一种全光纤直接探测测风激光雷达系统及其闭环控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全光纤直接探测测风激光雷达系统及其闭环控制方法，该系统包括光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而根据多普勒频移反演出风速；该激光雷达采用全光纤结构，具有体积小，重量轻的优点，该雷达造价低，通过3级闭环控制，提高激光雷达的环境适应性和工作稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该系统包括光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而根据多普勒频移反演出风速；该激光雷达采用全光纤结构，具有体积小，重量轻的优点，该雷达造价低，通过3级闭环控制，提高激光雷达的环境适应性和工作稳定性。【专利说明】
本专利技术属于直接探测测风激光雷达
，具体涉及一种全光纤直接探测测风激光雷达及其闭环控制方法。
技术介绍
20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日趋成熟，直接探测技术以其独特的优势(空间时间分辨率高、测量精度高、空间覆盖范围大等)在测风激光雷达领域逐渐引起关注。1989年法国Chanin研究小组首次报道中层大气平均风场激光雷达的测量，该测风激光雷达系统采用FP (Fabry-Perot)标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气水平风速的一维分量，其工作波长为532nm，测量高度为25_60km，通过添加第四个指向北的望远镜，实现了平流层大气水平风速的测量。1993年Souprayen等人改进了系统，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷达，探测范围扩展为8_50km，垂直分辨率为150m。美国NASA在直接探测多普勒测风激光雷达系统的研究中也做了大量的研究工作。1992年，Korb等人提出了单边缘探测技术，1998年发展了双边缘探测技术，NASAGoddard航天中心从1995年开始论证和开展测风激光雷达研究，随后车载直接探测测风激光雷达研制成功。此系统采用双边缘直接探测技术，包含355nm分子接收通道和1064nm气溶胶接收通道。测量范围1.8-35km。国内的中国科学技术大学、中国海洋大学和中国科学院安徽光学精密机械研究所在该
各有突破。2006年中国科学技术大学激光雷达课题组成功研制了一台可移动式低对流层风场观测系统，此系统采用适合星载激光雷达计划的、国际上先进的Fabry-Perot双边缘鉴频技术，探测距离在0.2_10km，距离分辨率为30m，速度精度4.5km处小于2m/S。现有的采用FP标准具边缘技术的直接探测测风激光雷达存在一个共同的缺陷，就是体积大，即使是可移动的雷达系统，也需要较大型的运输设备进行运输。在较为恶劣的环境(如机载，舰载)中，由于空间光学器件搭载的光路稳定性不够好，强振动和大温差环境会导致严重的系统误差。另外现有激光雷达观测过程中各个功能模块的控制较为复杂，观测不够智能化。直接探测测风激光雷达目前只在1064nm、532nm、355nm工作波长实现。本专利技术公开一种工作波长为1.5微米的直接探测激光雷达。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为:现有直接探测测风激光雷达具有体积大、空间光学器件搭建的光路稳定性差、成本高、控制方式不够智能化的缺点。本专利技术公开一种工作波长为1.5微米的直接探测测风激光雷达。在该波长，人眼允许曝光功率高、大气透过率高，因此可以采用小口径收发同置望远镜实现小型化测风激光雷达系统。该激光雷达采用全光纤结构，具有体积小，重量轻的优点。1.5微米为光通信波长，光通信器件技术成熟，性价比高，因此该雷达造价低。通过3级闭环控制，提高激光雷达的环境适应性和工作稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种全光纤直接探测测风激光雷达系统，该系统工作波长在光通信波段，工作波长为1.5um，采用全光纤结构，系统包括光学发射部分、锁频部分、发射部分和接收部分，其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而反演出风速。本专利技术还提出了一种全光纤直接探测测风激光雷达的闭环控制方法，该控制方法利用三级闭环控制，实现雷达的闭环控制，利用锁频部分的气体(可以选择12C2H2、H13C14N、12C0、13C0或者以上几种气体的混合气体)吸收池检测激光频率漂移，根据获得的漂移信息校正激光频率，从而将激光频率锁定，形成闭环控制I ;通过测量发射部分的延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件上的透过率，根据此透过率来调节鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置；压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力，使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，从而保证在执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致。其中，所述的闭环控制I模块包括偏振分束器PBS，气体吸收池，第一单光子计数器SPCM，第二单光子计数器SPCM，任意波形发生器AWG和压电陶瓷PZT，其中，偏振分束器PBS为50/50分束器，用于将激光等比例分为两路，一路进入气体吸收池，一路直接进入单光子计数器；吸收池利用气体固有的吸收谱，通过探测激光经过吸收池的透过率，来获得激光的频率在气体吸收谱上的位置，从而获得激光频率的漂移信息，吸收池中气体成分可以为12C2H2、H13C14N、12C0、13C0或者以上这几种气体的混合气体；第一单光子计数器SPCM、第二单光子计数器SPCM分别用于探测通过吸收池和未通过吸收池的激光强度，从而得到通过吸收池的激光透过率，利用此透过率，可以得到激光频率在气体吸收谱上的位置，从而得到激光频率的漂移信息；任意波形发生器利用计算机生成的关于激光频率漂移的反馈信号，产生校正激光频率所需的控制电压；压电陶瓷受到控制电压的作用，长度发生相应改变，从而调节光纤Bragg光栅FBGl的周期结构，从而锁定发射激光的频率；锁频部分通过吸收池检测激光频率漂移，利用获得的漂移信息校正激光频率，形成闭环控制I。其中，所述的闭环控制2，通过测量出射激光在发射部分的延时光纤中的瑞利后向散射在鉴频器件上的透过率，获得鉴频器中心波长相对于出射激光波长的位置，通过改变鉴频器控制器的输入电压，对鉴频器件施加轴向应力，调整光纤FP干涉仪的FP腔长，从而移动鉴频器的中心波长，形成闭环控制2，使得出射波长锁定在透过率曲线的半腰位置。其中，所述的闭环控制3，利用压电陶瓷同步控制两个光纤Bragg光栅，通过预加轴向应力和温控，可以使两个光纤Bragg光栅的反射光谱重叠并随压电陶瓷所加应力同步频移，形成闭环控制3，当执行闭环控制I时，光学接收机中的滤光光纤Bragg光栅的反射峰波长与激光器出射光波长一致，在滤掉背景噪声光的同时，激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤直接探测测风激光雷达系统，其特征在于，该系统工作波长在光通信波段，工作波长为1.5um，采用全光纤结构，系统包括光学发射部分（1）、锁频部分（2）、发射部分（3）和接收部分（4），其中所述光学发射部分用于发射经调制和放大后的激光脉冲；所述锁频部分用于检测激光频率漂移并反馈给激光发射部分，根据偏差调整激光波长进而达到锁定激光波长的功能；所述发射部分用于将激光束指向大气的探测区域，并将大气后向散射光通过光学望远镜耦合到接收机，同时对近场信号强度进行调制；所述接收部分用于从信号中滤除太阳背景，再将信号分成两路，一路经过光纤Fabry?Perot干涉仪，另一路作为能量参考，通过两路信号强度之比得出透过率，进而根据多普勒频移反演出风速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，赵若灿，窦贤康，孙东松，上官明佳，舒志峰，韩於利，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：