基于全光纖掃描f-p干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全光纖掃描F?P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)，激光脈沖產(chǎn)生單元出射的光脈沖經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡指向探測(cè)大氣，回波信號(hào)經(jīng)背景噪聲濾除單元濾除背景噪聲，由光譜掃描單元實(shí)現(xiàn)對(duì)參考信號(hào)和大氣氣溶膠譜的掃描，由單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的探測(cè)，由數(shù)據(jù)采集單元和處理單元完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和大氣風(fēng)速的反演。本發(fā)明通過(guò)采用光纖F?P干涉儀的透射譜和反射譜完成對(duì)氣溶膠后向散射譜的掃描，避免了能量浪費(fèi)和消除了激光能量抖動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響；通過(guò)單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣微弱信號(hào)的探測(cè)；通過(guò)同時(shí)掃描參考激光譜和大氣氣溶膠譜，完成對(duì)多普勒頻移符號(hào)的甄別。本發(fā)明所述的激光雷達(dá)具有人眼安全、測(cè)量風(fēng)速動(dòng)態(tài)范圍大、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng) 場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣探測(cè)激光雷達(dá)以其方向性好、時(shí)間分辨率和空間分辨率高、精度高、非接觸 (遙感)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)速、成像、污染物監(jiān)測(cè)、測(cè)風(fēng)、測(cè)溫、密度探測(cè)等領(lǐng)域。大 氣探測(cè)激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光脈沖至大氣中，通過(guò)探測(cè)大氣回波信號(hào)，從而反演大氣的能 見度、大氣成分、密度、風(fēng)速、溫度等信息。
[0003] 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)提高長(zhǎng)期天氣預(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(chǎng)的測(cè)量受到越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)際民航機(jī)構(gòu)、世界氣象 組織、世界各國(guó)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(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的研究與開 發(fā)。
[0004] 多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)根據(jù)探測(cè)原理的不同可分為相干探測(cè)和直接探測(cè)。相干探測(cè) 通過(guò)激光大氣回波信號(hào)與本振激光相干的方式探測(cè)風(fēng)速探測(cè)。直接探測(cè)則利用鑒頻器將多 普勒頻移信息轉(zhuǎn)化為能量的相對(duì)變化以探測(cè)大氣風(fēng)速。這兩種激光雷達(dá)中，相干測(cè)風(fēng)激光 雷達(dá)具高精度、高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，但其也存在一些短板：1)對(duì)激光線寬要求嚴(yán)格，激光 線寬決定相干長(zhǎng)度，相干長(zhǎng)度影響激光雷達(dá)的探測(cè)距離;2)容易受電磁環(huán)境干擾，激光脈沖 的調(diào)制和中頻信號(hào)的產(chǎn)生由聲光調(diào)制器完成，中頻信號(hào)一般在30MHz到300MHz之間，這剛好 是廣播電臺(tái)、無(wú)線通信設(shè)備所使用的波段，該波段覆蓋范圍廣、使用密集。因此，一方面，中 頻信號(hào)的使用，使相干激光雷達(dá)容易受電磁環(huán)境的干擾;另一方面，激光雷達(dá)在正常工作時(shí) 輻射的電磁信號(hào)將對(duì)其它電子設(shè)備造成干擾。3)距離分辨率和風(fēng)速動(dòng)態(tài)范圍受限于探測(cè)器 帶寬，目前性能最好的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率為15m。
[0005] 直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的探測(cè)精度較低，但在距離分辨率、對(duì)激光線寬要求、抗電 磁干擾等方面優(yōu)于相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。直接探測(cè)激光雷達(dá)可分為條紋技術(shù)和邊緣技術(shù)。
[0006] 其中，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(guò)條紋 重心的偏移測(cè)定大氣散射信號(hào)的多普勒頻移，但是條紋技術(shù)需配合多像素探測(cè)器使用，而 多像素探測(cè)方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無(wú)法克服探測(cè)器的串?dāng)_問(wèn)題。
[0007] 邊緣技術(shù)利用具有陡峭響應(yīng)曲線的濾波器，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)率的變化測(cè)量多普勒頻 移量。邊緣技術(shù)中，除采用上述兩種干涉儀外，還可以采用分子吸收線、Michelson干涉儀、 光柵、棱鏡、Mach-Zehnder干涉儀等高分辨鑒頻率器;然而邊緣探測(cè)技術(shù)可測(cè)量的風(fēng)速動(dòng)態(tài) 范圍局限于鑒頻器的濾波邊緣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷 達(dá)，具有人眼安全、結(jié)構(gòu)緊湊、適用于各種平臺(tái)（機(jī)載、艦載、星載)等優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] -種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)，其特征在于，包括：
[0011] 激光脈沖產(chǎn)生單元10、收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20、背景噪聲濾除單元40、光譜掃描單元 50、單光子探測(cè)單元60、數(shù)據(jù)采集單元70和后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元80;其中：
[0012]激光脈沖產(chǎn)生單元10輸出探測(cè)信號(hào)與參考信號(hào);其中的探測(cè)信號(hào)經(jīng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單 元20擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣，并由收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20接收回波信號(hào)；所述回波信號(hào)先經(jīng)背景 噪聲濾除單元40濾除背景噪聲;所述光譜掃描單元50對(duì)濾除背景噪聲后的回波信號(hào)以及參 考信號(hào)進(jìn)行提取，提取的光學(xué)信號(hào)由單光子探測(cè)單元60進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)得到的電信號(hào)通過(guò) 數(shù)據(jù)采集單元70進(jìn)行采集記錄，最后通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元80反演和顯示大氣風(fēng) 速。
[0013] 進(jìn)一步的，反演時(shí)通過(guò)直接對(duì)氣溶膠譜進(jìn)行譜分析，能同時(shí)反演譜寬和譜中心位 置信息，而譜中心位置的改變對(duì)應(yīng)大氣多普勒頻移信息，即風(fēng)速信息。
[0014] 該大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)還包括：
[0015] 激光掃描單元30,用于當(dāng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20將脈沖光擴(kuò)束并指向探測(cè)大氣后，對(duì) 探測(cè)大氣進(jìn)行激光三維掃描，從而實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)矢量的探測(cè)。
[0016] 所述激光脈沖產(chǎn)生單元10包括:激光光源11、脈沖發(fā)生器12、光纖分束器13、激光 放大器14以及可調(diào)衰減器15;其中，激光光源11出射的激光由脈沖發(fā)生器12調(diào)制成脈沖，調(diào) 制的脈沖經(jīng)光纖分束器13-分為二，其中一路由所述光纖分束器13的b端口經(jīng)可調(diào)衰減器 15處理后作為參考信號(hào)傳輸至光譜掃描單元50,另一路由所述光纖分束器13的a端口經(jīng)激 光放大器14處理后作為探測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20;
[0017] 或者，所述激光脈沖產(chǎn)生單元10包括:激光光源11、脈沖發(fā)生器12、光纖分束器13、 激光放大器14、光纖環(huán)形器16和延時(shí)光纖17;其中，激光光源11出射的激光由脈沖發(fā)生器12 調(diào)制成脈沖，調(diào)制的脈沖經(jīng)光纖分束器13-分為二，其中一路由所述光纖分束器13的b端口 經(jīng)光纖環(huán)形器16和延時(shí)光纖17處理后作為參考信號(hào)傳輸至光譜掃描單元50,另一路由所述 光纖分束器13的a端口經(jīng)激光放大器14處理后作為探測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20。
[0018] 所述激光光源11為1.5μπι激光器，脈沖發(fā)生器13為電光調(diào)制器Ε0Μ或聲光調(diào)制器 Α0Μ，激光放大器14為摻鉺光纖放大器EDFA。
[0019] 所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20的包括:發(fā)射單元21、接收單元22和延時(shí)光纖23,發(fā)射單元 21用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣;所述接收單元22用于接收回波信號(hào);所述延 時(shí)光纖23用于在時(shí)域上將參考信號(hào)和回波信號(hào)分開；
[0020] 其中，所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡為收發(fā)同軸結(jié)構(gòu)，或者收發(fā)離軸結(jié)構(gòu)。
[0021] 所述的背景噪聲濾除單元40用于濾除大氣背景噪聲，其包括光纖環(huán)形器41和光纖 布拉格光柵42，其中光纖布拉格光柵42的中心波長(zhǎng)與探測(cè)信號(hào)中心波長(zhǎng)一致。
[0022] 所述光譜掃描單兀50包括:光纖分束器51、光纖環(huán)形器52、掃描式光纖F-P干涉儀 53、光纖F-P干涉儀控制器54與恒溫恒壓裝置55;所述參考信號(hào)在時(shí)域上先到達(dá)光纖分束器 51，從光纖分束器51出射的信號(hào)先經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器52的a端口到達(dá)掃描式光纖F-P干涉儀 53，其中掃描式光纖F-P干涉儀53的透射信號(hào)直接進(jìn)入單光子探測(cè)單元60，掃描式光纖F-P 干涉儀53的反射信號(hào)返回光纖環(huán)形器52后從b端口出射后進(jìn)入單光子探測(cè)單元60;所述恒 溫恒壓裝置55用于確保掃描式光纖F-P干涉儀53在恒溫恒壓下工作；
[0023] 其中，在測(cè)風(fēng)前，通過(guò)控制光纖F-P干涉儀控制器54的輸出電壓使激光頻率位于掃 描式光纖F-P干涉儀53自由譜間距的中心位置，從而通過(guò)鑒別大氣氣溶膠譜相對(duì)參考激光 譜的位置確定大氣多普勒頻移的符號(hào)。
[0024] 所述單光子探測(cè)單元60包括兩個(gè)單光子探測(cè)器，分別接收掃描式光纖F-P干涉儀 53的透射信號(hào)與反射信號(hào)；
[0025] 所述單光子探測(cè)器可為超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器或銦鎵砷 單光子探測(cè)器。
[0026]所述數(shù)據(jù)采集單元70包括兩個(gè)數(shù)據(jù)采集器，分別獨(dú)立連接一單光子探測(cè)器。
[0027] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出：1)采用1.5μπι激光，該波長(zhǎng)具有人眼最大 允許曝光功率最大、大氣透過(guò)率高、通信波段光纖器件成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此研制的全光纖測(cè)風(fēng) 激光雷達(dá)具有低成本、小型化、智能化和高效穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2)采用掃描式光纖F-P干涉儀，相 比于基于1.5μπι的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，其具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、風(fēng)速探測(cè)范圍大，可分辨多 普勒符號(hào)和距離分辨率高等的優(yōu)點(diǎn)。在相干激光雷達(dá)中，其探測(cè)距離受限于相干長(zhǎng)度，其風(fēng) 速探測(cè)范圍受限于探測(cè)器的帶寬，并且需通過(guò)聲光調(diào)制器輔助才能完成多普勒符號(hào)的甄 另0。3)采用單光子探測(cè)技術(shù)，即采用直接探測(cè)技術(shù)進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)，通過(guò)單光子探測(cè)技 術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱大氣回波信號(hào)的探測(cè)。4)基于掃描F-Ρ干涉儀的全光纖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，特 別適用于大風(fēng)速動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)，其風(fēng)速探測(cè)范圍由掃描式F-P干涉儀的自由譜間距(FSR) 決定，當(dāng)參考光頻率位于光纖F-P干涉儀FSR的中心位置時(shí)，其多普勒探測(cè)范圍為-FSR/2~ FSR/2 3)采用參考光進(jìn)行零頻標(biāo)定的，通過(guò)甄別后向散射譜位于參考譜的哪一側(cè)，從而方 便高效的提取多普勒的符號(hào)。6)共同利用了光纖F-P干涉儀的透射信號(hào)和反射信號(hào)，避免了 掃描過(guò)程中能量浪費(fèi)。7)-方面通過(guò)確定掃描獲得的譜線的中心位置可用于反演大氣風(fēng) 場(chǎng)，另外一方面通過(guò)擬合譜線的半寬可用于研究大氣湍流。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)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(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(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)這些附圖獲得其他 附圖。
[0029] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激 光雷達(dá)的光路不意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè) 激光雷達(dá)的光路不意圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜掃描單元僅處理掃描式光纖F-P干涉儀透射信號(hào) 的不意圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜掃描單元僅處理掃描式光纖F-P干涉儀反射信號(hào) 的不意圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜掃描單元同時(shí)處理掃描式光纖F-P干涉儀透射信 號(hào)與反射信號(hào)的示意圖；
[0034] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷 達(dá)的測(cè)量實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(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?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036] 如圖1-2所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng) 場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)的光路示意圖；其主要包括：
[0037]激光脈沖產(chǎn)生單元10、收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20、背景噪聲濾除單元40、光譜掃描單元 50、單光子探測(cè)單元60、數(shù)據(jù)采集單元70和后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元80;其中：
[0038]激光脈沖產(chǎn)生單元10輸出探測(cè)信號(hào)與參考信號(hào);其中的探測(cè)信號(hào)經(jīng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單 元20擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣，并由收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20接收回波信號(hào)；所述回波信號(hào)先經(jīng)背景 噪聲濾除單元40濾除背景噪聲;所述光譜掃描單元50對(duì)濾除背景噪聲后的回波信號(hào)以及參 考信號(hào)進(jìn)行提取，提取的光學(xué)信號(hào)由單光子探測(cè)單元60進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)得到的電信號(hào)通過(guò) 數(shù)據(jù)采集單元70進(jìn)行采集記錄，最后通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元80反演和顯示大氣風(fēng) 速。
[0039] 反演時(shí)通過(guò)直接對(duì)氣溶膠譜進(jìn)行譜分析，能同時(shí)反演譜寬和譜中心位置信息，而 譜中心位置的改變對(duì)應(yīng)大氣多普勒頻移信息，即風(fēng)速信息。
[0040] 優(yōu)選的，還可以包括:激光掃描單元30,用于當(dāng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20將脈沖光擴(kuò)束并 指向探測(cè)大氣后，對(duì)探測(cè)大氣進(jìn)行激光三維掃描，從而實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)矢量的探測(cè)。
[0041] 如圖1所示，所述激光脈沖產(chǎn)生單元10主要包括:激光光源11、脈沖發(fā)生器12、光纖 分束器13、激光放大器14以及可調(diào)衰減器15;其中，激光光源11出射的激光由脈沖發(fā)生器12 調(diào)制成脈沖，調(diào)制的脈沖經(jīng)光纖分束器13-分為二，其中一路由所述光纖分束器13的b端口 經(jīng)可調(diào)衰減器15處理后作為參考信號(hào)傳輸至光譜掃描單元50,另一路由所述光纖分束器13 的a端口經(jīng)激光放大器14處理后作為探測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20;所述可調(diào)衰減器 15可以防止強(qiáng)的激光損壞單光子探測(cè)器。
[0042] 或者，針對(duì)短脈寬的情況，如圖2所示，所述激光脈沖產(chǎn)生單元10主要包括:激光光 源11、脈沖發(fā)生器12、光纖分束器13、激光放大器14、光纖環(huán)形器16和延時(shí)光纖17;其中，激 光光源11出射的激光由脈沖發(fā)生器12調(diào)制成脈沖，調(diào)制的脈沖經(jīng)光纖分束器13-分為二， 其中一路由所述光纖分束器13的b端口經(jīng)光纖環(huán)形器16和延時(shí)光纖17處理后作為參考信號(hào) 傳輸至光譜掃描單元50,另一路由所述光纖分束器13的a端口經(jīng)激光放大器14處理后作為 探測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20;所述的參考信號(hào)為光纖瑞利后向散射信號(hào)，通過(guò)采集 準(zhǔn)連續(xù)的光纖瑞利后向散射信號(hào)可增加采集的Bin數(shù)，提高信噪比。
[0043] 示例性的，所述激光光源11可以為1.5μπι激光器，脈沖發(fā)生器13可以為電光調(diào)制器 (Ε0Μ)或聲光調(diào)制器(Α0Μ)，激光放大器14可以為摻鉺光纖放大器(EDFA)。
[0044]本發(fā)明實(shí)施例中，所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元20的包括:發(fā)射單元21、接收單元22和延時(shí) 光纖23,發(fā)射單元21用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣;所述接收單元22用于接收 回波信號(hào);所述延時(shí)光纖23用于在時(shí)域上將參考信號(hào)和回波信號(hào)分開；
[0045] 其中，所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡為收發(fā)同軸結(jié)構(gòu)，或者收發(fā)離軸結(jié)構(gòu)。
[0046] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述的背景噪聲濾除單元40用于濾除大氣背景噪聲，其包括光 纖環(huán)形器41和光纖布拉格光柵42，其中光纖布拉格光柵42的中心波長(zhǎng)與探測(cè)信號(hào)中心波長(zhǎng) 一致。
[0047] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述光譜掃描單兀50包括:光纖分束器51、光纖環(huán)形器52、掃描 式光纖F-P干涉儀53、光纖F-P干涉儀控制器54與恒溫恒壓裝置55;所述參考信號(hào)在時(shí)域上 先到達(dá)光纖分束器51，從光纖分束器51出射的信號(hào)先經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器52的a端口到達(dá)掃描 式光纖F-P干涉儀53,其中掃描式光纖F-P干涉儀53的透射信號(hào)直接進(jìn)入單光子探測(cè)單元 60,掃描式光纖F-P干涉儀53的反射信號(hào)返回光纖環(huán)形器52后從b端口出射后進(jìn)入單光子探 測(cè)單元60;所述恒溫恒壓裝置55用于確保掃描式光纖F-P干涉儀53在恒溫恒壓下工作；
[0048] 其中，在測(cè)風(fēng)前，通過(guò)控制光纖F-P干涉儀控制器54的輸出電壓使激光頻率位于掃 描式光纖F-P干涉儀53自由譜間距的中心位置，從而通過(guò)鑒別大氣氣溶膠譜相對(duì)參考激光 譜的位置確定大氣多普勒頻移的符號(hào)。
[0049] 此外，除了上文同時(shí)采用光纖F-P干涉儀的透射和反射信號(hào)外，還可以僅采用采用 光纖F-P干涉儀的透射信號(hào)，或者光纖F-P干涉儀的反射信號(hào)。
[0050] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述單光子探測(cè)單元60包括兩個(gè)單光子探測(cè)器，分別接收掃描 式光纖F-P干涉儀53的透射信號(hào)與反射信號(hào)；
[0051] 所述單光子探測(cè)器為超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器或銦鎵砷單 光子探測(cè)器。
[0052]本發(fā)明實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)采集單元70包括兩個(gè)數(shù)據(jù)采集器，分別獨(dú)立連接一單 光子探測(cè)器。
[0053]為了便于理解本發(fā)明，下面介紹一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的高光譜分辨大 動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)的原理。
[0054]請(qǐng)參見圖2所示，本發(fā)明采用掃描式光纖F-P干涉儀53進(jìn)行氣溶膠后向散射譜的掃 描，掃描式光纖F-P干涉儀控制器54通過(guò)調(diào)節(jié)的輸入電壓實(shí)現(xiàn)F-P干涉儀的掃描，輸入電壓 改變使得F-P干涉儀的腔長(zhǎng)變化，頻率增量△ u和腔長(zhǎng)增量△ 1的關(guān)系為
[0056]式中，如為入射光的頻率;1為法布里一帕羅干涉儀的腔長(zhǎng)；號(hào)表示當(dāng)要求頻率 上移時(shí)，法布里一帕羅干涉儀的腔長(zhǎng)需要縮短。
[0057]當(dāng)采用光纖F-P干涉儀控制器54掃描所述掃描式光纖F-P干涉儀53時(shí)，將獲得如圖 3a所示的透過(guò)率曲線，其中兩個(gè)峰之間的距離為掃描式光纖F-P干涉儀53的自由譜間距。在 圖3(a)基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置偏置電壓Voffset時(shí)，可使出射激光譜的位置位于光纖F-P干涉儀FSR 的中心位置，該處為零多普勒頻移的位置。如果用此F-P干涉儀同時(shí)分析參考光和大氣回波 信號(hào)，并且大氣回波信號(hào)的多普勒頻率增加時(shí)，掃描獲得的回波信號(hào)譜將偏離參考譜，如圖 3(c)所示，當(dāng)多普勒頻率降低時(shí)，掃描獲得的回波信號(hào)譜將位于參考譜的另外一邊。通過(guò)分 析參考譜和回波信號(hào)譜的中心頻率偏移可獲得多普勒頻移的大小，而通過(guò)甄別回波信號(hào)譜 是位于參考譜的哪一側(cè)從而獲得多普勒頻率的符號(hào)信息。
[0058]根據(jù)如上所述，當(dāng)參考光頻率位于F-P干涉儀的自由譜間距的中心位置時(shí)，其可分 辨多普勒頻率的符號(hào)，其風(fēng)速測(cè)量范圍為-FSR/2~FSR/2(如果僅測(cè)量個(gè)方向的多普勒頻 移，其測(cè)量范圍為〇~FSR)。假設(shè)FSR= 1GHz時(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)為1.5μπι時(shí)，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速測(cè)量動(dòng)態(tài)范 圍為-375m/s~375m/s (單方向多普勒頻移動(dòng)時(shí)為Om/s~775m/s)。
[0059] 參見圖4所示，掃描譜線可為光纖F-P干涉儀的反射譜，其原理類似。
[0060] 參見圖5所示，也可同時(shí)掃描獲得光纖F-P干涉儀的透射譜和反射譜，本發(fā)明優(yōu)選 同時(shí)采用透射譜和反射譜，從而增加能量的利用率。
[0061] 參見圖6所示為實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，圖6所示的掃描電壓曲線為F-P干涉儀控制器的掃描 電壓曲線，其掃描電壓范圍為-3.2V至-2.2V，掃描步數(shù)為40步，每一步停留時(shí)間為3s，每一 步接收回的透射信號(hào)與反射信號(hào)如圖6所示，其橫軸為探測(cè)距離，縱軸為接收回的光子數(shù)。 掃描40步獲得的透射譜與反射譜如圖6所示，其X軸為掃描步數(shù)，Y軸為探測(cè)距離，Z軸為接收 的光子數(shù)。對(duì)透射譜和反射譜求Q = (aT-R) / (aT+R)后可獲得的如圖6所示的Q值譜分布，其 中前面一段為激光參考譜，后一段為氣溶膠散射譜，通過(guò)計(jì)算回波譜的中心頻移可即可反 演大氣風(fēng)速信息。
[0062] 所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的高光譜分辨大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)具 有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0063] 1、本發(fā)明采用1.5μπι激光，該波長(zhǎng)具有人眼最大允許曝光功率最大、大氣透過(guò)率 高、通信波段光纖器件成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此研制的全光纖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有低成本、小型化、 智能化和高效穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0064] 2、本發(fā)明提出的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)采用掃描式光纖F-P干涉儀，相比于基于1.5μπι的相 干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，其具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、風(fēng)速探測(cè)范圍大，可分辨多普勒符號(hào)和距離分辨 率高等的優(yōu)點(diǎn)。在相干激光雷達(dá)中，其探測(cè)距離受限于相干長(zhǎng)度，其風(fēng)速探測(cè)范圍受限于探 測(cè)器的帶寬，并且需通過(guò)聲光調(diào)制器輔助才能完成多普勒符號(hào)的甄別。
[0065] 3、本發(fā)明采用單光子探測(cè)技術(shù)，即采用直接探測(cè)技術(shù)進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)，通過(guò) 單光子探測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱大氣回波信號(hào)的探測(cè)。
[0066] 4、本發(fā)明提出的基于掃描F-Ρ干涉儀的全光纖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，特別適用于大風(fēng)速 動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)，其風(fēng)速探測(cè)范圍由掃描式F-P干涉儀的自由譜間距(FSR)決定，當(dāng)參考光 頻率位于光纖F-P干涉儀FSR的中心位置時(shí)，其多普勒探測(cè)范圍為-FSR/2~FSR/2。
[0067] 5、本發(fā)明提出了采用參考光進(jìn)行零頻標(biāo)定的，通過(guò)甄別后向散射譜位于參考譜的 哪一側(cè)，從而方便高效的提取多普勒的符號(hào)。
[0068] 6、本發(fā)明共同利用了光纖F-P干涉儀的透射信號(hào)和反射信號(hào)，避免了掃描過(guò)程中 能量浪費(fèi)。
[0069] 7、本發(fā)明提出的高光譜分辨測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，一方面，通過(guò)確定掃描獲得的譜線的 中心位置可用于反演大氣風(fēng)場(chǎng)，另一方面，通過(guò)擬合譜線的半寬可用于研究大氣湍流。
[0070] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)，其特征在于，包括： 激光脈沖產(chǎn)生單元（10)、收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元(20)、背景噪聲濾除單元(40)、光譜掃描單元 (50)、單光子探測(cè)單元(60)、數(shù)據(jù)采集單元(70)和后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元(80);其中： 激光脈沖產(chǎn)生單元（10)輸出探測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)；其中的探測(cè)信號(hào)經(jīng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元 (20)擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣，并由收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元(20)接收回波信號(hào);所述回波信號(hào)先經(jīng)背 景噪聲濾除單元(40)濾除背景噪聲;所述光譜掃描單元(50)對(duì)濾除背景噪聲后的回波信號(hào) 以及參考信號(hào)進(jìn)行提取，提取的光學(xué)信號(hào)由單光子探測(cè)單元(60)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)得到的電 信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元(70)進(jìn)行采集記錄，最后通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)反演和顯示單元(80)反演和 顯示大氣風(fēng)速。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，反演時(shí)通過(guò)直接對(duì)氣溶膠譜進(jìn)行譜分析，能同時(shí)反演譜寬和譜中心位置信息， 而譜中心位置的改變對(duì)應(yīng)大氣多普勒頻移信息，即風(fēng)速信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷 達(dá)，其特征在于，還包括： 激光掃描單元(30)，用于當(dāng)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元(20)將脈沖光擴(kuò)束并指向探測(cè)大氣后，對(duì) 探測(cè)大氣進(jìn)行激光三維掃描，從而實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)矢量的探測(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光 雷達(dá)，其特征在于， 所述激光脈沖產(chǎn)生單元（10)包括:激光光源（11)、脈沖發(fā)生器（12)、光纖分束器（13)、 激光放大器（14)以及可調(diào)衰減器（15);其中，激光光源（11)出射的激光由脈沖發(fā)生器（12) 調(diào)制成脈沖，調(diào)制的脈沖經(jīng)光纖分束器(13)-分為二，其中一路由所述光纖分束器(13)的b 端口經(jīng)可調(diào)衰減器（15)處理后作為參考信號(hào)傳輸至光譜掃描單元(50)，另一路由所述光纖 分束器(13)的a端口經(jīng)激光放大器(14)處理后作為探測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元(20); 或者，所述激光脈沖產(chǎn)生單元（10)包括:激光光源（11)、脈沖發(fā)生器（12)、光纖分束器 (13)、激光放大器（14)、光纖環(huán)形器（16)和延時(shí)光纖（17);其中，激光光源（11)出射的激光 由脈沖發(fā)生器（12)調(diào)制成脈沖，調(diào)制的脈沖經(jīng)光纖分束器（13)-分為二，其中一路由所述 光纖分束器（13)的b端口經(jīng)光纖環(huán)形器（16)和延時(shí)光纖（17)處理后作為參考信號(hào)傳輸至光 譜掃描單元(50)，另一路由所述光纖分束器（13)的a端口經(jīng)激光放大器（14)處理后作為探 測(cè)信號(hào)傳輸至收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元(20)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，所述激光光源（11)為1.5μπι激光器，脈沖發(fā)生器（13)為電光調(diào)制器EOM或聲光 調(diào)制器ΑΟΜ，激光放大器(14)為摻鉺光纖放大器EDFA。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡單元（20)的包括:發(fā)射單元(21)、接收單元(22)和延時(shí)光纖 (23)，發(fā)射單元(21)用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)束后指向探測(cè)大氣;所述接收單元(22)用于接 收回波信號(hào);所述延時(shí)光纖(23)用于在時(shí)域上將參考信號(hào)和回波信號(hào)分開； 其中，所述收發(fā)望遠(yuǎn)鏡為收發(fā)同軸結(jié)構(gòu)，或者收發(fā)離軸結(jié)構(gòu)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，所述的背景噪聲濾除單元（40)用于濾除大氣背景噪聲，其包括光纖環(huán)形器 (41)和光纖布拉格光柵(42)，其中光纖布拉格光柵(42)的中心波長(zhǎng)與探測(cè)信號(hào)中心波長(zhǎng)一 致。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，所述光譜掃描單元(50)包括:光纖分束器(51)、光纖環(huán)形器(52)、掃描式光纖 F-P干涉儀(53)、光纖F-P干涉儀控制器(54)與恒溫恒壓裝置(55);所述參考信號(hào)在時(shí)域上 先到達(dá)光纖分束器(51)，從光纖分束器(51)出射的信號(hào)先經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器(52)的a端口到 達(dá)掃描式光纖F-P干涉儀(53)，其中掃描式光纖F-P干涉儀(53)的透射信號(hào)直接進(jìn)入單光子 探測(cè)單元(60)，掃描式光纖F-P干涉儀(53)的反射信號(hào)返回光纖環(huán)形器(52)后從b端口出射 后進(jìn)入單光子探測(cè)單元(60);所述恒溫恒壓裝置(55)用于確保掃描式光纖F-P干涉儀(53) 在恒溫恒壓下工作； 其中，在測(cè)風(fēng)前，通過(guò)控制光纖F-P干涉儀控制器(54)的輸出電壓使激光頻率位于掃描 式光纖F-P干涉儀(53)自由譜間距的中心位置，從而通過(guò)鑒別大氣氣溶膠譜相對(duì)參考激光 譜的位置確定大氣多普勒頻移的符號(hào)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)， 其特征在于，所述單光子探測(cè)單元(60)包括兩個(gè)單光子探測(cè)器，分別接收掃描式光纖F-P干 涉儀(53)的透射信號(hào)與反射信號(hào)； 所述單光子探測(cè)器可為超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器或銦鎵砷單光 子探測(cè)器。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于全光纖掃描F-P干涉儀的大動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷 達(dá)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集單元(70)包括兩個(gè)數(shù)據(jù)采集器，分別獨(dú)立連接一單光子探測(cè) 器。
【文檔編號(hào)】G01S7/497GK105866795SQ201610346026
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】上官明佳, 夏海云, 竇賢康, 薛向輝
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)