全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，由激光器、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、耦合器、平衡探測(cè)器、放大器、控制器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、處理器、掃描器、波形調(diào)制器、顯示和存儲(chǔ)單元組成。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速測(cè)量精度和高距離分辨率的風(fēng)速測(cè)量，可以滿足不同探測(cè)距離、不同距離分辨率和不同風(fēng)速的風(fēng)速測(cè)量需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，特別是一種全光纖多普勒相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)裝置及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多普勒相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于大氣風(fēng)場(chǎng)信息測(cè)量，包括晴空湍流、風(fēng)切變、機(jī)場(chǎng)測(cè)風(fēng)、颶風(fēng)追蹤及飛機(jī)軌跡渦流探測(cè)等，在國(guó)內(nèi)車(chē)載多普勒相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已有相關(guān)報(bào)道。采用激光雷達(dá)方式對(duì)風(fēng)速測(cè)量可以彌補(bǔ)微波雷達(dá)在晴天時(shí)探測(cè)的不足，同時(shí)在測(cè)量時(shí)可以得到較高的風(fēng)速測(cè)量精度和距離分辨率。為適應(yīng)復(fù)雜多變的測(cè)量要求，同時(shí)適應(yīng)動(dòng)平臺(tái)的多普勒相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)成為發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)于低的對(duì)流層風(fēng)速測(cè)量，在波段選擇上以人眼安全的2.0 μ m或1.5 μ m相干激光雷達(dá)為主；全光纖緊湊型、低功耗和便于維護(hù)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)裝置成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于克服傳統(tǒng)風(fēng)速測(cè)量方法的不足，提供一種全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速測(cè)量精度和高距離分辨率的風(fēng)速測(cè)量，可以滿足不同探測(cè)距離、不同距離分辨率和不同風(fēng)速的風(fēng)速測(cè)量需求。
[0004]根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的基本原理是基于激光的多普勒測(cè)量技術(shù)，通過(guò)激光器發(fā)射出兩束激光，一束光作為信號(hào)光，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡和掃描器發(fā)射出去；一束光作為本振光用于相干探測(cè)；接收到回波信號(hào)光與本振光進(jìn)行相干探測(cè)，得到回波信號(hào)光和本振光的頻率差，這個(gè)頻率差包含了多普勒頻移信息，通過(guò)信號(hào)處理后得到多普勒頻移信息對(duì)應(yīng)的視線風(fēng)速，再通過(guò)多組視線風(fēng)速計(jì)算，同時(shí)校正平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以得到三維風(fēng)剖面信息。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]一種全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，包括全光纖激光器和環(huán)形器，在所述的全光纖激光器的第一輸出端與所述的環(huán)形器的第一端口相連，該環(huán)形器的第二端口的輸出方向是望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡與掃描器的第一輸入端相連，所述的環(huán)形器的第三端口的輸出方向是耦合器的第一輸入端，所述的全光纖激光器的第二輸出端與所述的耦合器的第二輸入端相連，該稱(chēng)合器的第一輸出端與平衡探測(cè)器的第一輸入端相連，該稱(chēng)合器的第二輸出端與平衡探測(cè)器的第二輸入端相連，所述的平衡探測(cè)器的輸出端與放大器的輸入端相連，該放大器的輸出端與模擬-數(shù)字采集卡的第一輸入端相連，所述的模擬-數(shù)字采集卡的輸出端與具有實(shí)時(shí)處理能力的數(shù)據(jù)處理單元的第一輸入端相連，數(shù)據(jù)處理單元的輸出端接實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)終端，所述的全光纖激光器的輸入端為波形調(diào)制器的輸出端，所述的波形調(diào)制器的輸入端為控制器的第一輸出端，所述的控制器的第二輸出端與掃描器的第二輸入端相連，控制器的第三輸出端與模擬-數(shù)字采集卡的第二輸入端相連，控制器的第四輸出端與數(shù)據(jù)處理單元的第二輸入端相連。[0007]所述的全光纖激光器為單模保偏全光纖激光器，該全光纖激光器的第一輸出端的激光頻率為fo+Λ f，為脈沖光源；該全光纖激光器的第二輸出端的激光頻率為&，為連續(xù)光源。
[0008]所述的望遠(yuǎn)鏡為發(fā)射和接收共光軸的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
[0009]所述的掃描器為旋轉(zhuǎn)型光楔偏轉(zhuǎn)鏡或者兩鏡掃描鏡，掃描方位角為O至360°范圍。
[0010]所述的耦合器為2X2的光纖耦合器。
[0011 ] 所述的放大器為模擬放大器。
[0012]所述的處理器內(nèi)嵌具有實(shí)時(shí)處理能力的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，
[0013]所述的顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)終端是基于電腦(PC)。
[0014]所述的控制器為基于FPGA的指令控制單元。
[0015]本發(fā)明全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置的流程如下:
[0016]①激光器的第一輸出端發(fā)出的激光作為信號(hào)光，該信號(hào)光由環(huán)形器的第一端口進(jìn)入后由該環(huán)形器的第二端口輸出后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)掃描器偏轉(zhuǎn)后發(fā)射，激光器的第二輸出端發(fā)出的激光作為本振光進(jìn)入耦合器的第二輸入端，該信號(hào)的峰值頻率為& ;
[0017]②所述的激光器的第一輸出端發(fā)出的激光根據(jù)波形調(diào)制器的輸出信號(hào)具有脈沖寬度可調(diào)，脈沖形狀可調(diào)，所 述的激光器是具有激光脈沖重復(fù)頻率可調(diào)，激光脈沖中間頻率Δf可調(diào)的全光纖緊湊型脈沖激光器；
[0018]③所述的掃描器接收目標(biāo)回波信號(hào)光后，經(jīng)過(guò)掃描器的第一輸入端反向進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，再通過(guò)所述的環(huán)形器的第二端口進(jìn)入所述的環(huán)形器并經(jīng)該環(huán)形器的第三端口進(jìn)入耦合器的第一輸入端，該信號(hào)頻率為fo+ Δ f+fd ；
[0019]④所述的I禹合器的第一輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)入平衡探測(cè)器的第一輸入端，該I禹合器的第二輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)入平衡探測(cè)器的第二輸入端，兩路信號(hào)光通過(guò)平衡探測(cè)器之后變?yōu)橐宦冯娦盘?hào)，該信號(hào)功率譜的峰值頻率為為攜帶風(fēng)速信息的多普勒頻率數(shù)值；
[0020]⑤所述的放大器是普通的單通道電子模擬放大器，放大倍率可調(diào)節(jié)；
[0021]⑥所述的模數(shù)數(shù)字采集卡對(duì)所述的放大器輸出的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采集，通過(guò)所述的處理器進(jìn)行傅立葉變換后得到功率譜信號(hào)，該信號(hào)的峰值頻率為f= Af+fd，其中Af為激光器產(chǎn)生的中間頻率，fd為多普勒頻率，多普勒頻率和平行于工作平臺(tái)方向上相對(duì)于工
作平臺(tái)的視線風(fēng)速V之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，λ為激光器的輸出波長(zhǎng)；
Λ



λ( f - Af)
[0022]⑦所述的處理器計(jì)算最終視線風(fēng)速:V = ' 。
[0023]⑧所述的顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)器終端可以實(shí)時(shí)顯示多組視線風(fēng)速計(jì)算處理后的三維風(fēng)剖面信息、相應(yīng)的距離信息與裝置狀態(tài)信息。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]1、采用人眼安全的全光纖激光器、成熟的光纖器件，適用于靜止和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，功耗小、易于連接、方便維護(hù)、裝置工作穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可以抵抗沖擊和振動(dòng)。[0026]2、采用小信號(hào)處理技術(shù)，可以通過(guò)多次脈沖累加技術(shù)，頻譜去噪技術(shù)提取功率譜中比隨機(jī)噪聲幅度還小的信號(hào)。單個(gè)脈沖信號(hào)的有效幅度大于1%的噪聲幅度均可得到提取。
[0027]3、采用外差相干探測(cè)技術(shù)，可以有效地探測(cè)出具有光子量級(jí)的信號(hào)，使得裝置可以工作在量子探測(cè)極限處，比直接探測(cè)獲得更高的信噪比。
[0028]4、采用了單頻脈沖激光輸出，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的高精度探測(cè)和距離門(mén)的高分辨率測(cè)量。
[0029]5、采用了脈沖波形調(diào)制技術(shù)，激光雷達(dá)發(fā)射脈沖激光波形、脈沖寬度以及重復(fù)頻率可以在大的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同探測(cè)距離和不同距離分辨率的激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量需求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]首先請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，包括全光纖激光器I和環(huán)形器2，在所述的全光纖激光器I的第一輸出端與所述的環(huán)形器2的第一端口相連，該環(huán)形器的第二端口的輸出方向是望遠(yuǎn)鏡3,該望遠(yuǎn)鏡3與掃描器13的第一輸入端相連,所述的環(huán)形器2的第三端口的輸出方向是耦合器4的第一輸入端，所述的全光纖激光器I的第二輸出端與所述的耦合器4的第二輸入端相連，該耦合器4的第一輸出端與平衡探測(cè)器5的第一輸入端相連，該稱(chēng)合器4的第二輸出端與平衡探測(cè)器5的第二輸入端相連,所述的平衡探測(cè)器5的輸出端與放大器6的輸入端相連,該放大器6的輸出端與模擬-數(shù)字米集卡11的第一輸入端相連，所述的模擬-數(shù)字采集卡11的輸出端與具有實(shí)時(shí)處理能力的數(shù)據(jù)處理單元12的第一輸入端相連，數(shù)據(jù)處理單元12的輸出端接實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)終端15，所述的全光纖激光器I的輸入端為波形調(diào)制器14的輸出端，所述的波形調(diào)制器14的輸入端為控制器10的第一輸出端,所述的控制器10的第二輸出端與掃描器13的第二輸入端相連，控制器10的第三輸出端與模擬-數(shù)字采集卡11的第二輸入端相連，控制器10的第四輸出端與數(shù)據(jù)處理單元12的第二輸入端相連。
[0033]所述的全光纖激光器I輸出二部分光束，大部分光作為信號(hào)光依次進(jìn)入環(huán)形器2、望遠(yuǎn)鏡3和掃描器13后發(fā)射出去；小部分光作為本振光直接進(jìn)入耦合器4用于相干探測(cè)。所述掃描器13收到回波信號(hào)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡3，再次通過(guò)環(huán)形器2進(jìn)入耦合器4 ;進(jìn)入所述的耦合器4的兩束激光相干混頻后輸出，2束相干光進(jìn)入平衡探測(cè)器5 ;所述的平衡探測(cè)器5輸出一路混頻電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器10進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器11后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出，該數(shù)字信號(hào)通過(guò)處理器12實(shí)現(xiàn)視線風(fēng)速及風(fēng)剖面的計(jì)算；處理結(jié)果在顯示和存儲(chǔ)單元15顯示輸出。所述的控制器10是具有計(jì)算控制功能的中央處理器，通過(guò)指令控制信號(hào)發(fā)生器14進(jìn)行工作并輸出相應(yīng)波形；所述的控制器10發(fā)出指令控制掃描器13進(jìn)行光束掃描；所述的控制器10發(fā)出指令控制模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器11和處理器12進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。
[0034]本實(shí)施例采用的具體器件為:所述的全光纖激光器I為單縱模全光纖激光器；所述的望遠(yuǎn)鏡3為口徑≤500mm的收發(fā)共光軸望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；耦合器4為分光比50/50波長(zhǎng)1550nm的光纖稱(chēng)合器；所述的掃描器13為可旋轉(zhuǎn)的圓形光楔鏡或者兩鏡掃描器；所述的控制器10為主控電路板；所述處理器12為內(nèi)嵌FPGA及DSP的實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路板。
[0035]本發(fā)明實(shí)施的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置具體流程是:
[0036]①激光器的第一輸出端發(fā)出激光作為信號(hào)光，該信號(hào)光由環(huán)形器的第一端口進(jìn)入后由該環(huán)形器的第二端口輸出后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)掃描器偏轉(zhuǎn)后發(fā)射，激光器的第二輸出端發(fā)出的激光作為本振光進(jìn)入耦合器的第二輸入端，該信號(hào)的頻率為fo ;
[0037]②所述的激光器的第一輸出端發(fā)出的激光根據(jù)波形調(diào)制器輸出信號(hào)具有脈沖寬度可調(diào)，脈沖波形可調(diào)，所述的激光器是具有激光脈沖重復(fù)頻率可調(diào)，激光脈沖中間頻率Δf可調(diào)的全光纖脈沖激光器；
[0038]③所述的掃描器接收目標(biāo)回波信號(hào)光后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，再通過(guò)所述的環(huán)形器的第二端口進(jìn)入所述的環(huán)形器并經(jīng)該環(huán)形器的第三端口進(jìn)入耦合器的第一輸入端，該信號(hào)的頻率為 f0+Af+fd；
[0039]④所述的I禹合器的第一輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)入平衡探測(cè)器的第一輸入端，該I禹合器的第二輸出端輸出的信號(hào)進(jìn)入平衡探測(cè)器的第二輸入端，兩路信號(hào)光通過(guò)平衡探測(cè)器之后變?yōu)橐宦冯娦盘?hào)，外差信號(hào)頻率為Af+fd，Λ 攜帶風(fēng)速信息的多普勒頻率數(shù)值；
[0040]⑤所述的放大器是普通的單通道電子學(xué)放大器，放大倍率可調(diào)節(jié)；
[0041]⑥所述的模擬數(shù)字采集單元AD對(duì)所述的放大器輸出的電信號(hào)進(jìn)行模擬采集，通過(guò)所述的處理器進(jìn)行傅立葉變換后得到功率譜信號(hào)，該信號(hào)的峰值功率譜對(duì)應(yīng)的頻率為f=Δ f+fd，其中Λ f為激光器產(chǎn)生的中間頻率，fd為多普勒頻率，多普勒頻率和平行于工作
平臺(tái)方向上相對(duì)于工作平臺(tái)的視線風(fēng)速V之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為力fd=2v/λ，λ為激光器的輸出
波長(zhǎng);
[0042]⑦所述的處理器可得到最終視線風(fēng)速:
【權(quán)利要求】
1.一種全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，包括全光纖激光器(I)和環(huán)形器(2)，其特征是在所述的全光纖激光器(I)的第一輸出端與所述的環(huán)形器(2)的第一端口相連，該環(huán)形器的第二端口的輸出方向是望遠(yuǎn)鏡(3),該望遠(yuǎn)鏡(3)與掃描器(13)的第一輸入端相連，所述的環(huán)形器(2)的第三端口的輸出方向是耦合器(4)的第一輸入端，所述的全光纖激光器(I)的第二輸出端與所述的稱(chēng)合器(4)的第二輸入端相連,該稱(chēng)合器(4)的第一輸出端與平衡探測(cè)器(5)的第一輸入端相連，該耦合器(4)的第二輸出端與平衡探測(cè)器(5)的第二輸入端相連，所述的平衡探測(cè)器(5)的輸出端與放大器(6)的輸入端相連，該放大器(6)的輸出端與模擬-數(shù)字采集卡(11)的第一輸入端相連，所述的模擬-數(shù)字采集卡(11)的輸出端與具有實(shí)時(shí)處理能力的數(shù)據(jù)處理單元(12)的第一輸入端相連，數(shù)據(jù)處理單元(12)的輸出端接實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)終端(15)，所述的全光纖激光器(I)的輸入端為波形調(diào)制器(14)的輸出端，所述的波形調(diào)制器(14)的輸入端為控制器(10)的第一輸出端，所述的控制器(10)的第二輸出端與掃描器(13)的第二輸入端相連，控制器(10)的第三輸出端與模擬-數(shù)字采集卡(11)的第二輸入端相連，控制器(10)的第四輸出端與數(shù)據(jù)處理單元(12)的第二輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的全光纖激光器(I)為單模保偏全光纖激光器，該全光纖激光器(I)的第一輸出端的激光頻率為fo+Δ?.，為脈沖光源；該全光纖激光器(I)的第二輸出端的激光頻率為&，為連續(xù)光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的望遠(yuǎn)鏡(3)為發(fā)射和接收共光軸的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的掃描器(13)為旋轉(zhuǎn)型光楔偏轉(zhuǎn)鏡或者兩鏡掃描鏡，掃描方位角為O至360°范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的率禹合器(4)為2X2的光纖稱(chēng)合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的放大器(6)為模擬放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的處理器(12)內(nèi)嵌具有實(shí)時(shí)處理能力的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的顯示和存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)終端(15)是基于電腦(PC)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖多普勒相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量裝置，其特征在于所述的控制器(10)為基于FPGA的指令控制單元。
【文檔編號(hào)】G01P5/26GK103472255SQ201310422495
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】陳衛(wèi)標(biāo), 刁偉峰, 張?chǎng)? 劉繼橋, 竹孝鵬, 劉源 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所