CN102279391A - 多普勒测风激光雷达*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多普勒测风激光雷达***，发射***发射的小部分激光信号通过接收光路***中的锁定通道光路进入FP标准具的锁定通道和对激光信号进行探测的第一模拟探测器，进入FP标准具锁定通道的激光信号被第二模拟探测器探测。第一模拟探测器和第二模拟探测器探测到的激光信号被模拟采集卡采集并发送给控制***的第一控制***。第一控制***对接收到的模拟采集卡采集的激光信号进行处理，得出出射激光频率和锁定通道的透过率，依据锁定通道的透过率，调整FP标准具的腔长，使出射激光频率锁定在FP标准具两个信号通道透过率的交叉点处，实现出射激光频率与FP标准具位置的实时锁定，提高了测量精度。

Description

多普勒测风激光雷达***

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及多普勒测风激光雷达***。

背景技术

多普勒测风激光雷达***采用直接探测方法，通过大气分子的群速反映大气的风速。其工作过程为：多普勒测风激光雷达***中的发射***向大气发射激光信号，激光信号遇到大气分子产生瑞利后向散射，瑞利后向散射大气回波信号被接收***接收。如果大气分子因风产生运动，那么接收***接收到的大气回波信号的频率相对于发射***发射的激光信号的频率改变，即产生多普勒频移。接收***检测出激光因大气分子运动而产生的多普勒频移后，通过反演运算得出风速的大小，再利用多波束原理得到水平风速。

上述直接探测方法是测量高空大气的多普勒频移的最佳途径，所谓直接探测方法，是指直接测量大气回波信号，并利用光学检测元件对接收到的大气回波信号进行强度探测，利用强度变化来反演出多普勒频率的一种方法。目前，国际上采用较多的光学检测元件是FP(Fabry-Perot，法布里-珀罗)标准具，该FP标准具利用标准具的透过率随频率变化的关系，检测大气回波信号的强度变化从而得到多普勒频移，从而反演出径向风速。

目前，双通道FP标准具采用双边缘技术探测大气后向散射激光的多普勒频移，然而，双边缘技术中发射激光的出射激光频率无法保证锁定在FP标准具两个信号通道透过率的交叉点处，即无法实现出射激光频率与FP标准具位置的实时锁定，因而降低了测量精度。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种多普勒测风激光雷达***，以解决现有技术中无法实现出射激光频率与FP标准具位置的实时锁定，测量精度降低的问题。技术方案如下：

本申请实施例提供一种多普勒测风激光雷达***，包括：发射***、用于接收瑞利后向散射大气回波信号的扫描***、接收***和控制***，所述接收***包括：接收光路***、包括两个信号通道和一个锁定通道的FP标准具和探测采集***，其中：

所述接收光路***包括锁定通道光路、两个相对独立的信号通道光路，第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器和第三光子计数探测器，其中：

发射***发射的小部分激光信号，经过所述锁定通道光路分别进入FP标准具的锁定通道和对激光信号进行探测的第一模拟探测器，进入FP标准具锁定通道的激光信号被第二模拟探测器探测；

扫描***接收的瑞利后向散射大气回波信号，经过两个信号通道光路分别进入FP标准具的两个信号通道和对瑞利后向散射大气回波信号进行探测的第一光子计数探测器，进入FP标准具的两个信号通道的瑞利后向散射信号被第二光子计数探测器和第三光子计数探测器探测；

所述探测采集***包括：模拟采集卡和三个光子计数卡；所述三个光子计数卡分别与第一光子计数探测器、第二光子计数探测器和第三光子计数探测器相连，用于采集进入探测器中的大气回波信号；所述模拟采集卡是两通道A/D采集卡，分别与第一模拟探测器和第二模拟探测器相连，用于采集进入模拟探测器中的激光信号；

所述控制***包括第一控制***，用于接收三个光子计数卡和模拟采集卡采集的激光信号，得出出射激光频率，锁定通道的透过率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，依据出射激光频率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，得出激光信号的多普勒频移并反演出径向风速，同时根据锁定通道的透过率，调整FP标准具的腔长，使得出射激光频率始终位于标准具两个边缘信号通道的交叉点处。

优选地，所述接收光路***具体包括：

发射***发射的小部分激光信号经过光纤耦合进入第一准直镜扩束成平行光束，由第一干涉滤光片过滤背景光，去除背景光的激光信号经过第一反射镜的反射光进入第一分束镜，第一分束镜的反射光经过第一会聚透镜进入所述第一模拟探测器，第一分束镜的透射光进入FP标准具的锁定通道，从锁定通道射出的出射光被第二反射镜反射后，经过第二会聚透镜进入所述第二模拟探测器；

扫描***接收的瑞利后向散射大气回波信号经过光纤耦合进入第二准直镜扩束成平行光束，平行光束经过第三反射镜反射后由第二干涉滤光片过滤背景光，去除背景光的回波信号进入第二分束镜，第二分束镜的透射光依次第四反射镜和经过第三会聚透镜进入所述第一光子计数探测器，第二分束镜的反射光经过分束棱镜分束成两束平行光分别进入FP标准具的两个信号通道，一个信号通道的激光回波信号依次经过第五反射镜和第四会聚透镜进入所述第二光子计数探测器，另一个信号通道的激光回波信号依次经过第六反射镜和第五会聚透镜进入所述第三光子计数探测器。

优选地，所述发射***包括：激光器、分束镜、扩束镜和反射镜；

激光器发射的激光信号经过分束镜后，反射光进入所述接收***，透射光进入所述扩束镜，所述扩束镜用于压缩所述激光器发射激光信号的发散角，将发射角压缩后的激光信号经过反射镜反射至所述扫描***。

优选地，所述扫描***包括：望远镜和无线控制扫描装置；

所述望远镜接收发射***发射的激光信号，并发送给所述无线扫描装置；

所述无线扫描装置将激光信号反射至大气，同时接收瑞利后向散射大气回波信号并将瑞利后向散射大气回波信号反射至所述望远镜，由所述望远镜经过光纤耦合至接收***。

优选地，望远镜为折返式卡塞格林望远镜；所述折返式卡塞格林望远镜的有效通光口径为450mm；***焦距1m；中心遮拦比＜15％；采用芯径200m、数值孔径0.22的光纤接收激光回波信号，接收的视场角为0.2mrad；镜面镀发射率大于98％的355nm波长介质膜；副镜机构上带有紧密调整支架。

优选地，所述无线控制扫描装置采用双平面扫描结构，具有水平扫描和俯仰扫描功能；扫描范围为水平方向0～360°循环扫描，垂直方向0～90°；扫描卡的平面镜的有效通光孔径为450mm，发射镜面镀355nm介质反射膜，反射率为99％355nm；采用全封闭结构，封装玻璃口径为450mm，厚度25mm，镀高增透膜，透过率为99％355nm；扫描角度分辨率为36″；扫描角速率为15°/s；扫描角加速度为3°/s。

优选地，所述控制***还包括：通过RS232串口与所述无线控制扫描装置通讯的扫描装置控制器，用于调整所述无线控制扫描装置的方位。

优选地，所述控制***还包括：

门控电路，用于发送触发信号给所述第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器和探测采集***，控制所述第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器和探测采集***工作。

优选地，所述扩束镜为伽利略扩束镜。

优选地，所述FP标准具的两个信号通道并列位于该FP标准具口径的中心线上，所述锁定通道位于所述信号通道的上方，且该锁定通道的直径小于所述信号通道的直径。

应用上述技术方案，发射***发射的小部分激光信号通过接收光路***中的锁定通道光路进入FP标准具的锁定通道和对激光信号进行探测的第一模拟探测器，进入FP标准具锁定通道的激光信号被第二模拟探测器探测。第一模拟探测器和第二模拟探测器探测到的激光信号被模拟采集卡采集并发送给控制***的第一控制***。第一控制***对接收到的模拟采集卡采集的激光信号进行处理，得出出射激光频率和锁定通道的透过率，依据锁定通道的透过率，调整FP标准具的腔长，使出射激光频率锁定在FP标准具两个信号通道透过率的交叉点处，实现出射激光频率与FP标准具位置的实时锁定，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达***的一种结构示意图；

图2为利用多普勒测风激光雷达***测得的风速与气球的对比廓线；

图3为利用多普勒测风激光雷达***测得的风向与气球的对比廓线；

图4为利用多普勒测风激光雷达***测得风廓线图和风廓线雷达在00:20AM on 25Nov 2009测得风场廓线图的对比图；

图5为利用多普勒测风激光雷达***测得风廓线图和风廓线雷达在00:40AM on 25Nov 2009测得风场廓线图的对比图；

图6为图1所示的多普勒测风激光雷达***中接收光路***的结构示意图；

图7为图6所示的接收光路***中光子计数探测器所探测的回波激光的信号图；

图8为四波束法示意图；

图9为本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达***的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

一个实施例

请参见图1，图1为本申请实施例一种多普勒测风激光雷达***的结构示意图，包括：发射***100、扫描***200、接收***300和控制***400。其中：发射***100发射激光信号，一小部分激光信号经光纤耦合直接进入接收***300，大部分激光信号进入扫描***200，扫描***200将激光信号射入大气，同时接收经过大气返回的瑞利后向散射大气回波信号。瑞利后向散射大气回波信号由扫描***200接收由光纤耦合进入接收***300。

接收***300包括：接收光路***、包括两个信号通道301、302和一个锁定通道303的FP标准具304和探测采集***，其中：

接收光路***包括锁定通道光路305、两个相对独立的信号通道光路306和307，第一模拟探测器308、第二模拟探测器309、第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311和第三光子计数探测器312，其中：锁定通道光路305与FP标准具304的锁定通道303相通，信号通道光路306与FP标准具304的信号通道301相通，信号通道光路307与信号通道301相通。

发射***300发射的小部分激光信号由光纤耦合直接进入接收***300的锁定通道光路305，且分别进入FP标准具304的锁定通道303和对激光信号进行探测的第一模拟探测器308，进入FP标准具304锁定通道303的激光信号被第二模拟探测器309探测。

扫描***200接收的瑞利后向散射大气回波信号由光纤耦合至接收***300的信号通道光路306，且进入FP标准具304的信号通道301和对瑞利后向散射大气回波信号进行探测的第一光子计数探测器310。同时，接收***300接收的瑞利后向散射大气回波信号也经过另一个信号通道光路307进入FP标准具304的信号通道302。进入FP标准具304的两个信号通道301和302的瑞利后向散射大气回波信号被第二光子计数探测器311和第三光子计数探测器312探测。

探测采集***包括：模拟采集卡313和三个光子计数卡314、315和316。其中：

光子计数卡314与第一光子计数探测器310相连、光子计数卡315与第二光子计数探测器311相连，光子计数卡316与第三光子计数探测器312相连.三个光子计数卡分别对与其相连的光子计数探测器探测到的大气回波信号进行采集，将采集到的大气回波信号发送给控制***400。

模拟采集卡313是两路A/D采集卡，分别与第一模拟探测器308和第二模拟探测器309相连，用于采集进入模拟探测器中的激光信号，将采集到的激光信号发送给控制***400。

控制***400包括第一控制***401，用于接收三个光子计数卡和模拟采集卡313采集的激光信号，得出出射激光频率，锁定通道的透过率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，依据出射激光频率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，得出多普勒频移并反演出径向风速。如第一控制***401得出的多普勒频移为Δv，激光信号波长为λ，径向风速则为：λ×Δv/2。

同时，由于器件发热和环境温度的影响，FP标准具304的中心频率会随着周围温度的改变产生频率漂移，使得出射激光频率无法锁定在FP标准具304两个信号通道透过率的交叉点处，导致测出的多普勒频移数据存在不确定性和误差。第一控制***401依据锁定通道的透过率，调整FP标准具304的腔长，保证出射激光频率实时锁定在FP标准具304两个信号通道透过率的交叉点处，提高测量精度。

请参阅图2至图5，其中图2为利用多普勒测风激光雷达***测得的风速与气球的对比廓线示意图，图中DWL(doppler wind lidar，多普勒测风激光雷达)为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达***测得的风速数据；balloon为气球测得的风速数据，由图可以很清楚的看到两者能够很好的符合。图3为利用多普勒测风激光雷达***测得的风向与气球的对比轮廓线示意图，DWL为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达***测得的风向数据；balloon为气球测得的风向数据，由图可以很清楚的看到两者能够很好的符合。

图4和图5是在激光信号能量较小的情况下及不同时间段，利用本申请提供的多普勒测风激光雷达***测得的风廓线图和风廓线雷达***测得的风场廓线图的对比，图4是00:20AM on 25Nov 2009测得的数据，图5是在00:40AM on 25Nov 2009测得的数据，两图中DWL为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达***测得的风速数据，WPR(wind profile radar，微波风廓线雷达)为利用风廓线雷达测得的风场速度数据。从两图中可以看出两种测量方式得到的廓线基本一致，说明本申请提供的多普勒测风激光雷达***也可以测量大气低层以气溶胶散射为主的瑞利后向散射大气回波信号。

应用上述技术方案，发射***100发射的小部分激光信号通过接收光路***中的锁定通道光路305进入FP标准具304的锁定通道303和对激光信号进行探测的第一模拟探测器308，进入FP标准具304锁定通道303的出射激光信号被第二模拟探测器309探测。第一模拟探测器308和第二模拟探测器309探测到的激光信号被模拟采集卡313采集并发送给控制***的第一控制***401。第一控制***401对接收到的模拟采集卡采集的激光信号进行处理，得出出射激光频率和锁定通道的透过率，依据锁定通道的透过率，调整FP标准具304的腔长，使出射激光频率锁定在FP标准具304两个信号通道透过率的交叉点处，实现出射激光频率与FP标准具304位置的实时锁定，提高了测量精度。

另一个实施例

上述实施例中接收光路***的锁定通道光路305、两个相对独立的信号通道光路306和307中设置有基本光学器件，对进入接收***的大气回波信号进行处理。结构示意图如图6所示，具体为：

发射***100发射的小部分激光信号经过光纤1耦合进入第一准直镜L1扩束成平行光束，由第一干涉滤光片F1过滤背景光，去除背景光的激光信号经过第一反射镜M1的反射光进入第一分束镜BS1，第一分束镜BS1的反射光经过第一会聚透镜N1进入第一模拟探测器308，第一分束镜的透射光进入FP标准具304的锁定通道303，从锁定通道303射出的出射光被第二反射镜M2反射后，经过第二会聚透镜N2进入所述第二模拟探测器309。

扫描***200接收的瑞利后向散射大气回波信号经过光纤2耦合进入第二准直镜L2扩束成平行光束，平行光束经过第三反射镜M3反射后由第二干涉滤光片F2过滤背景光，去除背景光的大气回波信号进入第二分束镜BS2，第二分束镜BS2的透射光依次经过第四反射镜M4和第三会聚透镜N3进入第一光子计数探测器310，第二分束镜BS2的反射光经过分束棱镜P分束成两束平行光分别进入FP标准具304的两个信号通道301和302。信号通道301的大气回波信号依次经过第五反射镜M5和第四会聚透镜N4进入第二光子计数探测器311，另一个信号通道302的大气回波信号依次经过第六反射镜M6和第五会聚透镜N5进入第三光子计数探测器312。

第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311和第三光子计数探测器312采用的是单光子计数形式，可测量经过高层大气返回的微弱的大气回波信号，如图7所示，从图中可以看出在60公里左右基本上还有8个光子左右的大气回波信号，进而提高的测量高度，增加了***的性能。

上述接收***300被放置在一个19英寸的机柜中。由于FP标准具304的中心频率会随着周围温度的改变产生频率漂移，而第一模拟探测器308、第二模拟探测器309、第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311、第三光子计数探测器312、模拟采集卡313和三个光子计数卡在工作时会发热，因此用于放置接收***300的机柜被分成两部分，其中一部分放置设置在锁定通道光路305、两个信号通道光路306和307中的基本光学器件以及FP标准具304，另一部分放置探测器、计数卡、模拟采集卡和光纤插口。连在发射***100和接收***300的光纤1，扫描***200和接收***300的光纤2分别***不同的光纤插口中，采用光纤连接，提高***灵活性和稳定性。

图1所示的多普勒测风激光雷达***，发射***100包括：激光器101、分束镜102、扩束镜103和反射镜104。

激光器101发射的激光信号经过分束镜102后，反射光经过与其相连的光纤耦合进入接收***300，透射光进入扩束镜103。扩束镜103用于压缩3激光信号器101发射的激光信号的发散角，将发射角压缩后的激光信号经过反射镜104反射至扫描***200。

激光器101采用的是美国Continuum公司种子注入式灯泵Nd:YAG激光器，三倍频后，单脉冲能量为400mJ，脉冲重复频率为30Hz，脉宽为3～7ns，光束发散角为0.5mrad。透射光经过扩束镜103后光束完全封闭，屏蔽散射光，进而提高进入扫描***200的激光信号。同时扩束镜103为伽利略扩束镜，能够避免激光信号过强损坏器件。

扫描***200包括：望远镜201和无线控制扫描装置202。望远镜201接收发射***100发射的激光信号，由无线控制扫描装置202将激光信号反射至大气，经过大气产生的瑞利后向散射大气回波信号再次经过无线控制扫描装置202反射后由望远镜201接收。望远镜202将瑞利后向散射大气信号经过与其相连的光纤耦合进入接收***300。

望远镜201为折返式卡塞格林望远镜。折返式卡塞格林望远镜的有效通光口径为450mm；***焦距1m；中心遮拦比＜15％；采用芯径200m、数值孔径0.22的光纤接收激光信号，接收的视场角为0.2mrad；镜面镀发射率大于98％的355nm波长介质膜；副镜机构上带有紧密调整支架。由于折返式卡塞格林望远镜的接收的视场角为0.2mrad，所以扩束镜103发射视场角要小于0.1mrad。当扩束镜103将光束扩大x倍时，其发射角压缩1/x倍，因此，扩束镜103要对接收到的反射光进行10倍扩束。

无线控制扫描装置202采用双平面扫描结构，具有水平扫描和俯仰扫描功能；扫描范围为水平方向0～360°循环扫描，垂直方向0～90°；扫描卡的平面镜的有效通光孔径为450mm，发射镜面镀355nm介质反射膜，反射率为99％355nm；采用全封闭结构，封装玻璃口径为450mm，厚度25mm，镀高增透膜，透过率为99％355nm；扫描角度分辨率为36″；扫描角速率为15°/s；扫描角加速度为3°/s。利用封装玻璃既可以防灰尘，又可以让雷达***能够全天候工作。

本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达***采用四波束法测量水平风速。所谓四波束法是分别测量四个方向的径向风速，即分别测量0度、90度、180度和270度方向得径向风速，然后利用四个方向的径向风速反演出水平风速。如图8所示，以正东方为x的正方向，正北方为y的正方向(风向起始方向)，正上方为z的正方向，φ为发射仰角，四个方向的径向速度分别为：V_r、V_rN、V_rS和V_rE。则： $V=\stackrel{\→}{V_{x}i}+\stackrel{\→}{V_{y}j}+\stackrel{\→}{V_{z}k}$

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{r_N}=\sin \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{j}+\cos \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{k}\\ \stackrel{\→}{r_E}=\sin \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{i}+\cos \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{k}\\ \stackrel{\→}{r_S}=-\sin \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{j}+\cos \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{k}\\ \stackrel{\→}{r_W}=-\sin \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{i}+\cos \mathrm{\φ}\stackrel{\→}{k}\end{array}\right.$

则

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{rN}}=V_y\sin \mathrm{\φ}+V_z\cos \mathrm{\φ}\\ V_{\mathrm{rE}}=V_x\sin \mathrm{\φ}+V_z\cos \mathrm{\φ}\\ V_{\mathrm{rS}}=-V_y\sin \mathrm{\φ}+V_z\cos \mathrm{\φ}\\ V_{\mathrm{rW}}=-V_x\sin \mathrm{\φ}+V_z\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right.$

$V_y=\frac{V_{\mathrm{rN}}-V_{\mathrm{rS}}}{2\sin \mathrm{\φ}},$ $V_x=\frac{V_{\mathrm{rE}}-V_{\mathrm{rW}}}{2\sin \mathrm{\φ}},$

所以水平风速为： $V_h=\sqrt{{\left(V_x\right)}^2+{\left(V_y\right)}^2}$

水平风向为： $\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan (V_x/V_y)\&CenterDot;180/\mathrm{\&pi;}& V_x>0,V_y>0\\ 180+\arctan (V_x/V_y)\&CenterDot;180/\mathrm{\&pi;}& V_y<0\\ 360+\arctan (V_x/V_y)\&CenterDot;180/\mathrm{\&pi;}& V_x<0,V_y>0\\ 90& V_x>0,V_y=0\\ 270& V_x<0,V_y=0\end{array}\right.$

为了实现探测0度、90度、180度和270度四个方向的径向风速，激光器101和无线控制扫描装置202在完成0度方向测量后，扫描装置控制器402控制无线控制扫描装置202旋转90度，同时激光器101也旋转90度进行90度方向的径向风速测量。以此类推。在旋转过程中激光器101始终工作，因为要实时的进行FP标准具304和出射激光频率的锁定，以保证出射激光频率实时锁定在FP标准具304两个信号通道透过率的交叉点处，提高测量精度。

无线控制扫描装置202可以由用户手动操作旋转将激光信号按照方式0度、90度、180度和270度发射至大气，当然，还可以采用自动方式实现。图9所示的多普勒测风激光雷达***在图1所示的多普勒测风激光雷达***的基础上，在控制***400中增加了扫描装置控制器402，与无线控制扫描装置202之间通过RS232串口进行通讯，用于调整无线控制扫描装置202的方位，使无线控制扫描装置202自动旋转至0度、90度、180度和270度发射至大气。

本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达***采用四波束法测量水平风速相对于现有三波束法，提高了风速的测量精度。风速测量精度计算公式为：

$\mathrm{var}\left[\stackrel{\&RightArrow;}{u}\right],\mathrm{var}\left[\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right],\mathrm{var}\left[\stackrel{\&RightArrow;}{w}\right]=[2/{\sin }^2\left(\mathrm{\&phi;}\right),2/{\sin }^2\left(\mathrm{\&phi;}\right),1/{\cos }^2\left(\mathrm{\&phi;}\right)]\frac{\mathrm{var}\left[V_r\right]}{N_{\mathrm{los}}}$

其中：var[V_r]为径向风速误差，Nlos为波束数，即本***中采用的四个方向扫描测量，其中Nlos＝4，从上述公式中可以看出扫描测量的方向越多那么测量风速精度就越大，误差就越小。所以本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达***采用四波束法测量水平风速相对于现有三波束法，提高了风速的测量精度。

此外，控制***400还包括：门控电路403，通过PCI(Peripheral ComponentInterconnect，外设部件互连标准)与第一模拟探测器308、第二模拟探测器309、第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311、第三光子计数探测器312、探测采集***和扫描装置控制器402通讯，用于发送触发信号给第一模拟探测器308、第二模拟探测器309、第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311、第三光子计数探测器312和探测采集***，控制这些设备工作。其中：

门控电路403为八通道输出，即可以输出就是有八个门控信号。在本申请实施例中第一模拟探测器308、第二模拟探测器309、第一光子计数探测器310、第二光子计数探测器311和第三光子计数探测器312共用一路门控信号，三个光子采集卡使用一路门控信号，模拟采集卡313使用一路门控信号。门控电路403中的门控信号是用户自己设定的，且门控电路403的输出需要和激光器101的输出同步，以保证实时同步。

上述FP标准具304的两个信号通道并列位于FP标准具304口径的中心线上，锁定通道303位于信号通道的上方，且该锁定通道303的直径小于信号通道的直径。由于FP标准具304的锁定通道303的口径缩小，进而减小FP标准具304的口径，降低了FP标准具304的加工成本。而且，由于一路单独的锁定通道光路305通向FP标准具304的锁定通道303，且锁定通道303的口径较小，光路3中干涉部分较小，因此，接收光路***较简单，有利于光路的调节。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种多普勒测风激光雷达***，包括：发射***、用于接收瑞利后向散射大气回波信号的扫描***、接收***和控制***，其特征在于，所述接收***包括：接收光路***、包括两个信号通道和一个锁定通道的FP标准具和探测采集***，其中：

所述接收光路***包括锁定通道光路、两个相对独立的信号通道光路，第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器和第三光子计数探测器，其中：

发射***发射的小部分激光信号，经过所述锁定通道光路分别进入FP标准具的锁定通道和对激光信号进行探测的第一模拟探测器，进入FP标准具锁定通道的激光信号被第二模拟探测器探测；

扫描***接收的瑞利后向散射大气回波信号，经过两个信号通道光路分别进入FP标准具的两个信号通道和对瑞利后向散射大气回波信号进行探测的第一光子计数探测器，进入FP标准具的两个信号通道的瑞利后向散射信号被第二光子计数探测器和第三光子计数探测器探测；

所述探测采集***包括：模拟采集卡和三个光子计数卡；所述三个光子计数卡分别与第一光子计数探测器、第二光子计数探测器和第三光子计数探测器相连，用于采集进入探测器中的大气回波信号；所述模拟采集卡是两通道A/D采集卡，分别与第一模拟探测器和第二模拟探测器相连，用于采集进入模拟探测器中的激光信号；

所述控制***包括第一控制***，用于接收三个光子计数卡和模拟采集卡采集的激光信号，得出出射激光频率，锁定通道的透过率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，依据出射激光频率和瑞利后向散射大气回波信号的相对频率，得出激光信号的多普勒频移并反演出径向风速，同时根据锁定通道的透过率，调整FP标准具的腔长，使得出射激光频率始终位于标准具两个边缘信号通道的交叉点处。

2.根据权利要求1所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述接收光路***具体包括：

发射***发射的小部分激光信号经过光纤耦合进入第一准直镜扩束成平行光束，由第一干涉滤光片过滤背景光，去除背景光的激光信号经过第一反射镜的反射光进入第一分束镜，第一分束镜的反射光经过第一会聚透镜进入所述第一模拟探测器，第一分束镜的透射光进入FP标准具的锁定通道，从锁定通道射出的出射光被第二反射镜反射后，经过第二会聚透镜进入所述第二模拟探测器；

扫描***接收的瑞利后向散射大气回波信号经过光纤耦合进入第二准直镜扩束成平行光束，平行光束经过第三反射镜反射后由第二干涉滤光片过滤背景光，去除背景光的回波信号进入第二分束镜，第二分束镜的透射光依次第四反射镜和经过第三会聚透镜进入所述第一光子计数探测器，第二分束镜的反射光经过分束棱镜分束成两束平行光分别进入FP标准具的两个信号通道，一个信号通道的激光回波信号依次经过第五反射镜和第四会聚透镜进入所述第二光子计数探测器，另一个信号通道的激光回波信号依次经过第六反射镜和第五会聚透镜进入所述第三光子计数探测器。

3.根据权利要求1所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述发射***包括：激光器、分束镜、扩束镜和反射镜；

激光器发射的激光信号经过分束镜后，反射光进入所述接收***，透射光进入所述扩束镜，所述扩束镜用于压缩所述激光器发射激光信号的发散角，将发射角压缩后的激光信号经过反射镜反射至所述扫描***。

4.根据权利要求3所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述扫描***包括：望远镜和无线控制扫描装置；

所述望远镜接收发射***发射的激光信号，并发送给所述无线扫描装置；

所述无线扫描装置将激光信号反射至大气，同时接收瑞利后向散射大气回波信号并将瑞利后向散射大气回波信号反射至所述望远镜，由所述望远镜经过光纤耦合至接收***。

5.根据权利要求4所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，望远镜为折返式卡塞格林望远镜；所述折返式卡塞格林望远镜的有效通光口径为450mm；***焦距1m；中心遮拦比＜15％；采用芯径200m、数值孔径0.22的光纤接收激光回波信号，接收的视场角为0.2mrad；镜面镀发射率大于98％的355nm波长介质膜；副镜机构上带有紧密调整支架。

6.根据权利要求4所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述无线控制扫描装置采用双平面扫描结构，具有水平扫描和俯仰扫描功能；扫描范围为水平方向0～360°循环扫描，垂直方向0～90°；扫描卡的平面镜的有效通光孔径为450mm，发射镜面镀355nm介质反射膜，反射率为99％355nm；采用全封闭结构，封装玻璃口径为450mm，厚度25mm，镀高增透膜，透过率为99％355nm；扫描角度分辨率为36″；扫描角速率为15°/s；扫描角加速度为3°/s。

7.根据权利要求4所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述控制***还包括：通过RS232串口与所述无线控制扫描装置通讯的扫描装置控制器，用于调整所述无线控制扫描装置的方位。

8.根据权利要求7所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述控制***还包括：

门控电路，用于发送触发信号给所述第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器和探测采集***，控制所述第一模拟探测器、第二模拟探测器、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器和探测采集***工作。

9.根据权利要求4至8任意一项所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述扩束镜为伽利略扩束镜。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的多普勒测风激光雷达***，其特征在于，所述FP标准具的两个信号通道并列位于该FP标准具口径的中心线上，所述锁定通道位于所述信号通道的上方，且该锁定通道的直径小于所述信号通道的直径。

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