一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法，系统工作波长在1.5微米光通信波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件；测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器（FFPI）透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速。本发明专利技术只使用了一个单通道Fabry-Perot干涉仪，简化了光路结构，不仅降低了成本，而且减少了需要在校准过程中获得的校准系数的数量，避免了双边缘技术中鉴频器多个通道随振动和温差等环境变化引起的不同步变化，从而提高了系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，系统工作波长在1.5微米光通信波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件；测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器（FFPI）透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速。本专利技术只使用了一个单通道Fabry-Perot干涉仪，简化了光路结构，不仅降低了成本，而且减少了需要在校准过程中获得的校准系数的数量，避免了双边缘技术中鉴频器多个通道随振动和温差等环境变化引起的不同步变化，从而提高了系统稳定性。【专利说明】—种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法
本专利技术属于直接探测测风激光雷达
，具体涉及。
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标准具双边缘技术的直接探测测风激光雷达利用了两个鉴频通道中的FP标准具透过率边缘，相对于只有一个鉴频通道的系统来说，两个鉴频通道随环境的振动和温度变化所分别产生的不同步的变化会带来大于两个通道各自误差的系统误差。两个通道都需要在校正过程中获得两个校正系数，需要获得的校正系数数量的增多，带来了更大的系统误差。
技术实现思路
现有的FP标准具双边缘技术利用了两个鉴频通道的透过率曲线边缘，两个鉴频通道随环境的振动和温度变化所分别产生的不同步的变化会带来大于两个通道各自误差的系统误差。并且，两个通道都需要在校正过程中获得两个校正系数，需要获得的校正系数数量的增多，带来了更大的系统误差。本专利技术只使用一个鉴频通道，基于双工作波长在透过率两侧边缘的变化，来获得多普勒频移，进而反演出风速，从而避免现有双边缘技术的两个通道所带来的系统误差。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统，包括环行器，连续激光器，第一 50/50分束器，第一路的声光调制器Α0Μ，第二路的声光调制器Α0Μ,光纤稱合器,光纤放大器EDFA,延时光纤,望远镜,光纤Bragg光栅FBG,第二 50/50分束器，光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI,光纤Fabry-Perot干涉仪控制器，第一单光子计数器SPCM，第二单光子计数器SPCM和计算机，连续激光器出射的连续光经过第一50/50分束器后分成两路，两路的声光调制器AOM即第一路的声光调制器Α0Μ，第二路的声光调制器AOM分别将激光调制为时域上的奇数脉冲和偶数脉冲，并分别将奇偶脉冲的激光频率调制到-AOM (-80MHz)和AOM (80MHz)的位置，两路经过调制的脉冲光通过光纤耦合器后，进入光纤放大器EDFA，经放大后的激光脉冲从A端口进入环行器，从B端口出射后依次经过延时光纤和望远镜，入射到大气中；大气后向散射信号依次经过望远镜和延时光纤后，从B端口进入环行器并从C端口出射，经过光纤Bragg光栅FBG滤除背景后，从C端口进入环行器并从D端口出射进入第二 50/50分束器，第二 50/50分束器将滤除背景后的大气后向散射信号等比分为两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI后进入第一单光子计数器SPCM检测信号强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器SPCM检测大气后向散射信号强度，两个单光子计数器获得的数据传入计算机中，计算机利用所得数据反演出径向风速。其中，经第一路的声光调制器AOM调制后的激光占用奇数脉冲，频率位置在距离中心频率-AOM (-80MHz)的位置；经第二路的声光调制器AOM调制后的激光占用偶数脉冲，频率位置在距离中心频率AOM (80MHz )的位置，在两个脉冲时间间隔内，延时光纤中的瑞利后向散射光首先进入FFPI中，由于延时光纤中的后向散射光没有多普勒频移，所以能够利用延时光纤中的瑞利后向散射信号来锁定FFPI的透过率曲线的中心位置；大气后向散射信号在延时光纤的后向散射信号之后进入FFPI中进行鉴频，利用奇偶脉冲的回波信号分别在FFPI透过率曲线的两个边缘上的透过率变化来获得多普勒频移，进而反演出径向风速。本专利技术另外提供一种利用上述的基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统的测风方法，该测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器(FFPI)透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速，采用的FFPI的半高宽为150MHz，两工作波长分别位于FFPI透过率峰值左右两侧-80MHz和80MHz的位置。本专利技术的优点和积极效果为:(I)、本专利技术公开一种工作波长在光通讯波段的基于双工作波长的直接探测测风方法和装置。由于光通信器件技术和工艺成熟，该激光雷达具有全光纤结构，体积小，重量轻，造价低的优点。由于其高度集成的全光纤链路结构没有任何空间光学器件，所以适合机载和舰载等强振动、大温差的恶劣环境。(2)、本专利技术利用双工作波长的奇偶脉冲分别在同一个FFPI鉴频器的两个边缘的透过率变化来反演出多普勒频移，相对于双边缘的直接探测测风方法，本专利技术只使用了一个单通道Fabry-Perot干涉仪，简化了光路结构，不仅降低了成本，而且减少了需要在校准过程中获得的校准系数的数量，避免了双边缘技术中两个鉴频器随振动和温差等环境变化引起的不同步变化，从而提高了系统稳定性。【专利附图】【附图说明】图1为双工作波长测风方法示意图；图2为双工作波长测风系统原理图；10为环行器，11为连续激光器，12为第一50/50分束器，13为第一路的声光调制器Α0Μ，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统，其特征在于，包括环行器（10），连续激光器（11），第一50/50分束器（12），第一路的声光调制器AOM（13），第二路的声光调制器AOM（14），光纤耦合器（15），光纤放大器EDFA（16），延时光纤（21），望远镜（22），光纤Bragg光栅FBG（31），第二50/50分束器（41），光纤Fabry?Perot干涉仪FFPI（42），光纤Fabry?Perot干涉仪控制器（43），第一单光子计数器SPCM（44），第二单光子计数器SPCM（45）和计算机（46），连续激光器（11）出射的连续光经过第一50/50分束器（12）后分成两路，两路的声光调制器AOM即第一路的声光调制器AOM（13），第二路的声光调制器AOM（14）分别将激光调制为时域上的奇数脉冲和偶数脉冲，并分别将奇偶脉冲的激光频率调制到?AOM（?80MHz）和AOM（80MHz）的位置，两路经过调制的脉冲光通过光纤耦合器（15）后，进入光纤放大器EDFA（16），经放大后的激光脉冲从A端口进入环行器（10），从B端口出射后依次经过延时光纤（21）和望远镜（22），入射到大气中；大气后向散射信号依次经过望远镜（22）和延时光纤（21）后，从B端口进入环行器（10）并从C端口出射，经过光纤Bragg光栅FBG（31）滤除背景后，从C端口进入环行器（10）并从D端口出射进入第二50/50分束器（41），第二50/50分束器（41）将滤除背景后的大气后向散射信号分为两路，一路经过光纤Fabry?Perot干涉仪FFPI（42）后进入第一单光子计数器SPCM（44）检测信号强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器SPCM（45）检测大气后向散射信号强度，两个单光子计数器获得的数据传入计算机（46）中，计算机利用所得数据反演出径向风速。...

【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：