一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)，包括由望遠(yuǎn)鏡、分束器、濾波器和兩個(gè)光電探測(cè)器組成的接收系統(tǒng)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與兩個(gè)光電探測(cè)器相連的計(jì)算機(jī)；以及向大氣發(fā)射激光束的發(fā)射系統(tǒng)：包括改變種子激光器出射光、并通過(guò)合束器將該出射光注入脈沖激光器的聲光移頻器，所述的脈沖激光器經(jīng)擴(kuò)束鏡、反射鏡將激光向大氣發(fā)射；所述的光開(kāi)關(guān)切換或聲光移頻器經(jīng)由上述計(jì)算機(jī)控制。本發(fā)明可實(shí)時(shí)的提供測(cè)風(fēng)所需靈敏度及兩種測(cè)風(fēng)波長(zhǎng)的測(cè)量信息，提高了測(cè)風(fēng)性能，實(shí)現(xiàn)了精確的可移動(dòng)測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)
[0001]本申請(qǐng)為201110119157.2 “三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)裝置”的分案申請(qǐng)，申請(qǐng)日為2011年5月10日
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種激光測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)的雷達(dá)裝置，具體涉及一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0003]大氣風(fēng)場(chǎng)是氣象探測(cè)中的重要觀測(cè)參數(shù)，在天氣、環(huán)境、交通、航空、海洋等許多領(lǐng)域都有重要作用。天氣預(yù)報(bào)中提供風(fēng)場(chǎng)的基礎(chǔ)信息，有助于天氣變化的預(yù)報(bào)；航空中的陣風(fēng)、風(fēng)切變等情況危害較大，風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)可以幫助提前做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備；風(fēng)力發(fā)電中也需要前方風(fēng)場(chǎng)的測(cè)定來(lái)使風(fēng)機(jī)有效運(yùn)行等。
[0004]現(xiàn)有的測(cè)風(fēng)手段多為風(fēng)向標(biāo)測(cè)風(fēng)和微波雷達(dá)測(cè)風(fēng)。風(fēng)向標(biāo)的測(cè)量只能測(cè)量近地面的局部風(fēng)速，限制較大，無(wú)法獲得大氣風(fēng)場(chǎng)的信息；微波雷達(dá)測(cè)風(fēng)需要在云、霧較多的情況下才能取得良好效果。因而在天空較為晴朗時(shí)，激光雷達(dá)就能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，取得高精度的大范圍風(fēng)場(chǎng)信息。
[0005]現(xiàn)今實(shí)際應(yīng)用的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可以分為相干測(cè)風(fēng)和非相干測(cè)風(fēng)兩類。相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)在氣溶膠含量較高的低空區(qū)域探測(cè)效果較好，對(duì)高空區(qū)域難以有效探測(cè)。非相干探測(cè)技術(shù)通過(guò)高分辨率的光譜器件來(lái)提取反射光的強(qiáng)度信息，與頻率變化相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而求出風(fēng)場(chǎng)信息。通過(guò)氣溶膠和分子的回波信號(hào)，非相干測(cè)風(fēng)系統(tǒng)可以取得0.5-20km公里高度范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)信息。其中，基于碘分子濾波的非相干測(cè)風(fēng)技術(shù)是非相干測(cè)風(fēng)的一種典型技術(shù)，它利用了碘分子在一定溫度下，對(duì)不同頻率的光吸收率也不同的特點(diǎn)，將激光的工作波長(zhǎng)設(shè)置在某一吸收線附近(如532nm激光選用1109吸收線)，探測(cè)回波通過(guò)碘分子濾波后的強(qiáng)度變化來(lái)求取頻率變化，進(jìn)而反演風(fēng)速。
[0006]由于大氣回波有兩種成分組成:氣溶膠散射(Mie散射,帶寬窄)和大氣分子散射(Rayleigh散射，帶寬寬)，這兩種散射信號(hào)通過(guò)鑒頻鑒頻器的透過(guò)率各不相同，因而兩種信號(hào)的成分也會(huì)影響光電探測(cè)器的結(jié)果。目前要反演風(fēng)速時(shí)，必須首先要了解氣溶膠散射和大氣分子散射的比例，才能確定每米風(fēng)速的光電探測(cè)器探測(cè)強(qiáng)度變化。普通的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)必須要首先測(cè)量靈敏度，取得相應(yīng)信息才能進(jìn)行后續(xù)的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量。這樣，測(cè)量靈敏度和測(cè)風(fēng)就不能做到同步進(jìn)行。又因?yàn)闅馊苣z是時(shí)刻變化的，難免會(huì)造成偏差；而且在移動(dòng)測(cè)量時(shí)，因?yàn)槲恢玫臅r(shí)刻變換，預(yù)先進(jìn)行靈敏度的測(cè)量也變得沒(méi)有意義。
[0007]因此，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)雖然已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化階段，但仍無(wú)法實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的氣溶膠相對(duì)濃度信息，無(wú)法實(shí)時(shí)定標(biāo)測(cè)量靈敏度而進(jìn)入真正實(shí)用化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)裝置，以彌補(bǔ)已有技術(shù)的不足。
[0009]現(xiàn)有的非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)無(wú)法快速改變發(fā)射波長(zhǎng)；本發(fā)明是對(duì)已有的非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的改進(jìn)，具體是采用了能夠快速改變發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)射系統(tǒng)，并可利用已有雷達(dá)的接收系統(tǒng)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá),包括向大氣發(fā)射激光束的發(fā)射系統(tǒng)和配有分束器的望遠(yuǎn)鏡，該分束器將望遠(yuǎn)鏡收集的散射光分成兩份，一份經(jīng)光電探測(cè)器a進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一份經(jīng)鑒頻器、光電探測(cè)器b進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連的內(nèi)含控制程序的計(jì)算機(jī)，其特征在于所述的發(fā)射系統(tǒng)包括改變種子激光器出射光、并通過(guò)合束器將該出射光注入脈沖激光器的聲光移頻器，所述的脈沖激光器經(jīng)擴(kuò)束鏡、反射鏡將激光向大氣發(fā)射；所述的聲光移頻器經(jīng)由上述計(jì)算機(jī)控制；
[0012]上述計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制程序在時(shí)序上變換注入脈沖激光器的種子光波長(zhǎng)；
[0013]經(jīng)時(shí)序切換得到三種不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光脈沖，頻率分別鎖定在鑒頻器同一吸收線的谷底和兩側(cè)斜邊的中心部位，一個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量靈敏度，另兩個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量風(fēng)速信息，其中，谷底波長(zhǎng)的濾波信息用于反演出風(fēng)速測(cè)量所需的靈敏度信息；兩側(cè)斜邊的波長(zhǎng)濾波信息包含了頻率變化的信息；
[0014]注入上述脈沖激光器的種子光頻率對(duì)應(yīng)鑒頻器吸收線的谷底時(shí)，接收光進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖墓怆娞綔y(cè)器以及經(jīng)濾波后進(jìn)入測(cè)量通道的光電探測(cè)器，以測(cè)量分子散射和氣溶膠散射，反演靈敏度；注入上述脈沖激光器的種子光頻率對(duì)應(yīng)鑒頻器吸收線的兩側(cè)斜邊時(shí)，接收光進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖墓怆娞綔y(cè)器以及進(jìn)入測(cè)量通道經(jīng)濾波后的光電探測(cè)器，結(jié)合上述靈敏度反演出風(fēng)速。
[0015]上述的鑒頻器為基于分子或者原子吸收光譜的鑒頻器，或基于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率譜線的鑒頻器。
[0016]通常，非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)需要首先精確地知道大氣分子散射和氣溶膠散射的混合比例，從而確定測(cè)量靈敏度信息，然后才能根據(jù)該靈敏度信息反演風(fēng)速(即風(fēng)速測(cè)量)。而現(xiàn)有的技術(shù)在風(fēng)速測(cè)量之前需要單獨(dú)測(cè)量靈敏度，或者依靠其他探測(cè)資料進(jìn)行標(biāo)定。
[0017]本發(fā)明可以快速改變發(fā)射波長(zhǎng)，經(jīng)時(shí)序切換得到三種不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光脈沖，頻率分別鎖定在鑒頻器同一吸收線的谷底和兩側(cè)斜邊的中心部位。因發(fā)射波長(zhǎng)改變迅速，波長(zhǎng)的變換頻率相對(duì)于大氣氣溶膠的變化，時(shí)間上相當(dāng)于三個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)工作，一個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量靈敏度，另兩個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量風(fēng)速信息；相當(dāng)于同時(shí)獲得了同一探測(cè)區(qū)域的三個(gè)不同發(fā)射波長(zhǎng)的回波經(jīng)過(guò)鑒頻器的強(qiáng)度變化信息。谷底波長(zhǎng)的濾波信息可以反演出風(fēng)速測(cè)量所需的靈敏度信息；兩側(cè)斜邊的波長(zhǎng)濾波信息包含了頻率變化的信息。相對(duì)于利用單一測(cè)量波長(zhǎng)的頻移信息還提高了靈敏度。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將靈敏度的測(cè)量與風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量相同步，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果更為精確，而且在吸收線的兩個(gè)邊緣測(cè)量也可以提高靈敏度；更為重要的是，本發(fā)明由于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量而實(shí)現(xiàn)了真正意義的移動(dòng)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明采用光開(kāi)關(guān)切換的方案的結(jié)構(gòu)示意圖。[0020]圖2是本發(fā)明采用聲光移頻器的方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明注入脈沖激光器的三個(gè)種子光波長(zhǎng)與鑒頻器的碘分子1109吸收線的位置示意圖。
[0022]其中，1.脈沖激光器，2.擴(kuò)束鏡，3.反射鏡，4.望遠(yuǎn)鏡，5.分束器，6.鑒頻器，7.光電探測(cè)器a，8.光電探測(cè)器b，9.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，10.計(jì)算機(jī)，11.種子激光器a，12.種子激光器b,13.種子激光器c, 14.光開(kāi)關(guān)切換，15.種子激光器，16.聲光移頻器，17.合束器，18.吸收線，19.三種注入光波長(zhǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明的采用光開(kāi)關(guān)切換的方案，包括向大氣發(fā)射激光束的發(fā)射系統(tǒng)，配有分束器5的望遠(yuǎn)鏡4,該分束器5將望遠(yuǎn)鏡4收集的散射光分成兩份,一份經(jīng)光電探測(cè)器a7進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9，另一份經(jīng)鑒頻器6、光電探測(cè)器b8進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9，以及與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9相連的內(nèi)含控制程序的計(jì)算機(jī)10，其特征在于所述的發(fā)射系統(tǒng)包括對(duì)種子激光器all、種子激光器bl2和種子激光器cl3進(jìn)行選擇、并將激光注入脈沖激光器I的光開(kāi)關(guān)切換14，所述的脈沖激光器I經(jīng)擴(kuò)束鏡2、反射鏡3將激光向大氣發(fā)射；所述的光開(kāi)關(guān)切換14經(jīng)由上述計(jì)算機(jī)10控制。
[0024]上述計(jì)算機(jī)10通過(guò)內(nèi)含的控制程序在時(shí)序上變換注入脈沖激光器的種子光波長(zhǎng)。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明的采用聲光移頻器的方案，包括向大氣發(fā)射激光束的發(fā)射系統(tǒng)，配有分束器5的望遠(yuǎn)鏡4,該分束器5將望遠(yuǎn)鏡4收集的散射光分成兩份,一份經(jīng)光電探測(cè)器a7進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9，另一份經(jīng)鑒頻器6、光電探測(cè)器b8進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9，以及與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9相連的內(nèi)含控制程序的計(jì)算機(jī)10，其特征在于所述的發(fā)射系統(tǒng)包括改變種子激光器15出射光、并通過(guò)合束器17將該出射光注入脈沖激光器I的聲光移頻器16,所述的脈沖激光器I經(jīng)擴(kuò)束鏡2、反射鏡3將激光向大氣發(fā)射；所述的聲光移頻器16經(jīng)由上述計(jì)算機(jī)10控制。
[0026]上述計(jì)算機(jī)10通過(guò)內(nèi)含的控制程序在時(shí)序上變換注入脈沖激光器的種子光波長(zhǎng)。
[0027]上述的鑒頻器6為基于分子或者原子吸收光譜的鑒頻器，或基于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率譜線的鑒頻器。如基于分子吸收光譜的鑒頻器6是利用碘分子1109吸收線的波長(zhǎng)范圍在528.2nm?532.8nm內(nèi)的鑒頻器。
[0028]計(jì)算機(jī)10通過(guò)內(nèi)含的控制程序控制光開(kāi)關(guān)切換或聲光移頻器，在時(shí)序上變換注入脈沖激光器的種子光波長(zhǎng)，所得到的三種注入光波長(zhǎng)19如圖3所示，分別在鑒頻器的碘分子1109吸收線18的谷底和兩側(cè)斜邊上。
[0029]上述脈沖激光器I可以采用已有脈沖激光器，如各種固體激光器、光纖激光器，單縱模穩(wěn)頻(波長(zhǎng)為532.25nm)。例如，選用photonics公司的倍頻Nd = YAG脈沖激光器，單脈沖能量600mJ，重復(fù)頻率50KHz，采用種子注入技術(shù)。
[0030]上述望遠(yuǎn)鏡4可采用反射式、折射式、折反式等通用望遠(yuǎn)鏡，如美國(guó)Celestron公司生產(chǎn)的820mm卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡。擴(kuò)束鏡2可選用10倍擴(kuò)束的即可。
[0031]上述分束器5可采用已有的光纖分束器，將接受光分為兩束。[0032]鑒頻器6，可采用分子鑒頻器或者原子鑒頻器，如已有并成熟的碘分子濾波技術(shù)，采用通光口徑大于光束的15cm長(zhǎng)碘池。
[0033]上述光電探測(cè)器a7、和光電探測(cè)器b8，為同一型號(hào)種類的光電探測(cè)器件，可以選用高靈敏度和高速響應(yīng)的光電二極管、光電倍增管或者電荷耦合器件(CCD)，如濱淞光子公司的光電倍增管 Electron tubes9893/350。
[0034]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9，可選用德國(guó)Licel公司的TR16-160數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0035]種子激光器all、種子激光器bl2、種子激光器cl3和種子激光器15可以用已有的高性能單縱模激光器。如美國(guó)Photonics公司的DS10-532-SLM-01型激光器，工作波長(zhǎng)1064ns，功率 500mW。
[0036]光開(kāi)關(guān)切換14可以使用成熟的通訊用光開(kāi)關(guān)，如國(guó)內(nèi)科毅光通信科技有限公司的MXN光開(kāi)關(guān)型號(hào)。
[0037]聲光移頻器16可以使用美國(guó)Brimrose公司生產(chǎn)的IPF-400-200型號(hào)聲光移頻器，能夠滿足移頻范圍。
[0038]合束器17使用普通的合束器即可，將三路光合為一束。
[0039]測(cè)量時(shí)，本發(fā)明的種子激光器all、種子激光器bl2、種子激光器cl3經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)切換14在時(shí)序上變換注入脈沖激光器I的種子光，或者種子激光器15經(jīng)過(guò)聲光移頻器16在時(shí)序上進(jìn)行頻率搬移變換，經(jīng)合束器17注入脈沖激光器I的種子光，變換脈沖激光器I的發(fā)射波長(zhǎng)。脈沖激光器I發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡2進(jìn)行擴(kuò)束，以壓縮發(fā)散角，經(jīng)過(guò)反射鏡3發(fā)射到大氣當(dāng)中，被大氣分子或者氣溶膠散射。風(fēng)的存在使大氣分子和氣溶膠整體宏觀的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使散射光的中心頻率產(chǎn)生多普勒頻移。回波信號(hào)經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡4收集后，經(jīng)過(guò)分束器5將光分成兩份，一份進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ?，?jīng)光電探測(cè)器a7，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9得到強(qiáng)度數(shù)據(jù)；另一份進(jìn)入測(cè)量通道，經(jīng)過(guò)鑒頻器6進(jìn)入光電探測(cè)器b8，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9得到強(qiáng)度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)10存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9所得數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)處理所需要的發(fā)射波長(zhǎng)信息。發(fā)射波長(zhǎng)為鑒頻器吸收線18的谷底時(shí)，參考通道和測(cè)量通道的數(shù)據(jù)結(jié)合可以得到分子散射和氣溶膠散射的強(qiáng)度，進(jìn)而得出靈敏度；發(fā)射波長(zhǎng)為鑒頻器吸收線18的兩側(cè)斜邊時(shí)，參考通道和測(cè)量通道的數(shù)據(jù)結(jié)合得出吸收后能量的變化，結(jié)合靈敏度得出風(fēng)速，進(jìn)而演算出風(fēng)場(chǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá),包括向大氣發(fā)射激光束的發(fā)射系統(tǒng)和配有分束器(5)的望遠(yuǎn)鏡(4)，該分束器(5)將望遠(yuǎn)鏡(4)收集的散射光分成兩份，一份經(jīng)光電探測(cè)器a(7)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)，另一份經(jīng)鑒頻器(6)、光電探測(cè)器b (8)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)，以及與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)相連的內(nèi)含控制程序的計(jì)算機(jī)(10)，其特征在于所述的發(fā)射系統(tǒng)包括改變種子激光器(15)出射光、并通過(guò)合束器(17)將該出射光注入脈沖激光器(I)的聲光移頻器(16)，所述的脈沖激光器(I)經(jīng)擴(kuò)束鏡(2)、反射鏡(3)將激光向大氣發(fā)射；所述的聲光移頻器(16 )經(jīng)由上述計(jì)算機(jī)(10 )控制。 上述計(jì)算機(jī)(10)內(nèi)的控制程序在時(shí)序上變換注入脈沖激光器(I)的種子光波長(zhǎng)； 經(jīng)時(shí)序切換得到三種不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光脈沖，頻率分別鎖定在鑒頻器(6)同一吸收線的谷底和兩側(cè)斜邊的中心部位，一個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量靈敏度，另兩個(gè)波長(zhǎng)用來(lái)測(cè)量風(fēng)速信息，其中，谷底波長(zhǎng)的濾波信息用于反演出風(fēng)速測(cè)量所需的靈敏度信息；兩側(cè)斜邊的波長(zhǎng)濾波信息包含了頻率變化的信息； 注入上述脈沖激光器(I)的種子光頻率對(duì)應(yīng)鑒頻器(6)吸收線的谷底時(shí)，接收光進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖墓怆娞綔y(cè)器a (7)以及經(jīng)濾波后進(jìn)入測(cè)量通道的光電探測(cè)器b (8)，以測(cè)量分子散射和氣溶膠散射，反演靈敏度；注入上述脈沖激光器(I)的種子光頻率對(duì)應(yīng)鑒頻器(6)吸收線的兩側(cè)斜邊時(shí)，接收光進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖墓怆娞綔y(cè)器a (7)以及進(jìn)入測(cè)量通道經(jīng)濾波后的光電探測(cè)器b (8)，結(jié)合上述靈敏度反演出風(fēng)速。
2.如權(quán)利要求1所述的三波長(zhǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)激光雷達(dá)，其特征在于上述的鑒頻器(6)為基于分子或者原子吸收光譜的鑒頻器，或基于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率譜線的鑒頻器。
【文檔編號(hào)】G01S17/95GK103777207SQ201410035819
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月10日
【發(fā)明者】吳松華, 秦勝光 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)