一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，包括多波長激光光源模塊、雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊、信號接收處理模塊；所述多波長激光光源模塊包括輸出線偏振連續(xù)激光的窄線寬種子光源，與窄線寬種子光源的輸出端連接的并加載調(diào)制信號和偏置電壓的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器，與電光波導(dǎo)相位調(diào)制器的輸出端連接的光纖分束器，與光纖分束器的一個輸出端連接并且加載脈沖斬波信號的聲光調(diào)制器。本實用新型實現(xiàn)一種提高發(fā)射激光功率，增加回波信噪比的多波長合成的相干激光測風(fēng)雷達(dá)，可適用于氣象監(jiān)測、航空安全預(yù)警、風(fēng)能資源評估等應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】
一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于氣象雷達(dá)探測技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]大氣風(fēng)場是大氣中水分、氣溶膠等物質(zhì)循環(huán)的主要動力，在天氣預(yù)報、地球環(huán)境及動力氣象學(xué)等研究中都有非常重要的研究價值。激光測風(fēng)雷達(dá)與傳統(tǒng)測風(fēng)儀器相比在時空分辨率、測速精度方面都更具優(yōu)勢，能夠快速獲取高精度風(fēng)場數(shù)據(jù)。激光測風(fēng)雷達(dá)目前已經(jīng)成為測量風(fēng)場的重要手段。
[0003]激光測風(fēng)雷達(dá)按測量方法主要分為兩類，分別為:非相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)和相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)。其中相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)在早期主要使用10.6WI1波長⑶2 激光器作為激光源，例如1980年美國航空航天局(NASA)研制的用于測量晴空湍流的脈沖激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)。上世紀(jì)80年代開始，由于小型可調(diào)諧固體激光器的迅速發(fā)展，美國相干技術(shù)公司先后研發(fā)了基于固體激光器的1.06M1相干激光測風(fēng)雷達(dá)和基于Tm，H〇:YAG激光器的2.lwii相干激光測風(fēng)雷達(dá)，分別用于測量大氣風(fēng)場和探測風(fēng)切變。2002年美國洛克希德-馬丁公司發(fā)布了商用相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)一 WindTracer。隨著摻鉺光纖放大器及光纖技術(shù)的發(fā)展，工作于1.55M1的全光纖脈沖相干激光測風(fēng)雷達(dá)受到學(xué)者的重視。在2002年，英國 QinetiQ公司報導(dǎo)了基于光纖技術(shù)的1.54wii脈沖相干激光測風(fēng)雷達(dá)。英國SgurrEnergy公司推出的Gal 1n系列相干激光測風(fēng)雷達(dá)最大探測距離為4km。法國Leosphere公司于2006年12 月發(fā)布了用于氣象研究的WINDCUBE系列產(chǎn)品，其代表產(chǎn)品有WINDE IRIS，WINDCUBE7/8/10， WINDCUBE V2，WINDCUBE100S/200S/400S等，最大探測距離lOkmdOl 1年，美國FiberTek公司的Akbulut等人報道了探測飛機尾流的相干激光測風(fēng)雷達(dá)。日本三菱電機有限公司從2004 年開始研發(fā)全光纖脈沖相干激光雷達(dá)的商用樣機，2005年研制出商用化的LR-05FC系列產(chǎn)品。國內(nèi)在2014年上光所報導(dǎo)了用于邊界層風(fēng)廓線探測的1.54wii全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)。2014年，中國海洋大學(xué)報導(dǎo)了其研制的用于風(fēng)能研究和開發(fā)利用的1.55wii全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)。2011至2014年，西南技術(shù)物理研究所報道了在連續(xù)波、脈沖體制及機載激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)方面的研究進展。
[0004]在上述的相干激光測風(fēng)雷達(dá)中，都采用單波長的窄線寬激光器作為發(fā)射光源，利用光外差法檢測氣溶膠激光多普勒頻移反演大氣風(fēng)場。由于非線性效應(yīng)的影響，單波長的窄線寬激光器輸出功率受限，因而限制了雷達(dá)的最遠(yuǎn)測量距離?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0005]為了克服以上問題，本實用新型的目的在于提供一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，解決了現(xiàn)有單波長的窄線寬激光器輸出功率受限，因而限制了雷達(dá)的最遠(yuǎn)測量距離的問題，本實用新型提高發(fā)射激光功率，增加雷達(dá)測量距離。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，包括多波長激光光源模塊、雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊、信號接收處理模塊;所述多波長激光光源模塊包括輸出線偏振連續(xù)激光的窄線寬種子光源，輸入端與窄線寬種子光源的輸出端連接的并加載調(diào)制信號和偏置電壓的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器，輸入端與電光波導(dǎo)相位調(diào)制器的輸出端連接的光纖分束器， 與光纖分束器的一個輸出端連接并且加載脈沖斬波信號的聲光調(diào)制器;所述雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊與聲光調(diào)制器的輸出端連接，信號接收處理模塊與雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊和光纖分束器的另一個輸出端連接。
[0008]多波長激光光源的原理是:單頻激光經(jīng)由光波導(dǎo)相位調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生了包含多個有效頻率成分的多單頻激光，各有效頻率成分之間的頻率間隔為正弦調(diào)制信號頻率的整數(shù)倍。通過調(diào)節(jié)施加在電光波導(dǎo)相位調(diào)制器的偏置電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)其它邊帶被抑，而光載波、±1階邊帶共存，且三個波長光功率基本一致的情形。在這種情形下，單頻激光經(jīng)電光波導(dǎo)相位調(diào)制器后被調(diào)制為三波長的單頻激光。三波長的單頻激光分出小功率的雷達(dá)本振光后送入到聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖激光輸出，同時進行移頻。
[0009]作為優(yōu)選，所述窄線寬種子光源輸出1.5ym波長的線偏振連續(xù)激光，該窄線寬種子光源由單頻窄線寬半導(dǎo)體激光器，或DBR/DFB光纖激光器，或固體激光器帶尾纖輸出。
[0010]進一步地，所述正弦調(diào)制信號和脈沖斬波信號均由射頻信號源輸出，正弦調(diào)制信號通過電光調(diào)制器驅(qū)動器加載到電光波導(dǎo)相位調(diào)制器，脈沖斬波信號通過聲光調(diào)制器驅(qū)動器加載到聲光調(diào)制器。
[0011]更進一步地，聲光調(diào)制器的輸出端通過光纖放大器與雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊連接。脈沖激光經(jīng)光纖放大器放大后通過雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線發(fā)射。所述光纖放大器為單模光纖放大器、雙包層光纖放大器的一種，或兩者組合構(gòu)成的多級光纖放大器。
[0012]具體地，所述雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊包括輸入端與光纖放大器的輸出端連接的光學(xué)環(huán)形器，與光學(xué)環(huán)形器連接的光學(xué)收發(fā)掃描天線。
[0013]具體地，所述信號接收處理模塊包括一端與光纖分束器的另一個輸出端連接、另一端與光學(xué)環(huán)形器連接的光纖合束器，輸入端與光纖合束器的輸出端連接的平衡光電探測器，輸入端與平衡光電探測器的輸出端連接的信號采集處理模塊，輸入端與信號采集處理模塊的輸出端連接的嵌入式計算機。被大氣氣溶膠后向散射攜帶風(fēng)場信息的光回波被雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線接收，回波信號與雷達(dá)本振光合束產(chǎn)生的外差拍頻信號由平衡光電探測器探測，信號經(jīng)采集和處理后送入嵌入式計算機進行風(fēng)場反演，得到風(fēng)場的風(fēng)向和風(fēng)速分布。
[0014]再進一步地，所述正弦調(diào)制信號頻率大于1.5倍平衡光電探測器的探測帶寬。三波長激光之間的互相相干信號不會被平衡光電探測器響應(yīng)。
[0015]本實用新型的有益效果為:
[0016](1)本實用新型具有窄線寬的特點。在窄線寬種子光源激光腔外實現(xiàn)波長調(diào)制，在波長調(diào)制過程中保留種子源的窄線寬特性。
[0017](2)本實用新型具有雷達(dá)發(fā)射激光峰值功率高的特點。采用相位調(diào)制法通過電光波導(dǎo)相位調(diào)制器給激光引入外加相位調(diào)制，將一部分能量分布到激光的邊頻上，從而降低了光功率譜的能量密度，以此實現(xiàn)對光纖放大器中受激布里淵散射效應(yīng)的抑制，在光載波、 ± 1階邊帶波長光功率基本一致的條件下，光纖放大器可以將輸出功率提高兩倍。
[0018](3)本實用新型具有信號信噪比高的特點。光纖放大器輸出的功率提高，雷達(dá)發(fā)射更高峰值功率的激光，在同等條件下回波信號更強，拍頻信號信噪比更高，容易識別和提取。
[0019] (4)本實用新型具有光學(xué)元器件帶尾纖輸出，激光器結(jié)構(gòu)全光纖化和光學(xué)收發(fā)天線全光纖化的特點。
[0020] (5)本實用新型輸出激光具有人眼安全的特點。[0021 ] (6)本實用新型具有輸出線偏振激光的特點?！靖綀D說明】[〇〇22]圖1為本實用新型的系統(tǒng)構(gòu)造原理圖。
[0023]上述附圖中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的部件名稱如下:
[0024] 1-窄線寬種子光源，2-電光波導(dǎo)相位調(diào)制器，3-光纖分束器，4-聲光調(diào)制器，5-光纖放大器，6-光學(xué)環(huán)形器，7-光學(xué)收發(fā)掃描天線，8-光纖合束器，9-平衡光電探測器，10-信號采集處理模塊，11-嵌入式計算機，12-電光調(diào)制器驅(qū)動器，13-聲光調(diào)制器驅(qū)動器，14-射頻信號源?！揪唧w實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。本實用新型的實施方式包括但不限于下列實施例。實施例
[0026]如圖1所示，一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，包括窄線寬種子光源1、電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2、光纖分束器3、聲光調(diào)制器4、光纖放大器5、光學(xué)環(huán)形器6、光學(xué)收發(fā)掃描天線7、光纖合束器8、平衡光電探測器9、信號采集處理模塊10、嵌入式計算機11、 電光調(diào)制器驅(qū)動器12、聲光調(diào)制器驅(qū)動器13、射頻信號源14;其中，窄線寬種子光源1的輸出端與電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2的輸入端連接，射頻信號源14的正弦調(diào)制信號輸出端口與電光調(diào)制器驅(qū)動器12的輸入端連接，電光調(diào)制器驅(qū)動器12的輸出端與電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2的輸入端連接，電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2的輸出端與光纖分束器3相連，光纖合束器8的輸入端與光纖分束器3的一個輸出端連接，聲光調(diào)制器4的輸入端與光纖分束器3的另一個輸出端連接，射頻信號源14的脈沖斬波信號輸出端口與聲光調(diào)制器驅(qū)動器13連接，聲光調(diào)制器驅(qū)動器13與聲光調(diào)制器4的輸入端連接，聲光調(diào)制器4的輸出端連接光纖放大器5的輸入端，光纖放大器5的輸出端連接光學(xué)環(huán)形器6的輸入端，光學(xué)環(huán)形器6連接光學(xué)收發(fā)掃描天線7;光纖合束器8的輸入端與光學(xué)環(huán)形器6連接，光纖合束器8的輸出端連接平衡光電探測器9的輸入端，平衡光電探測器9的輸出端連接信號采集處理模塊10的輸入端，信號采集處理模塊10的輸出端連接嵌入式計算機11。[〇〇27]本實用新型的工作原理如下:[〇〇28]射頻信號源14產(chǎn)生頻率大于1.5倍平衡光電探測器9探測帶寬的正弦調(diào)制信號送入到電光調(diào)制器驅(qū)動器12,電光調(diào)制器驅(qū)動器12將正弦調(diào)制信號和偏置電壓加載到電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2,窄線寬種子光源1輸出1.5微米波長線偏振連續(xù)激光送入到電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2,線偏振連續(xù)激光則在電光波導(dǎo)相位調(diào)制器2中發(fā)生相位調(diào)制，產(chǎn)生光載波、±1階邊帶共存并送入到光纖分束器3,且三個波長光功率基本一致的輸出。光纖分束器3—端輸出部分調(diào)制后的激光作為雷達(dá)本振光并送入到光纖合束器8,另一端輸出調(diào)制后的激光送入到聲光調(diào)制器4。射頻信號源14產(chǎn)生脈沖斬波信號送入到聲光調(diào)制器驅(qū)動器13,調(diào)制器驅(qū)動器13將脈沖斬波信號加載到聲光調(diào)制器4,連續(xù)激光被斬波為脈沖激光輸出，然后經(jīng)光纖放大器5放大后脈沖激光進入光學(xué)環(huán)形器6,然后通過光學(xué)收發(fā)掃描天線7發(fā)射到大氣中。
[0029]被大氣氣溶膠后向散射攜帶風(fēng)場信息的光回波被光學(xué)收發(fā)掃描天線7接收，經(jīng)光學(xué)環(huán)形器6到達(dá)光纖合束器8,在這里與光纖分束器3輸出的雷達(dá)本振光相遇產(chǎn)生外差拍頻光信號，光纖合束器8輸出的外差拍頻光信號被平衡光電探測器9探測，平衡光電探測器9將探測到外差拍頻信號送入信號采集處理模塊10中，信號采集處理模塊10計算出徑向風(fēng)速。 光學(xué)收發(fā)掃描天線7向不同方位掃描后，信號采集處理模塊10將計算出的不同方位、不同高度的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)送入嵌入式計算機11，嵌入式計算機11根據(jù)掃描方位，通過風(fēng)場反演算法計算出探測區(qū)域不同高度的水平風(fēng)速、風(fēng)向及垂直風(fēng)速。
[0030]以上技術(shù)方案可以實現(xiàn)一種提高發(fā)射激光功率，增加回波信噪比的多波長合成的相干激光測風(fēng)雷達(dá)，可適用于氣象監(jiān)測、航空安全預(yù)警、風(fēng)能資源評估等應(yīng)用領(lǐng)域。
[0031]按照上述實施例，便可很好地實現(xiàn)本實用新型。值得說明的是，基于上述設(shè)計原理的前提下，為解決同樣的技術(shù)問題，即使在本實用新型所公開的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出的一些無實質(zhì)性的改動或潤色，所采用的技術(shù)方案的實質(zhì)仍然與本實用新型一樣，故其也應(yīng)當(dāng)在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在于，包括多波長激光光 源模塊、雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊、信號接收處理模塊;所述多波長激光光源模塊包括輸出線 偏振連續(xù)激光的窄線寬種子光源(1 )，輸入端與窄線寬種子光源(1)的輸出端連接的并加載 調(diào)制信號和偏置電壓的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器(2)，輸入端與電光波導(dǎo)相位調(diào)制器(2)的輸出 端連接的光纖分束器(3)，與光纖分束器(3)的一個輸出端連接并且加載脈沖斬波信號的聲 光調(diào)制器(4);所述雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊與聲光調(diào)制器(4)的輸出端連接，信號接收處理 模塊與雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊和光纖分束器(3)的另一個輸出端連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述窄線寬種子光源(1)輸出1.5wii波長的線偏振連續(xù)激光，該窄線寬種子光源由單頻 窄線寬半導(dǎo)體激光器，或DBR/DFB光纖激光器，或固體激光器產(chǎn)生。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述調(diào)制信號為正弦調(diào)制信號，所述正弦調(diào)制信號和脈沖斬波信號均由射頻信號源 (14)輸出，正弦調(diào)制信號通過電光調(diào)制器驅(qū)動器(12)加載到電光波導(dǎo)相位調(diào)制器(2)，脈沖 斬波信號通過聲光調(diào)制器驅(qū)動器(13)加載到聲光調(diào)制器(4)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述聲光調(diào)制器(4)的輸出端通過光纖放大器(5)與雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述光纖放大器(5)為單模光纖放大器、雙包層光纖放大器的一種，或兩者組合構(gòu)成的 多級光纖放大器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述雷達(dá)收發(fā)光學(xué)天線模塊包括輸入端與光纖放大器(5)的輸出端連接的光學(xué)環(huán)形器 (6)，與光學(xué)環(huán)形器(6)連接的光學(xué)收發(fā)掃描天線(7)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述信號接收處理模塊包括一端與光纖分束器(3)的另一個輸出端連接、另一端與光學(xué) 環(huán)形器(6)連接的光纖合束器(8)，輸入端與光纖合束器(8)的輸出端連接的平衡光電探測 器(9)，輸入端與平衡光電探測器(9)的輸出端連接的信號采集處理模塊(10)，輸入端與信 號采集處理模塊(10)的輸出端連接的嵌入式計算機(11)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多波長光束合成的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征在 于，所述正弦調(diào)制信號頻率大于1.5倍平衡光電探測器(9)的探測帶寬。
【文檔編號】G01S17/95GK205608187SQ201620208007
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】葉曲, 陳鵬飛
【申請人】四川知周科技有限責(zé)任公司