一種多光束非掃描相干探測多普勒測風激光雷達光學系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種相干多普勒測風激光雷達光學系統(tǒng)，特別是一種收發(fā)合置、同時 收發(fā)多路探測光束，對空間風矢量進行探測的測風激光雷達光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 伴隨著激光技術和光纖技術的迅猛發(fā)展，多普勒雷達系統(tǒng)向著高可靠度、輕小型 化、多功能、長使用壽命等目標穩(wěn)步前進。近年來，全光纖多普勒雷達系統(tǒng)倍受青睞。光纖 激光器、光環(huán)路器等光纖器件的引入使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布局上靈活多變，外形尺寸減小，系統(tǒng)具 有良好的抗沖擊振動、溫度變化干擾的能力、使用壽命長等優(yōu)點。
[0003]多普勒測風雷達只能測量視線方向風速，要想獲得風矢方向，至少需要同時進行 三個方向的探測。目前，風矢測量方式主要有兩種：凝視探測或掃描模式，其中，凝視探測模 式需要多套信號收發(fā)系統(tǒng)，體積龐大；掃描模式測量主要依靠掃描機構(gòu)帶動光學系統(tǒng)做錐 形或垂直平面掃描，從而完成風矢測量，但上述機械掃描結(jié)構(gòu)的引入不利于雷達系統(tǒng)的輕 小型化，并且，由于各個方向的機械掃描均需一定的時間，因此在風場變化較快的情況下， 難以完成實時探測任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種相干測風激光雷達光學 系統(tǒng)，本發(fā)明光學系統(tǒng)中四路不同方向的視場信號收發(fā)共用一個光學鏡頭，這樣就能夠同 時收發(fā)多路探測光束，進而對空間風場矢量進行探測。
[0005]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0006] (1)、本發(fā)明多路信號收發(fā)同體，能同時收發(fā)四路探測光束，對空間風場進行探測， 單個系統(tǒng)單次探測就能完成風場三維測量。
[0007] (2)本發(fā)明回波信號經(jīng)光學系統(tǒng)接收直接耦合進光纖，耦合效率在65%以上。
[0008] (3)本發(fā)明不僅克服了傳統(tǒng)雷達光學系統(tǒng)不能同時收發(fā)多路信號光的缺點，有利 于雷達系統(tǒng)的輕小型化，具有誘人的應用前景。
【附圖說明】
[0009] 圖1是非掃描型相干測風激光雷達風矢測量原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明的某一探測通道原理示意圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明光學天線多路光束收發(fā)原理示意圖。
[0012] 圖4是光學天線結(jié)構(gòu)簡圖。
[0013] 圖5是光學天線各視場點列圖。
[0014]圖6是光學天線各視場波像差圖。
【具體實施方式】
[0015] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0016] 下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步的說明。
[0017] 圖1是非掃描型相干測風激光雷達風矢測量原理圖，如圖1所示，約定正東方向為 零度方位角，順時針方向為角度的正方向。以天頂角，方位角表示探測光束空間位置。測風 激光雷達系統(tǒng)分別以（0°，〇° )、（12.5°，0° )、（10°，135° )和（10°，225° )四個方 向向空間風場發(fā)射激光光束，各方向?qū)獔D1中所標出的①、②、③、④四路探測通道。理論 上，測得三個方向的徑向風速便可以反演三維風場信息。在本發(fā)明一實施例中，為提高探 測精度，增加了一路天頂角為0°的探測通道，這樣與四個探測通道對應的光纖為四根，各 光纖纖芯直徑為10ym，數(shù)值孔徑NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于對應視場的主光 線。本發(fā)明光學系統(tǒng)四路不同方向視場信號收發(fā)共用一個光學鏡頭，能同時收發(fā)多路探測 光束，對空間風場矢量進行探測。
[0018] 本發(fā)明測風激光雷達光學系統(tǒng)包括光學天線、多路探測光纖、光纖轉(zhuǎn)換器、耦合 器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器，其中，光纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器 通過選通操作與光學天線、多路探測光纖形成多路探測通道，各路探測通道分別完成對特 定方向徑向風速的探測，如圖2所示，對于某一路探測通道而言：
[0019] 所述激光器用于發(fā)出激光，并通過耦合器進入所述光纖環(huán)路器；
[0020] 其中，所述激光的軸向光強可近似認為服從高斯分布，其光波電磁場表示為：
[0021]
(1)
[0022] 其中，p為放大后的激光功率，v為激光頻率，（}>定義為激光初始相位。
[0023] 所述光纖環(huán)路器用于將接收到的激光器發(fā)出的激光光波通過光纖傳輸?shù)焦饫w轉(zhuǎn) 換器中；
[0024] 其中，所述激光光波經(jīng)過光纖環(huán)路器后分為兩路：信號光S(t)和本振光Rjt)，其 中，本振光
由光纖端面后向反射產(chǎn)生，其中，P為光纖端 面反射率，乳為本振光傳播到探測器光敏面時的相位值，就目前的工藝水平而言，可以通 過在光纖端面鍍膜或者修切光纖端面角度來調(diào)整本振的光強；信號光經(jīng) 光學天線后出射，由于大氣中氣溶膠等粒子的散射，部分后向散射信號光重新被光學天線 接收，所述被光學天線接收的后向散射信號光可表示為：
[0025]
(2)
[0026] 其中，t為光學系統(tǒng)透過率，Av為多普勒頻移，烤為第i個氣溶膠粒子散射引 入的相位因子。
[0027] 考慮單個氣溶膠粒子后向散射的情況，此時后向散射信號光表不為：
[0028] ㈧
[0029] 其中，朽為氣溶膠粒子后向散射信號光傳播到探測器光敏面時的相位值。
[0030] 所述光纖轉(zhuǎn)換器用于分時選通多個探測通道，某時間段內(nèi)被選通的探測通道激光 經(jīng)相應的通道光纖和光學天線出射到探測空域；
[0031] 探測光束經(jīng)大氣氣溶膠顆粒散射，后向散射光重新被光學天線接收并耦合進對應 光纖中并經(jīng)光纖環(huán)路器傳輸?shù)教綔y器上，后向散射信號光與本振光在探測器光敏面上相干 置加；
[0032] 所述探測器用于將其光敏面上變化的光強轉(zhuǎn)變?yōu)榘赐瑯右?guī)律變化的電流或電壓 輸出。
[0033] 其中，探測器光敏面上的光強分布可表示為：
[0034]
(4)
[0035] 式中，Ip12、I；?分別表不后向散射信號光、本振光和外差信號在光敏面上的強度分 布。
[0036] 濾除1:、12直流分量后獲得包含頻移信息的I3:
[0037]
(5)
[0038] 式中，回波信號與本振光相位差=武-氣。
[0039] 若所述探測器滿足平方律特性且表面量子效率均勻分布，那么外差探測得到的光 電流i(t)~13。通過對探測器輸出的光電流進行相關處理，得到多普勒頻移AV，代入等 式（2)即可求得徑向風速
：式中正負號與氣溶膠粒子相對雷達系統(tǒng)的運動 方向有關，兩者相向運動取正號，反之取負號。
[0040] 利用上述測風雷達光學系統(tǒng)的四路探測通道可測得四個徑向風速，即可反演得到 風場三維信息。實際風速在直角坐標系中可表示為：0 = (&,&，>;)，其在四個探測方向上 的投影分別為VH、vrt、UPV，根據(jù)幾何關系聯(lián)立方程，求解此矛盾方程，可以得到空間風 場速度的最小二乘解。
[0041]
,):
[0042] 圖3是本發(fā)明光學天線多路光束收發(fā)原理示意圖，參照圖3,四根光纖對應著四路 探測通道，光纖的一端位于光學天線焦平面上，分別對應著天頂角和方位角為（0°，〇° )、 (10°，135° )、（10°，225° )、（12.5°，0° )四個探測方向。四個探測方向又分別對應著 光學天線（0°，〇° )、（1〇°，1〇° )、（_1〇°，1〇° )、（〇°，_12.5° )四個視場。各光纖纖 芯直徑為10ym，數(shù)值孔徑NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于對應視場的主光線。
[0043] 激光器中耦合進光纖環(huán)路器中的激光經(jīng)光纖轉(zhuǎn)換器通道選通和光學天線擴束