一種可攜式全自動微脈衝測風雷射雷達系統的製作方法

2023-05-17 15:56:31 2

本公開屬於雷射雷達探測大氣領域，特別涉及一種可攜式全自動微脈衝測風雷射雷達系統。

技術背景

近地層大氣風場的探測對短期氣象預報、軍事國防、航空安全預警、風能評估等諸多方面都有重要意義。採用雷射雷達對近地層風速測量，可以彌補微波雷達在晴空時探測的不足，同時在測量時可以得到較高的風速測量精度和距離解析度。為了適應複雜多變的測量要求，可攜式相干測風雷射雷達系統成為發展趨勢。

技術實現要素：

基於此，本公開揭示了一種可攜式全自動微脈衝測風雷射雷達系統，所述系統包括：

工控機、波形驅動器、主振蕩雷射器、放大級雷射器、收發光學器、2×2光纖耦合器、平衡式探測器；

所述工控機為所述系統的控制中心；

所述系統通過用戶對工控機發送遠程指令，從而對系統的數據採集和上電進行控制；

所述波形驅動器用於產生重複頻率為10k～20khz，高電平寬度為100～500ns的電信號波形；

所述主振蕩雷射器用於產生連續的本振光和種子雷射，並且所述主振蕩雷射器根據波形驅動器的波形將種子雷射調製為脈衝雷射；

所述主振蕩雷射器將產生的脈衝雷射發送給放大級雷射器，將所產生的連續本振光發送給2×2光纖耦合器；

所述放大級雷射器用於將接收到的脈衝雷射進行放大並輸出至收發光學器；

所述收發光學器用於接收大氣中氣溶膠粒子對放大級雷射器輸出的脈衝雷射的後向散射回波光信號，輸出所述後向散射回波光信號至放大雷射器，並從放大雷射器輸出至2×2光纖耦合器；

所述2×2光纖耦合器用於對連續本振光和後向散射回波光信號進行混合，並將混合後的光信號輸出至平衡式探測器；

所述平衡式探測器用於探測所述混合後的光信號，並將探測結果轉換為電信號，並將所述電信號進行輸出。本公開的有益效果在於：

1、本公開採用人眼安全的全光纖雷射器和全光纖器件，系統體積小(≤500×500×300mm)、重量輕(≤30kg)、功耗低(運行功耗≤100w，待機功耗≤10w)、環境適應性較強(工作環境溫度：0℃-40℃，防水)，便於單人攜帶部署，易於維護；系統上電全自動運行，適合非專業人士操作；系統通過北鬥通信系統與控制中心通信，實現了遠程配置和遠程實時獲取測量結果。

2、本公開具有高度解析度可調(50—300m)、風速測量精度高(風速精度：≤1m/s、風向精度：≤±10°)、時間解析度高(≤3s)等特點。

附圖說明

圖1為本公開一個實施例中一種可攜式全自動微脈衝相干測風雷射雷達系統框圖；

其中：1-主振蕩雷射器，1-1為種子雷射器、1-2為一分二光纖分束器、1-3為聲光調製器，2-放大級雷射器，2-1為光纖放大器，2-2為光纖環形器，3-收發光學器，3-1為擴束鏡、3-2為望遠鏡，3-3為楔形掃描鏡，4-波形驅動器，5為2×2光纖耦合器，6-平衡式探測器，7-掃描電機驅動器，8-工控機，9-採集處理電路，10-串口開關模塊，11-電子羅盤，12-北鬥通訊模塊；

圖2(a)為本公開一個實施例中收發光學器對脈衝雷射實現偏轉和掃描功能原理圖；

圖2(b)為本公開一個實施例中掃描電機、楔形鏡和電子羅盤裝配角度示意圖。

具體實施方式

下面結合圖1-2附圖及具體實施方式詳細介紹本公開。

在一個實施例中，本公開揭示了一種可攜式全自動微脈衝測風雷射雷達系統，所述系統包括：

工控機、波形驅動器、主振蕩雷射器、放大級雷射器、收發光學器、2×2光纖耦合器、平衡式探測器；

所述工控機為所述系統的控制中心；

所述系統通過用戶對工控機發送遠程指令，從而對系統的數據採集和上電進行控制；

所述波形驅動器用於產生重複頻率為10k～20khz，高電平寬度為100～500ns的電信號波形；

所述主振蕩雷射器用於產生連續的本振光和種子雷射，並且所述主振蕩雷射器根據波形驅動器的波形將種子雷射調製為脈衝雷射；

所述主振蕩雷射器將產生的脈衝雷射發送給放大級雷射器，將所產生的連續本振光發送給2×2光纖耦合器；

所述放大級雷射器用於將接收到的脈衝雷射進行放大並輸出至收發光學器；

所述收發光學器用於接收大氣中氣溶膠粒子對放大級雷射器輸出的脈衝雷射的後向散射回波光信號，輸出所述後向散射回波光信號至放大雷射器，並從放大雷射器輸出至2×2光纖耦合器。

所述2×2光纖耦合器用於對連續本振光和後向散射回波光信號進行混合，並將混合後的光信號輸出至平衡式探測器；

所述平衡式探測器用於探測所述混合後的光信號，並將探測結果轉換為電信號進行輸出。

更優的，所述系統還包括北鬥通訊模塊；

所述北鬥通訊模塊用於充當用戶和工控機之間進行信息交互的媒介。

本實施例的目的是填補國內可攜式相干測風雷射雷達系統的空缺，提供一套基于波長為1.55μm的全光纖器件的測風雷射雷達系統。系統主要特點有：體積小、重量輕、功耗低，適合單人攜帶、部署；單脈衝能量低，且位於人眼安全波段；具有上電全自動運行功能、錯誤自檢排除功能；可以通過北鬥通信模塊進行遠程配置，以獲取不同探測高度、不同高度解析度的矢量風場數據，矢量風場數據亦可通過北鬥通信模塊遠程傳輸。

本公開所述的系統全自動上電，通過用戶遠程發送指令進行系統上電，指令發送後系統根據默認配置參數運行，同樣，用戶也可以遠程設置參數，設置參數包括探測的距離解析度、探測距離、工作時間等。用戶發送指令開始測量後，北鬥通信模塊接收到指令傳輸給工控機，工控機通過串口開關模塊，分別啟動雷射器、採集卡、探測器、電機驅動器模塊，運行在工控機上的主控程序等待所有模塊上電成功且狀態穩定(主要是雷射器能量穩定需要幾秒鐘的時間，取決於雷射器)後，根據默認採集參數或者用戶通過北鬥通信模塊發送的採集參數設置採集卡和電機驅動器，獲取結果後工控機將結果通過北鬥通信模塊發送給用戶。本公開的全自動運行主要通過運行在工控機上的主控程序實現的。

本公開所述的系統採用了全光纖的雷射器和全光纖的中繼光學系統，相比於固體雷射器和自由空間中繼光路，集成度更高、重量更輕、體積也更小。

本公開所述的系統在非採集狀態下通過串口開關模塊關閉耗電量高的雷射器、採集卡、電機驅動器等模塊，只保留工控機和北鬥通信模塊處於工作狀態。同時，由於採用了全光纖雷射器，電光轉換效率更高。

如圖1所示：所述系統包含工控機、主振蕩雷射器、波形驅動器、放大級雷射器、收發光學器、2×2光纖耦合器、平衡式探測器、北鬥通信模塊。

所述工控機包括8個埠，埠1與所述波形驅動器埠1相連，埠2與所述波形驅動器埠1相連，埠3與所述放大級雷射器埠1相連，埠4與所述採集處理電路埠1相連，、埠7與所述北鬥通信模塊埠1相連。

所述主振蕩雷射器包含4個埠，埠1與所述工控機埠2相連，埠2與所述波形驅動器埠2相連，埠3與所述放大級雷射器埠2相連，埠4與所述2×2光纖耦合器埠1相連。

所述波形驅動器包含兩個埠，埠1與所述工控機埠1相連，埠2與所述主振蕩雷射器埠2相連。所述波形驅動器發出的波形取決於雷射器特性，通常為三角波。

所述放大級雷射器包含4個埠，埠1與所述工控機埠3相連，埠2與所述主振蕩雷射器埠3相連，埠3與所述收發光學器埠1相連，埠4與所述2×2光纖耦合器埠2相連。

所述收發光學器包含2個埠，埠1與所述放大級雷射器埠3相連。

所述2×2光纖耦合器包含4個埠，埠1與所述主振蕩雷射器埠4相連，埠2與所述放大級雷射器埠4相連，埠3和4與所述平衡式探測器埠1和2相連。

所述平衡式探測器包含3個埠，埠1和2分別與所述2×2光纖耦合器埠3和4相連。

所述北鬥通信模塊包含1個埠，與工控機埠7相連。

工控機8是系統控制中心，採用低功耗、高性能、嵌入式、小型化工控機。工控機8與波形驅動器4通過usb埠相連，控制波形驅動器4產生不同重複頻率、不同佔空比的波形，波形驅動器4與主振蕩雷射器1通過同軸線纜相連，驅動主振蕩雷射器1產生不同重複頻率、脈寬的脈衝雷射；工控機8與主振蕩雷射器1通過串口相連，控制和讀取主振蕩雷射器1的工作狀態；工控機8與放大級雷射器2通過串口相連，控制和讀取放大級雷射器2輸出脈衝能量和工作狀態；工控機8與北鬥通信模塊12通過串口相連，通過北鬥通信模塊與用戶進行信息交換。

在一個實施例中，所述主振蕩雷射器包括：種子雷射器、一分二光纖分束器、聲光調製器；

所述種子雷射器用於發射窄線寬連續雷射，所述窄線寬連續雷射經過一分二光纖分束器分束後，其中一部分輸出至2×2光纖耦合器作為連續本振光，另一部分輸出至聲光調製器，作為種子光；

所述聲光調製器根據接收到的波形驅動器輸出的波形，將輸入種子光調製輸出為脈衝雷射，所述脈衝雷射通過單模保偏光纖輸出至放大級雷射器。

更優的，所述將輸入種子光調製輸出為脈衝雷射具體為：根據外差探測原理，對種子光產生附加移頻量，得到脈衝雷射，所述脈衝雷射通過單模保偏光纖輸出至放大級雷射器。

在本實施例中，如圖1所示：所述主振蕩雷射器1包含種子雷射器1-1、一分二光纖分束器1-2、聲光調製器1-3。其中種子雷射器1-1發射窄線寬連續雷射，經過分束器1-2分束後，其中一部分作為連續本振光輸出至2×2光纖耦合器5，另一路輸出至聲光調製器1-3；聲光調製器1-3根據波形驅動器4輸入波形，將連續的本振光調製輸出為脈衝雷射，脈衝雷射相對於本振光包含了中頻移頻量，脈衝雷射通過單模保偏光纖輸出至放大級雷射器2。

在一個實施例中，所述放大級雷射器包括：光纖放大器和光纖環形器；

所述光纖放大器用於放大經過的脈衝雷射，並將所述脈衝雷射輸送至光纖環形器；

所述光纖環形器作為光學收發開關，用於將光纖放大器發射的脈衝雷射和大氣中氣溶膠粒子後向散射回波光信號的分束隔離。

更優的，所述光纖環形器包含三個埠，第一埠與光纖放大器相連，第二埠和第三埠作為放大級雷射器的輸出埠，分別與收發光學器和2×2光纖耦合器相連接；

所述脈衝雷射從第一埠進入光纖環形器，從第二埠輸出至收發光學器，並從收發光學器進入大氣中。

在本實施例中，所述工控機通過控制光纖放大器的驅動電流，以控制所述脈衝雷射經過光纖放大器後的輸出能量，經過光纖放大器能量放大後的脈衝雷射輸出至光纖環形器；

所述光纖環形器作為光學收發開關，用於放大級雷射器發射的脈衝雷射和大氣中氣溶膠粒子後向散射回波光信號的分束隔離，其中大氣中的氣溶膠粒子隨著大氣風場運動，有著與大氣風場一樣的速度，該速度在脈衝雷射傳輸方向存在速度分量，根據都卜勒效應，氣溶膠粒子後向散射回波光信號與脈衝光之間存在正比於該速度分量的都卜勒移頻量(fd)。

在本實施例中，將所述光纖環形器集成在放大級雷射器內部，使得放大級雷射器允許輸出最大脈衝能量得到提高，進而使得整個系統的探測距離得以提升。

如圖1所示：所述放大級雷射器2內部包含了光纖放大器2-1和光纖環形器2-2，工控機8通過控制光纖放大器2-1的驅動電流，以控制脈衝雷射經過光纖放大器2-1後輸出能量，能量放大後的脈衝雷射輸出至光纖環形器2-2。光纖環形器2-2用於發射信號和回波信號的分束隔離，光纖環形器2-2包含三個埠，埠a與光纖放大器2-1相連，埠b和埠c作為放大級雷射器2的輸出埠3和輸出埠4，分別與收發光學器3的埠1和2×2光纖耦合器5的埠2相連。放大後的脈衝雷射從埠a進入光纖環形器2-2，從埠b輸出至收發光學器3；收發光學器3接收到的回波信號從埠b進入光纖環形器2-2，從埠c輸出。

在一個實施例中，所述收發光學器包括：擴束鏡、望遠鏡、楔形鏡和掃描電機；

所述擴束鏡用於對光纖環形器輸出的脈衝雷射進行預擴束；

所述望遠鏡用於壓縮經擴束鏡後的脈衝雷射光束的發散角；

所述掃描電機用於改變楔形鏡出射光軸在水平面上的投影角，從而實現對楔形鏡發射的脈衝雷射光束在不同方位角上的探測。

更優的，所述擴束鏡與光纖環形器第二埠相連。

更優的，所述擴束鏡光軸垂直於水平面，與脈衝雷射的傳輸方向重合。

更優的，所述望遠鏡光軸與擴束鏡光軸重合且垂直於水平面。

更優的，所述收發光學器為收發同軸光學系統，用於接收大氣中氣溶膠粒子對光纖環形器輸出的脈衝雷射的後向散射回波光信號，並輸出所述後向散射回波光信號至光纖環形器，從光纖環形器的第三埠輸出至2×2光纖耦合器。

在本實施例中，所述楔形鏡安裝在掃描電機上，用於偏轉輸入光軸，偏轉後的光軸與垂直方向存在15°至40°夾角，在水平面上投影角與掃描電機原點角一致，即與電子羅盤正北方向一致，當掃描電機轉動時，光軸在水平面上投影角也會改變，從而實現在不同方位角上的探測。

在本實施例中，如圖1所示：所述收發光學器3包括擴束鏡3-1、望遠鏡3-2和楔形掃描鏡3-3。擴束鏡3-1對放大級雷射器2埠2輸出脈衝光進行擴束；望遠鏡3-2進一步壓縮光束髮散角；楔形掃描鏡3-3將光束偏轉20°，當楔形掃描鏡3-3掃描時，光束可以指向不同方位角。系統採用了收發同軸光學系統，根據光路可逆原理，回波信號同樣可以耦合進入光纖環形器2-2埠b。

在一個實施例中，所述系統還包括掃描電機驅動器，所述掃描電機驅動器與所述掃描電機相連接，控制和讀取收發光學器發射的脈衝雷射光束的掃描角度，並將所述收發光學器發射的脈衝雷射光束的掃描角度發送給工控機。

在本實施例中，如圖1所示：所述掃描電機驅動器包含2個埠，埠1與所述工控機埠5相連，埠2與所述收發光學器埠2相連。具體的：所述掃描電機驅動器與收發光學器中的掃描電機相連，控制和讀取發射光束的掃描角度。

在一個實施例中，所述系統還包括有電子羅盤，所述系統根據電子羅盤的方位角對所述掃描電機的方位角進行判斷。

在本實施例中，電子羅盤與工控機通過串口相連，電子羅盤水平安裝在系統中，正北指向與發射光束原點方位角(即收發光學器3中的掃描電機在原點位置時，發射光束的方位角)一致。

在一個實施例中，所述2×2光纖耦合器為單模保偏等比例輸出光纖，兩個輸入端分別與主振蕩雷射器和放大級雷射器相連，大氣中氣溶膠粒子的後向散射回波光信號與連續本振光在2×2光纖耦合器中混合後，得到後向散射回波光信號與連續本振光的差頻信號，經2×2光纖耦合器輸出埠等比例輸出至平衡式探測器。

更優的，所述平衡式探測器用於將後向散射回波光信號與連續本振光的差頻信號轉換為差頻電信號，並將所述差頻電信號輸出至採集處理電路。

在本實施例中，所述系統基於光相干探測原理。光相干探測原理具有接近量子噪聲極限的探測靈敏度、高信噪比。相干測風雷射雷達系統發射兩束雷射，其中一束是本振光，用於相干探測；另一束是經過聲光調製器調製後的脈衝信號光，經過望遠鏡和掃描器發射到大氣中。氣溶膠粒子的微弱後向散射信號被望遠鏡接收後，與本振光相干混頻。不同距離處回波信號到達望遠鏡系統時間不同。混頻信號中包含了易被探測的中頻信號，中頻信號的頻率正比於徑向(探測方向)風速大小。通過掃描裝置獲取不同方位的徑向風速，採用矢量合成的方法得到三維風場信息。

在一個實施例中，所述系統還包括有採集處理電路，所述採集處理電路用於接收所述平衡式探測器輸出電信號。所述採集處理電路包括信號處理fpga晶片，所述信號處理fpga晶片內嵌對所述電信號進行頻譜分析的算法，得到差頻信號的功率譜。

在本實施例中，在同一方向上多次發射脈衝，然後分別對每次發射後採集得到的信號進行功率譜分析，對這些功率譜累加求平均，得到功率峰值對應的信號頻率，該頻率就是f0+δf，包含了都卜勒移頻量，根據都卜勒移頻量就可以得到該方向上的徑向風速，在不同徑向上探測然後通過合成的方式得到矢量風速。

在一個實施例中，所述系統還包括有串口開關模塊，所述串口開關模塊與工控機相連接。

所述系統需要工作時，用戶通過北鬥通信系統遠程發送工作指令，工控機接收到北鬥通信模塊的工作指令後，通過串口開關模塊分別控制波形驅動器、主振蕩雷射器、放大級雷射器、掃描電機驅動器、平衡探測器、採集處理電路和電子羅盤上電。

更優的，電機驅動器上電後，自動檢查掃描電機是否在原點角位置，如果不在，則驅動掃描電機轉動到原點角位置；電子羅盤上電成功後，工控機讀取當前電子羅盤的方位角，判斷當前電機原點角對應的方位角，並將掃描電機原點角轉動至正北方位角。

所述主振蕩雷射器上電後，工控機讀取主振蕩雷射器輸出的脈衝光功率，等待穩定後，工控機控制放大級雷射器工作，通過設置光纖放大器的驅動電流控制輸出放大級雷射器的脈衝能量；

工控機讀取放大級雷射器的輸出脈衝能量，等待其穩定後，工控機控制採集處理電路開始工作；採集處理電路在每次脈衝光束髮射出去立即進行採樣，採樣點數取決於用戶設定的探測距離，在單個方位角的採樣脈衝數也取決於用戶設定；對單次脈衝採集到包含都卜勒頻移信息的電信號使用內嵌的頻譜分析算法處理，並對同一方位角多脈衝探測信號的功率譜進行平均，多脈衝探測取平均能夠有效抑制噪聲，同時將平均功率譜和當前系統方位角存儲在工控機中；

工控機控制掃描電機驅動器，驅動掃描電機轉動，從而實現發射脈衝光束在不同方位角上探測，利用三維風場的矢量合成算法計算三維風場信息，並且通過北鬥通信模塊將三維風場信息傳輸給用戶。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解；其依然可以對上述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替代；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術所述的精神範圍。