M-Z干涉儀的自由譜間距，由此導(dǎo)致了測量靈敏度的下 降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于不對稱M-Z干涉儀的全光纖直接測風(fēng)激光雷達(dá)裝 置及方法，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、能量利用率高、無需鎖定M-Z干涉儀和出射激 光頻率的相對位置、對激光能量起伏不敏感、風(fēng)速測量動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種基于不對稱M-Z干涉儀的全光纖測風(fēng)激光雷達(dá)裝置，包括：連續(xù)光纖激光器 1)、光纖隔離器2)、強(qiáng)度調(diào)制器E0M3、任意函數(shù)發(fā)生器4、光纖放大器EDFA5、光纖環(huán)形器6、 延時(shí)光纖7、光學(xué)收發(fā)和掃描系統(tǒng)8、光纖布拉格光柵9、2X2光纖耦合器10、光纖M-Z干涉 儀11、3X3光纖耦合器14、第一探測器16、第二探測器17、第三探測器18、采集卡19與計(jì) 算機(jī)20 ;其中：
[0009] 連續(xù)光纖激光器1的輸出端與光纖隔離器2的輸入端連接，光纖隔離器2的輸出 端與E0M3的輸入端連接，E0M3的輸出端與EDFA5的輸入端連接，任意函數(shù)發(fā)生器4的輸 出端與E0M3的控制端連接；
[0010] EDFA5的輸出端與光纖環(huán)形器6輸入端A連接，光纖環(huán)形器6端口B與延時(shí)光纖7 的輸入端連接，延時(shí)光纖7的輸出端與光學(xué)收發(fā)和掃描系統(tǒng)8的輸入端連接，光纖環(huán)形器6 端口C與光纖布拉格光柵9的輸入端連接，光纖環(huán)形器6端口D與2X2光纖親合器10的 其中一個(gè)輸入端連接；
[0011] 2X2光纖耦合器10輸出端分別與光纖M-Z干涉儀11的兩個(gè)臂連接，光纖M-Z干 涉儀11的兩個(gè)輸出端與3X3光纖耦合器14其中兩個(gè)輸入端連接；
[0012] 3X3光纖耦合器14的三個(gè)輸出端分別與第一探測器16、第二探測器17和第三探 測器18的輸入端連接，第一探測器16、第二探測器17和第三探測器18的輸出端均與采集 卡19的輸入端連接，采集卡19的輸出端與計(jì)算機(jī)20連接。
[0013] 進(jìn)一步的，該裝置還包括：壓電陶瓷12與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器13 ;其中，光纖M-Z干涉 儀11其中一臂的一段光纖纏繞在壓電陶瓷12中，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器13輸入到壓電 陶瓷12的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)了光纖M-Z干涉儀的自校準(zhǔn)。
[0014] 進(jìn)一步的，該裝置還包括：恒溫箱15 ;
[0015] 所述2X2光纖耦合器10、光纖M-Z干涉儀11、壓電陶瓷12和3X3光纖耦合器14 置于恒溫箱15中，所述恒溫箱15的精度為〇.oorc。
[0016] -種基于不對稱M-Z干涉儀的全光纖測風(fēng)激光雷達(dá)測風(fēng)方法，該方法基于前述的 裝置實(shí)現(xiàn)，其包括：
[0017] 連續(xù)光纖激光器1輸出的連續(xù)光信號經(jīng)過光纖隔離器2輸入至強(qiáng)度調(diào)制器E0M3 ; 所述E0M3根據(jù)任意函數(shù)發(fā)生器4的控制信號，調(diào)節(jié)脈沖光信號的形狀和脈沖重復(fù)頻率；
[0018] 調(diào)節(jié)后的脈沖光信號通過光纖放大器EDFA5輸入至光纖環(huán)形器6 ;光纖環(huán)形器6 通過延時(shí)光纖7將脈沖光信號輸入至光學(xué)收發(fā)和掃描系統(tǒng)8,由光學(xué)收發(fā)和掃描系統(tǒng)8將脈 沖光信號向外發(fā)射，并接收后向散射光信號；后向散射光信號經(jīng)光纖布拉格光柵9濾除噪 聲；通過采用時(shí)分復(fù)用方法，采集延時(shí)光纖7散射的后向散射光用于標(biāo)定激光出射頻率；
[0019] 所述光纖環(huán)形器6將后向散射光信號輸入至不對稱光纖M-Z干涉儀中進(jìn)行處理； 該不對稱光纖M-Z干涉儀包括：2X2光纖耦合器、光纖M-Z干涉儀11與和3X3光纖耦合 器，其中，2X2光纖耦合器10輸出端分別與光纖M-Z干涉儀11的兩個(gè)臂連接，光纖M-Z干 涉儀11的兩個(gè)輸出端分別與3X3光纖耦合器14其中兩個(gè)輸入端連接；
[0020] 所述不對稱光纖M-Z干涉儀將處理后的后向散射光信號分別輸入至第一探測器 16、第二探測器17、第三探測器18進(jìn)行探測，探測結(jié)果被采集卡19收集后輸入至計(jì)算機(jī)。
[0021] 進(jìn)一步的，所述光纖M-Z干涉儀11其中一臂的一段光纖纏繞在壓電陶瓷12中，通 過調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器13輸入到壓電陶瓷12的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)了光纖M-Z干涉儀的自校 準(zhǔn)。
[0022] 進(jìn)一步的，所述2X2光纖耦合器10、光纖M-Z干涉儀11、壓電陶瓷12和3X3光 纖耦合器14置于恒溫箱15中，所述恒溫箱15的精度為0.oorc。
[0023] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該方案采用2X2光纖耦合器和3X3光 纖耦合器形成的不對稱光纖M-Z干涉儀作為測風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻器。一方面，相比于采用 Fabry-Perot干涉儀的測風(fēng)激光雷達(dá)，該方案具有透過率高、可探測的風(fēng)速動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu) 點(diǎn)。相比于采用傳統(tǒng)的空間光學(xué)式M-Z干涉儀的測風(fēng)激光雷達(dá)，該方案具有抗干擾能力強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)光方便等優(yōu)點(diǎn)。相比于基于2X2光纖耦合器的對稱M-Z干涉儀的 測風(fēng)激光雷達(dá)，該方案無需鎖定M-Z干涉儀和出射激光頻率的相對位置，具有對激光能量 起伏不敏感、風(fēng)速測量動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，基于不對稱光纖M-Z干涉儀的直接探 測測風(fēng)激光雷達(dá)中，多普勒頻移信息通過微分交叉相乘的解調(diào)方法提取，該解調(diào)方法對激 光能量的起伏不敏感。
【附圖說明】
[0024] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，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，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的基于不對稱M-Z干涉儀的全光纖測風(fēng)激光雷達(dá)的結(jié) 構(gòu)