CN100495070C

CN100495070C - 微波测风激光雷达装置

Info

Publication number: CN100495070C
Application number: CNB2006100691202A
Authority: CN
Inventors: 刘智深; 吴松华
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2006-09-30
Filing date: 2006-09-30
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: CN1932553A

Abstract

一种测量大气风场的微波测风激光雷达装置。本发明包括由脉冲激光器、扩束镜和反射镜组成的发射系统；由望远镜、光学滤波器、光电探测器组成的接收系统；与光电探测器相连接的鉴频器和含有软件的中央控制装置，其特征是它还包括微波调制器，且该微波调制器分别与激光器和鉴频器电连接，以微波调制器的调制信号对激光器的激光脉冲进行微波频率调制，以微波调制器的调制信号又作为参考信号输入到鉴频器，将鉴频器中混频得到的多普勒频移信号输入到中央控制装置。本发明的特点是结构简单，成本低，能适应恶劣环境，风速探测范围达到±200m/s。使用普通脉冲激光器，省去了复杂、昂贵的锁频单纵模脉冲激光器。采用微波鉴频，省略精密、昂贵的光学鉴频器。

Description

微波测风激光雷达装置

技术领域

本发明涉及一种激光测量大气风场的装置，更具体地说是一种测量大气风场的微波测风激光雷达装置。

背景技术

大气风场是气象观测中的重要参数，在天气、气候、海洋、环境以及交通、航空、航天等领域都有重要的应用价值。目前我国中小尺度灾害性天气的观测和预报能力不足。而数值天气预报迫切需要高精度的三维风场数据作为初始计算参数。

用于风场测量的测风激光雷达(多普勒激光雷达)是上世纪七十年代开始发展的大气遥感技术，目前已有的技术包括相干测风激光雷达和非相干测风激光雷达。美国宇航局(NASA)于80年代研制了一台相干测风激光雷达用来测量清洁空气湍流。相干测风激光雷达一般工作在红外或近红外波段，通过气溶胶来探测多普勒频移，通常取一部分发射光为本振光，将气溶胶的后向散射光与本振光进行混频，然后输出差频电信号及直流分量，经过中频放大器和鉴频器，最后获得所需的多普勒频移。其优点是高信噪比，等效噪声功率接近理论极限，光电探测器量子效率高并对太阳背景光不敏感。但是因为大气分子散射频谱过宽，不能产生相干，因此相干激光雷达的主要缺点是无法探测大气分子散射，对于气溶胶稀少的区域(如干洁大气和高空大气)就无法进行风速测量。

二十世纪九十年代起，非相干测风激光雷达开始发展。美国NASA也研制了GLOW非相干测风激光雷达系统，这是目前国际上最先进的非相干激光测风系统。系统采用Nd:YAG激光器1064nm激光测气溶胶散射，355nm激光测分子散射。非相干探测技术(又称为直接探测技术)通过光谱分析器件来直接探测频率变化引起的探测信号强度变化，进而求取径向风速分量，可以测量大气分子和气溶胶散射信号。然而直接探测技术中的精密的光学干涉仪对环境条件较为敏感，对温控的要求较高(0.01K以上)，而且价格昂贵。直接探测技术对激光发射源的要求非常苛刻，需要单纵模的脉冲激光器。而且要实现高精度的风速测量，激光频率至少要稳定在10^-9。关键部件如可调谐的种子激光器依赖进口。

此外，可以探测大气分子散射的非相干测风激光雷达的探测灵敏度只有千分之二到千分之三，因而从微弱的大气后向散射信号中提取多普勒频移就变得十分困难。

总之，目前的测风激光雷达系统，无论是相干还是非相干系统，其可以测量的散射粒子和测量灵敏度明显存在不足，而且结构复杂、价格昂贵，难以推广到实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波测风激光雷达装置，以弥补已有技术的不足。

本发明是在现有测风激光雷达的基础上，对激光器的纳秒级脉冲进行微波频率调制，激光器的光波频率作为微波调制频率的载频。而且，大气分子和气溶胶散射的多普勒频移由微波鉴频实现，即以微波调制器的微波频率作为参考信号作用于鉴频器，来探测多普勒频移，而不是用激光器的光波频率探测多普勒频移。因此本发明的激光发射和鉴频技术方案兼有激光雷达和微波雷达的优点。

本发明包括由脉冲激光器、扩束镜和反射镜组成的发射系统；由望远镜、光学滤波器、光电探测器组成的接收系统；与光电探测器相连接的鉴频器和含有软件的中央控制装置，其特征是它还包括一个微波调制器，且该微波调制器分别与激光器和鉴频器电连接，以微波调制器的调制信号对激光器的激光脉冲进行微波频率调制，以微波调制器的调制信号又作为参考信号输入到鉴频器，且鉴频器与中央控制装置相连接而将鉴频器中混频得到的多普勒频移信号输入到中央控制装置。

上述的微波调制器也可以设置在激光器和扩束镜之间。

上述的激光器的可以选用发射波长范围在200nm～10μm的一种脉冲激光光源。如可选用紫外、可见光、近红外激光光源等激光器件，以适应航空和军事等不同应用需求。

本发明的主要优点在于：结构简单，成本低，高探测信噪比，能适应恶劣环境，既保持了激光雷达空间指向性好、距离分辨率高的优点，因为多普勒频率的检测是在微波调制频率而不是激光频率上完成，使用普通脉冲激光器，又省去了目前相干和非相干测风激光雷达中昂贵的锁频单纵模脉冲激光器。又由于采用微波鉴频器件，省略精密、昂贵的光学鉴频系统，微波载频提高风速探测范围达到±200m/s。。传统测风激光雷达的径向风速探测范围受到鉴频器件的影响，一般不超过±50m/s。鉴频器可以利用成熟的微波外差检测技术，利于推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1，本发明的总体结构方框示意图。

图2，本发明的另一种总体结构方框示意图。

其中，1.微波调制器 2.激光器 3.扩束镜 4.反射镜 5.大气 6.望远镜 7.光学滤波器 8.光电探测器 9.鉴频器 10.中央控制装置 11.光电探测器信号输入端 12.低频信号输出端 13.高频信号输出端 14.低频信号输入端 15.鉴频器信号输入端 16.微波调制器的调制信号输入端 17.多普勒频移信号输出端 18.多普勒信号输入端。

具体实施方式

如图1、图2，本发明包括由脉冲激光器2、扩束镜3和反射镜4组成的发射系统；由望远镜6、光学滤波器7、光电探测器8组成的接收系统；与光电探测器8相连接的鉴频器9和含有软件的中央控制装置10，其特征是它还包括微波调制器1，且该微波调制器1分别与激光器2和鉴频器9电连接，以微波调制器1的调制信号对激光器2的激光脉冲进行微波频率调制，以微波调制器1的调制信号又作为参考信号输入到鉴频器9，且鉴频器9与中央控制装置10相连接而将鉴频器9中混频得到的多普勒频移信号输入到中央控制装置10，从而得以测量大气的风场。

上述的微波调制器1也可以设置在激光器2和扩束镜3之间。这是微波调制器1在激光器2的激光腔外进行调制时引起的位置的变化。

上述微波调制器1对激光器2的激光脉冲进行调制。微波调制器1的调制频率的范围可以是几百MHz到几十GHz。例如脉冲调制频率1GHz，可以在一个30ns脉宽的激光脉冲中调制30个周期的微波信号。

激光器2可以采用已有脉冲激光器，如各种固体激光器、光纤激光器、气体激光器，其纵模模式不限。例如法国Quantel公司的YG980系列固体激光器。

望远镜6可以是市场销售的反射式、折反式等通用望远镜，例如美国Celestron公司生产的11英寸施密特—卡塞格伦望远镜。扩束镜3和反射镜4为通用光学器件。

光学滤波器7为窄带光学滤波器，可以是干涉滤色片、Fabry-Perot标准具、光栅分光系统或者法拉第反常色散滤波器。

光电探测器8采用高速和高量子效率的光电探测器件，以采集大气后向散射中微弱的光强信号和加载于信号上的微波调制信息。光电探测器8是高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)，例如美国New Focus公司的GaAs光电二极管，具体型号可根据激光发射波长的不同而进行选择。

激光器2的发射脉冲受到微波调制器1的微波频率调制，同时该调制信号输入到与其连接的鉴频器9，即微波调制器的调制信号输入端16，当激光器2发射的光束经过扩束镜3压缩发散角后，经过反射镜4发射到大气5当中，被大气分子或气溶胶散射。而大气的运动——风，会使散射光的中心频率和调制在光脉冲上的微波频率都产生多普勒频移。上述大气的散射光由望远镜6收集后，通过光学滤波器7压缩天空背景辐射，然后经由光电探测器8进行光电转换。目前的测风激光雷达检测散射光的中心频率的多普勒频移，本发明是检测微波频率的多普勒频移。

来自光学滤波器7的信号进入光电探测器信号输入端11，光电探测器8输出的信号分为低频的激光后向散射信号和高频的微波调制信号。低频信号输出端12经过相连接的中央控制装置10的低频信号输入端14进入带有软件的中央控制装置10，或者通过低频窄带放大器(图省略)后进入中央控制装置。光电探测器8连接鉴频器9即将高频信号输出端13连接于鉴频器9的鉴频器信号输入端15。

由光电探测器输出的高频信号进入鉴频器9的信号输入端15。在鉴频器9中，高频的微波信号经过带通放大、混频、整形放大，输出到鉴频器的多普勒频移信号输出端17。鉴频器的混频功能可以选用通用的双平衡混频器实现，例如成都亚光电子公司HSP38双平衡混频器。或者光电探测后的高频信号的鉴频也可以使用锁相放大器，例如美国NewFocus公司的1421放大器。或者在光电探测时直接采用平衡式光电二极管替代。

多普勒频移信号经过鉴频器9的多普勒频移信号输出端17进入中央控制装置10的多普勒信号输入端18。数字化的多普勒频移信号进入带有软件的中央控制装置计算出径向风速和相应的风场，以及大气的散射强度信号等。

Claims

1.一种测量大气风场的微波测风激光雷达装置，包括由脉冲激光器(2)、扩束镜(3)和反射镜(4)组成的发射系统；由望远镜(6)、光学滤波器(7)、光电探测器(8)组成的接收系统；与光电探测器(8)相连接的鉴频器(9)和含有软件的中央控制装置(10)，其特征是它还包括一个微波调制器(1)，且该微波调制器(1)分别与激光器(2)和鉴频器(9)电连接，以微波调制器(1)的调制信号对激光器(2)的激光脉冲进行微波频率调制，以微波调制器(1)的调制信号又作为参考信号输入到鉴频器(9)而将鉴频器(9)中混频得到的多普勒频移信号输入到中央控制装置(10)。

2.如权利要求1所述的测量大气风场的微波测风激光雷达装置，其特征是上述的微波调制器(1)在激光器(2)和扩束镜(3)之间。

3.如权利要求1所述的测量大气风场的微波测风激光雷达装置，其特征是激光器(2)是发射波长选用范围在200nm～10μm的一种脉冲激光光源。

4.如权利要求1所述的测量大气风场的微波测风激光雷达装置，其特征是上述的光电探测器(8)是高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)。

5.如权利要求1所述的测量大气风场的微波测风激光雷达装置，其特征是上述的微波调制器(1)的调制频率的范围是几百MHz到几十GHz。