一種三波長實時定標雷射雷達的製作方法

2023-12-06 11:56:56

一種三波長實時定標雷射雷達的製作方法
【專利摘要】一種三波長實時定標雷射雷達，包括由望遠鏡、分束器、濾波器和兩個光電探測器組成的接收系統，經由數據採集系統與兩個光電探測器相連的計算機；以及向大氣發射雷射束的發射系統：包括改變種子雷射器出射光、並通過合束器將該出射光注入脈衝雷射器的聲光移頻器，所述的脈衝雷射器經擴束鏡、反射鏡將雷射向大氣發射；所述的光開關切換或聲光移頻器經由上述計算機控制。本發明可實時的提供測風所需靈敏度及兩種測風波長的測量信息，提高了測風性能，實現了精確的可移動測量。
【專利說明】一種三波長實時定標雷射雷達
[0001]本申請為201110119157.2 「三波長實時定標雷射雷達裝置」的分案申請，申請日為2011年5月10日
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種雷射測量大氣風場的雷達裝置，具體涉及一種三波長實時定標雷射雷達。
【背景技術】
[0003]大氣風場是氣象探測中的重要觀測參數，在天氣、環境、交通、航空、海洋等許多領域都有重要作用。天氣預報中提供風場的基礎信息，有助於天氣變化的預報；航空中的陣風、風切變等情況危害較大，風場的觀測可以幫助提前做好應對準備；風力發電中也需要前方風場的測定來使風機有效運行等。
[0004]現有的測風手段多為風向標測風和微波雷達測風。風向標的測量只能測量近地面的局部風速，限制較大，無法獲得大氣風場的信息；微波雷達測風需要在雲、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，雷射雷達就能夠發揮其優勢，取得高精度的大範圍風場信息。
[0005]現今實際應用的測風雷射雷達可以分為相干測風和非相干測風兩類。相干測風雷射雷達系統在氣溶膠含量較高的低空區域探測效果較好，對高空區域難以有效探測。非相干探測技術通過高解析度的光譜器件來提取反射光的強度信息，與頻率變化相關聯，進而求出風場信息。通過氣溶膠和分子的回波信號，非相干測風系統可以取得0.5-20km公裡高度範圍內的風場信息。其中，基於碘分子濾波的非相干測風技術是非相干測風的一種典型技術，它利用了碘分子在一定溫度下，對不同頻率的光吸收率也不同的特點，將雷射的工作波長設置在某一吸收線附近(如532nm雷射選用1109吸收線)，探測回波通過碘分子濾波後的強度變化來求取頻率變化，進而反演風速。
[0006]由於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)，這兩種散射信號通過鑑頻鑑頻器的透過率各不相同，因而兩種信號的成分也會影響光電探測器的結果。目前要反演風速時，必須首先要了解氣溶膠散射和大氣分子散射的比例，才能確定每米風速的光電探測器探測強度變化。普通的測風雷射雷達必須要首先測量靈敏度，取得相應信息才能進行後續的風場測量。這樣，測量靈敏度和測風就不能做到同步進行。又因為氣溶膠是時刻變化的，難免會造成偏差；而且在移動測量時，因為位置的時刻變換，預先進行靈敏度的測量也變得沒有意義。
[0007]因此，雷射雷達測風技術雖然已經進入業務化階段，但仍無法實時獲得準確的氣溶膠相對濃度信息，無法實時定標測量靈敏度而進入真正實用化。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是提供一種三波長實時定標雷射雷達裝置，以彌補已有技術的不足。
[0009]現有的非相干測風雷射雷達無法快速改變發射波長；本發明是對已有的非相干測風雷射雷達的改進，具體是採用了能夠快速改變發射波長的發射系統，並可利用已有雷達的接收系統。
[0010]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0011]一種三波長實時定標雷射雷達,包括向大氣發射雷射束的發射系統和配有分束器的望遠鏡，該分束器將望遠鏡收集的散射光分成兩份，一份經光電探測器a進入數據採集系統，另一份經鑑頻器、光電探測器b進入數據採集系統，以及與數據採集系統相連的內含控制程序的計算機，其特徵在於所述的發射系統包括改變種子雷射器出射光、並通過合束器將該出射光注入脈衝雷射器的聲光移頻器，所述的脈衝雷射器經擴束鏡、反射鏡將雷射向大氣發射；所述的聲光移頻器經由上述計算機控制；
[0012]上述計算機內的控制程序在時序上變換注入脈衝雷射器的種子光波長；
[0013]經時序切換得到三種不同發射波長的雷射脈衝，頻率分別鎖定在鑑頻器同一吸收線的谷底和兩側斜邊的中心部位，一個波長用來測量靈敏度，另兩個波長用來測量風速信息，其中，谷底波長的濾波信息用於反演出風速測量所需的靈敏度信息；兩側斜邊的波長濾波信息包含了頻率變化的信息；
[0014]注入上述脈衝雷射器的種子光頻率對應鑑頻器吸收線的谷底時，接收光進入參考通道的光電探測器以及經濾波後進入測量通道的光電探測器，以測量分子散射和氣溶膠散射，反演靈敏度；注入上述脈衝雷射器的種子光頻率對應鑑頻器吸收線的兩側斜邊時，接收光進入參考通道的光電探測器以及進入測量通道經濾波後的光電探測器，結合上述靈敏度反演出風速。
[0015]上述的鑑頻器為基於分子或者原子吸收光譜的鑑頻器，或基於光學標準具透過率譜線的鑑頻器。
[0016]通常，非相干測風雷射雷達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，從而確定測量靈敏度信息，然後才能根據該靈敏度信息反演風速(即風速測量)。而現有的技術在風速測量之前需要單獨測量靈敏度，或者依靠其他探測資料進行標定。
[0017]本發明可以快速改變發射波長，經時序切換得到三種不同發射波長的雷射脈衝，頻率分別鎖定在鑑頻器同一吸收線的谷底和兩側斜邊的中心部位。因發射波長改變迅速，波長的變換頻率相對於大氣氣溶膠的變化，時間上相當於三個波長同時工作，一個波長用來測量靈敏度，另兩個波長用來測量風速信息；相當於同時獲得了同一探測區域的三個不同發射波長的回波經過鑑頻器的強度變化信息。谷底波長的濾波信息可以反演出風速測量所需的靈敏度信息；兩側斜邊的波長濾波信息包含了頻率變化的信息。相對於利用單一測量波長的頻移信息還提高了靈敏度。
[0018]本發明的優點是將靈敏度的測量與風場的測量相同步，從而實現了對風場的實時測量，測量結果更為精確，而且在吸收線的兩個邊緣測量也可以提高靈敏度；更為重要的是，本發明由於實現了實時測量而實現了真正意義的移動風場測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明採用光開關切換的方案的結構示意圖。[0020]圖2是本發明採用聲光移頻器的方案的結構示意圖。
[0021]圖3是本發明注入脈衝雷射器的三個種子光波長與鑑頻器的碘分子1109吸收線的位置示意圖。
[0022]其中，1.脈衝雷射器，2.擴束鏡，3.反射鏡，4.望遠鏡，5.分束器，6.鑑頻器，7.光電探測器a，8.光電探測器b，9.數據採集系統，10.計算機，11.種子雷射器a，12.種子雷射器b,13.種子雷射器c, 14.光開關切換，15.種子雷射器，16.聲光移頻器，17.合束器，18.吸收線，19.三種注入光波長。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發明的採用光開關切換的方案，包括向大氣發射雷射束的發射系統，配有分束器5的望遠鏡4,該分束器5將望遠鏡4收集的散射光分成兩份,一份經光電探測器a7進入數據採集系統9，另一份經鑑頻器6、光電探測器b8進入數據採集系統9，以及與數據採集系統9相連的內含控制程序的計算機10，其特徵在於所述的發射系統包括對種子雷射器all、種子雷射器bl2和種子雷射器cl3進行選擇、並將雷射注入脈衝雷射器I的光開關切換14，所述的脈衝雷射器I經擴束鏡2、反射鏡3將雷射向大氣發射；所述的光開關切換14經由上述計算機10控制。
[0024]上述計算機10通過內含的控制程序在時序上變換注入脈衝雷射器的種子光波長。
[0025]如圖2所示，本發明的採用聲光移頻器的方案，包括向大氣發射雷射束的發射系統，配有分束器5的望遠鏡4,該分束器5將望遠鏡4收集的散射光分成兩份,一份經光電探測器a7進入數據採集系統9，另一份經鑑頻器6、光電探測器b8進入數據採集系統9，以及與數據採集系統9相連的內含控制程序的計算機10，其特徵在於所述的發射系統包括改變種子雷射器15出射光、並通過合束器17將該出射光注入脈衝雷射器I的聲光移頻器16,所述的脈衝雷射器I經擴束鏡2、反射鏡3將雷射向大氣發射；所述的聲光移頻器16經由上述計算機10控制。
[0026]上述計算機10通過內含的控制程序在時序上變換注入脈衝雷射器的種子光波長。
[0027]上述的鑑頻器6為基於分子或者原子吸收光譜的鑑頻器，或基於光學標準具透過率譜線的鑑頻器。如基於分子吸收光譜的鑑頻器6是利用碘分子1109吸收線的波長範圍在528.2nm?532.8nm內的鑑頻器。
[0028]計算機10通過內含的控制程序控制光開關切換或聲光移頻器，在時序上變換注入脈衝雷射器的種子光波長，所得到的三種注入光波長19如圖3所示，分別在鑑頻器的碘分子1109吸收線18的谷底和兩側斜邊上。
[0029]上述脈衝雷射器I可以採用已有脈衝雷射器，如各種固體雷射器、光纖雷射器，單縱模穩頻(波長為532.25nm)。例如，選用photonics公司的倍頻Nd = YAG脈衝雷射器，單脈衝能量600mJ，重複頻率50KHz，採用種子注入技術。
[0030]上述望遠鏡4可採用反射式、折射式、折反式等通用望遠鏡，如美國Celestron公司生產的820mm卡塞格倫望遠鏡。擴束鏡2可選用10倍擴束的即可。
[0031]上述分束器5可採用已有的光纖分束器，將接受光分為兩束。[0032]鑑頻器6，可採用分子鑑頻器或者原子鑑頻器，如已有並成熟的碘分子濾波技術，採用通光口徑大於光束的15cm長碘池。
[0033]上述光電探測器a7、和光電探測器b8，為同一型號種類的光電探測器件，可以選用高靈敏度和高速響應的光電二極體、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]數據採集系統9，可選用德國Licel公司的TR16-160數據採集系統。
[0035]種子雷射器all、種子雷射器bl2、種子雷射器cl3和種子雷射器15可以用已有的高性能單縱模雷射器。如美國Photonics公司的DS10-532-SLM-01型雷射器，工作波長1064ns，功率 500mW。
[0036]光開關切換14可以使用成熟的通訊用光開關，如國內科毅光通信科技有限公司的MXN光開關型號。
[0037]聲光移頻器16可以使用美國Brimrose公司生產的IPF-400-200型號聲光移頻器，能夠滿足移頻範圍。
[0038]合束器17使用普通的合束器即可，將三路光合為一束。
[0039]測量時，本發明的種子雷射器all、種子雷射器bl2、種子雷射器cl3經過光開關切換14在時序上變換注入脈衝雷射器I的種子光，或者種子雷射器15經過聲光移頻器16在時序上進行頻率搬移變換，經合束器17注入脈衝雷射器I的種子光，變換脈衝雷射器I的發射波長。脈衝雷射器I發射的光束經過擴束鏡2進行擴束，以壓縮發散角，經過反射鏡3發射到大氣當中，被大氣分子或者氣溶膠散射。風的存在使大氣分子和氣溶膠整體宏觀的運動，會使散射光的中心頻率產生都卜勒頻移。回波信號經過望遠鏡4收集後，經過分束器5將光分成兩份，一份進入參考通道，經光電探測器a7，數據採集系統9得到強度數據；另一份進入測量通道，經過鑑頻器6進入光電探測器b8，數據採集系統9得到強度數據。數據處理計算機10存儲數據採集系統9所得數據，並提供數據處理所需要的發射波長信息。發射波長為鑑頻器吸收線18的谷底時，參考通道和測量通道的數據結合可以得到分子散射和氣溶膠散射的強度，進而得出靈敏度；發射波長為鑑頻器吸收線18的兩側斜邊時，參考通道和測量通道的數據結合得出吸收後能量的變化，結合靈敏度得出風速，進而演算出風場。
【權利要求】
1.一種三波長實時定標雷射雷達,包括向大氣發射雷射束的發射系統和配有分束器(5)的望遠鏡(4)，該分束器(5)將望遠鏡(4)收集的散射光分成兩份，一份經光電探測器a(7)進入數據採集系統(9)，另一份經鑑頻器(6)、光電探測器b (8)進入數據採集系統(9)，以及與數據採集系統(9)相連的內含控制程序的計算機(10)，其特徵在於所述的發射系統包括改變種子雷射器(15)出射光、並通過合束器(17)將該出射光注入脈衝雷射器(I)的聲光移頻器(16)，所述的脈衝雷射器(I)經擴束鏡(2)、反射鏡(3)將雷射向大氣發射；所述的聲光移頻器(16 )經由上述計算機(10 )控制。 上述計算機(10)內的控制程序在時序上變換注入脈衝雷射器(I)的種子光波長； 經時序切換得到三種不同發射波長的雷射脈衝，頻率分別鎖定在鑑頻器(6)同一吸收線的谷底和兩側斜邊的中心部位，一個波長用來測量靈敏度，另兩個波長用來測量風速信息，其中，谷底波長的濾波信息用於反演出風速測量所需的靈敏度信息；兩側斜邊的波長濾波信息包含了頻率變化的信息； 注入上述脈衝雷射器(I)的種子光頻率對應鑑頻器(6)吸收線的谷底時，接收光進入參考通道的光電探測器a (7)以及經濾波後進入測量通道的光電探測器b (8)，以測量分子散射和氣溶膠散射，反演靈敏度；注入上述脈衝雷射器(I)的種子光頻率對應鑑頻器(6)吸收線的兩側斜邊時，接收光進入參考通道的光電探測器a (7)以及進入測量通道經濾波後的光電探測器b (8)，結合上述靈敏度反演出風速。
2.如權利要求1所述的三波長實時定標雷射雷達，其特徵在於上述的鑑頻器(6)為基於分子或者原子吸收光譜的鑑頻器，或基於光學標準具透過率譜線的鑑頻器。
【文檔編號】G01S17/95GK103777207SQ201410035819
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2011年5月10日 優先權日:2011年5月10日
【發明者】吳松華, 秦勝光 申請人:中國海洋大學