CN103592652A - 基于单固体fp标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多普勒激光雷达测量***，特别涉及一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量***。其特征是：大气后向散射信号经由卡塞格林望远镜收集，在经过第四凸透镜、窄带滤光片后，耦合进入200m长裸光纤跳线的一端，200m长裸光纤跳线的另一端和第二1×2光纤耦合器的一个支路端相连。第二1×2光纤耦合器的合束端和光环路器的a端相连，分束镜的反射光束耦合进入第一1×2光纤耦合器的一个支路端，第一1×2光纤耦合器的合束端和另一个支路端分别和100m长裸光纤、第二1×2光纤耦合器另一个支路端相连。由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：既提高了信噪比，又充分利用反射信号的鉴频能力，提高鉴频灵敏度，从而提高***的风速测量精度。

Description

基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量***

技术领域

本发明涉及一种多普勒激光雷达测量***，特别涉及一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量***。

背景技术

从上世纪八十年代开始，直接探测多普勒激光雷达技术得到了迅猛的发展，先后出现了两种多普勒频率检测技术：边缘技术和条纹成像技术。边缘技术最先是基于FP干涉仪单边缘技术。1998年，Korb等人发展了基于FP干涉仪的双边缘技术。除了采用FP干涉仪作为鉴频器之外，后来还发展了采用碘分子谱线进行鉴频的方法。2001年Bruneau D提出了采用Mach-Zehnder干涉仪作为边缘技术的鉴频器。条纹成像技术最先采用的FP干涉仪作为鉴频器。由于FP干涉仪产生的是环状条纹，给直接检测带来不便。2002年，J A Mckay分析了采用Fizeau干涉仪作为鉴频器的检测性能，同年Bruneau D提出了采用Mach-Zehnder干涉仪作为条纹成像技术的鉴频器。相比较而言，基于FP干涉仪的双边缘技术是目前最为普遍采用的技术。但通过仔细分析发现，该技术只利用了FP干涉仪透射信号的鉴频能力，而没有利用反射信号的鉴频能力。这样无论从探测信噪比角度，还是从***鉴频灵敏度来看，都可能没有充分挖掘FP干涉仪的频谱特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量***，能用基于单个FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量风速。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的风速测量原理如图1所示，FP标准具的任意一级透射谱和反射谱的前后两腰分别相交，形成四个边缘。为充分利用这四个边缘，发射激光频率v_0i(i＝1，2)在两个交点附近交替改变，从而形成“双频率四边缘”探测技术。发射激光入射到大气中，遇到有宏观运动速度的气溶胶粒子或大气分子(即风速)，由于光的多普勒效应，与发射激光相比，后向散射光的频率v_i(i＝1，2)将存在和激光发射方向风速分量(即径向风速)V_r相对应的多普勒频移量v_d＝v_i-v_0i=2V_r/λ，其中λ为发射激光波长。这样，后向散射光信号经过FP标准具的透过率和反射率将发生相应变化。根据透过率和反射率的变化量，根据事先已知的透射谱和反射谱可以算得多普勒频移量，进而得到径向风速的大小和方向。

频率为v的单色平行光入射到理想的Fabry-Perot标准具的透过率和反射率分别为：

其中θ为入射角；v_FSR=c／2nd为标准具自由谱间距，d为平板的间隔，n为板间的折射率，c为真空中光速；Δv_1／2为标准具带宽。

然而，实际入射到FP标准具的光信号是由光纤耦合，并经过准直***后得到，故不是严格的平行光；同时，无论是发射激光，还是后向散射信号光都不是严格的单色光。此外，实际FP标准具对入射光信号存在吸收和散射等影响；实际标准具的两个平板表面不严格平整，存在一定的缺陷；两平板也不可能做到严格平行，存在一定的不平行度。假设入射到实际FP标准具的光信号全发散角为2θ₀、频谱为高斯分布(因发射激光谱线、米后向散射谱和瑞利后向散射谱理论上都近似为高斯分布)且光强均匀，经推导该光信号经过FP标准具后的透过率和反射率分别为

其中

$M\left(v\right)=1+2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^m\cos \left[\frac{2\mathrm{\πmv}}{v_{\mathrm{FSR}}}(1-\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{FP}}}{4\mathrm{\π}})\right]\exp \{-{\left[\frac{\mathrm{\πm\Δ}{v}_e}{v_{\mathrm{FSR}}}(1-\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{FP}}}{4\mathrm{\π}})\right]}^2\}\sin c\left(\frac{2\mathrm{mv}}{v_{\mathrm{FSR}}}\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{FP}}}{4\mathrm{\π}}\right)$

式中A为平板表面金属膜的吸收率；R为对应波长标准具平板的反射率；T_av=(1-R-A)²／(1-R²)为标准具的平均透过率；Ω_FP=2π(1-cosθ₀)为入射光束立体角；v为入射光中心频率；为等效入射激光1／e高度谱宽，其中Δd_D为标准具平板缺陷因子；α为两干涉平板夹角；ρ为圆形孔径标准具平板半径；Δv为高斯入射光谱1/e高度处的宽度。对于发射激光本身或米后向散射信号，Δv=Δv_l＝δv／(4ln2)^1/2，δv为激光发射谱宽(FWHM)；对于瑞利后向散射信号，其中Δv_r=(8kT／Mλ²)^1/2，T为大气温度；λ为激光波长；k为玻耳兹曼常数；M大气分子质量。

定义多普勒频率响应函数Q(v_d)为

$Q\left(v_d\right)=\frac{h(v_{10}+v_d)-h(v_{20}+v_d)}{h(v_{10}+v_d)+h(v_{20}+v_{\text{d}})}$

其中

则径向风速为

$V_r=\frac{\mathrm{\λ}}{2}{v}_d=\frac{\mathrm{\λ}}{2}[Q\left(v_d\right)-Q\left(0\right)]{\left[\frac{\mathrm{dQ}\left(v_d\right)}{{\mathrm{dv}}_d}\right]}^{-1}{|}_{v_d=0}$

利用误差传递公式得到径向风速测量误差为：

${\mathrm{\ϵ}}_V=\frac{1}{\mathrm{SNR}\·{\mathrm{\θ}}_V}$

式中：θ_V多普勒频率响应函数速度灵敏度；SNR为***探测信号总的信噪比。假定参考信号很强，对发射激光频率的测量可忽略噪声的影响，分析得到θ_V和SNR可分别表示为

$\mathrm{SNR}={[\frac{{\left({\mathrm{\δI}}_{t1}\right)}^2}{I_{t1}^2}+\frac{{\left({\mathrm{\δI}}_{r1}\right)}^2}{I_{r1}^2}+\frac{{\left({\mathrm{\δI}}_{t2}\right)}^2}{I_{t2}^2}+\frac{{\left({\mathrm{\δI}}_{r2}\right)}^2}{I_{r2}^2}]}^{-1/2}$

式中：M_i=M(v_0i+v_d)；I_ti=I_t(v_0i+v_d)；I_ri=I_r(v_0i+v_d)，i=1，2。I_ti和I_ri分别为频率为v_i的后向散射光信号入射到标准具后的透射信号和反射信号。

本发明的结构由发射***、接收***、发射接收光学***和控制***等四个子***组成。采用外腔式半导体激光器和喇叭形二极管放大器组成MOPA结构的稳频小型窄线宽可调谐半导体激光***作为发射源，发射852nm高重复频率的激光用于低层大气风场探测。在种子光与放大器之间***声光频移器，每累积一定的脉冲数后，激光发射程序通过控制声光频移器的驱动使出射的脉冲激光频率在v₀₁、v₀₂之间交替变化。发射激光在经过第二光隔离器之后，再由分束镜分成两束。占有很少能量的反射光作为参考光进入第一1×2光纤耦合器的一个支端，在经过一段约100m长裸光纤后，其后向散射光由同侧另一支端口输出并进入第二1×2光纤耦合器的一个输入支端。占有绝大部分能量的透射光经过扩束镜压缩光束发散角后，依次通过第一、第二和第三45度反射镜、二维扫描仪的两个反射镜，最终以预设的方位角和天顶角垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由望远镜接收，依次经过中心波长为852nm的窄带滤光片滤光和一段200m长裸光纤跳线延时后，进入第二1×2光纤耦合器的另一个输入支端。从第二1×2光纤耦合器输出的光信号经过光环路器的a→b路径，由准直镜准直后正入射到固体FP标准具。其透射光信号利用第五凸透镜汇聚后由第一雪崩光电二极管接收；而反射光信号反向经过准直镜会聚后入射到光环路器的b端口，经过光环路器的b→c路径，直接由第二雪崩光电二极管接收。两个雪崩光电二极管探测器的输出信号先由双通道采集卡采集，再由工控机进行数据处理、存储、风速反演以及结果显示等。整个***的激光器、声光频移器、二维扫描仪、双通道采集卡等均通过RS232接口由计算机控制。本发明由外腔式半导体激光器、第一凸透镜、声光频移器、第一光隔离器、第二凸透镜、第三凸透镜、喇叭形二极管放大器、第二光隔离器、分束镜、扩束镜、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第三45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、第四凸透镜、窄带滤光片、第一1×2光纤耦合器、100m长裸光纤、200m长裸光纤跳线、第二1×2光纤耦合器、光环路器、准直镜、固体FP标准具、温度控制器、第五凸透镜、光纤跳线、第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管、放大器驱动电源、工控机、声光频移器驱动、触发电路、双通道采集卡、激光驱动电源和二维扫描仪控制器组成，其特征是：外腔式半导体激光器分别和触发电路、激光驱动电源相连，外腔式半导体激光器发出的种子激光先后经第一凸透镜、声光频移器、第一光隔离器、第二凸透镜、第三凸透镜、喇叭形二极管放大器、第二光隔离器后由分束镜分为两束，透射光束通过扩束镜扩束后，经第一45度反射镜、第二45度反射镜和卡塞格林望远镜内的第三45度反射镜后，沿卡塞格林望远镜的光轴方向射向二维扫描仪内，经过二维扫描仪导光后，垂直透过玻璃平板进入大气探测区域；二维扫描仪的第一块反射镜与卡塞格林望远镜的光轴呈45度夹角，玻璃平板和二维扫描仪的第二块反射镜呈45度夹角，二维扫描仪通过数据控制线和二维扫描仪控制器相连，大气后向散射信号经由卡塞格林望远镜收集，在经过第四凸透镜、窄带滤光片后，耦合进入200m长裸光纤跳线的一端，200m长裸光纤跳线的另一端和第二1×2光纤耦合器的一个支路端相连，第二1×2光纤耦合器的合束端和光环路器的a端相连，分束镜的反射光束耦合进入第一1×2光纤耦合器的一个支路端，第一1×2光纤耦合器的合束端和另一个支路端分别和100m长裸光纤、第二1×2光纤耦合器另一个支路端相连，光环路器的b端和准直镜、固体FP标准具、第五凸透镜、光纤跳线的一端呈光路相通，光纤跳线的另一端和第一雪崩光电二极管相连，光环路器b端出光点在准直镜的物方焦点上，光环路器的c端用光纤和第二雪崩光电二极管相连，温度控制器和固体FP标准具相连，第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管分别和双通道采集卡相连，双通道采集卡和触发电路相连，放大器驱动电源、声光频移器驱动、触发电路、种子激光驱动电源、二维扫描仪控制器与工控机相连，由工控机统一控制，放大器驱动电源和喇叭形二极管放大器相连，声光频移器驱动和声光频移器相连。

由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：与现有的基于FP干涉仪的双边缘技术的多普勒激光雷达***相比，既提高信噪比，又充分利用反射信号的鉴频能力，提高鉴频灵敏度，从而提高***的风速测量精度。

附图说明

图1是本发明的测量原理图。

图2是本发明的结构图。

图中1.外腔式半导体激光器，2.第一凸透镜，3.声光频移器，4、第一光隔离器，5.第二凸透镜，6.第三凸透镜，7.喇叭形二极管放大器，8.第二光隔离器，9.分束镜，10.扩束镜，11.第一45度反射镜，12.第二45度反射镜，13.第三45度反射镜，14.二维扫描仪，15.玻璃平板，16.卡塞格林望远镜，17.第四凸透镜，18.窄带滤光片，19.第一1×2光纤耦合器，20.100m长裸光纤，21.200m长裸光纤跳线，22.第二1×2光纤耦合器，23.光环路器，24.准直镜，25.固体FP标准具，26.温度控制器，27.第五凸透镜，28.光纤跳线，29.第一雪崩光电二极管，30.第二雪崩光电二极管，31.放大器驱动电源，32.工控机，33.声光频移器驱动，34.触发电路，35.双通道采集卡，36.激光驱动电源，37.二维扫描仪控制器。

具体实施方式

在图2中，外腔式半导体激光器(1)分别和触发电路(34)、激光驱动电源(36)相连，外腔式半导体激光器(1)发出的种子激光先后经第一凸透镜(2)、声光频移器(3)、第一光隔离器(4)、第二凸透镜(5)、第三凸透镜(6)、喇叭形二极管放大器(7)、第二光隔离器(8)后由分束镜(9)分为两束，透射光束通过扩束镜(10)扩束后，经第一45度反射镜(11)、第二45度反射镜(12)和卡塞格林望远镜(16)内的第三45度反射镜(13)后，沿卡塞格林望远镜(16)的光轴方向射向二维扫描仪(14)内，经过二维扫描仪(14)导光后，垂直透过玻璃平板(15)进入大气探测区域，二维扫描仪(14)的第一块反射镜与卡塞格林望远镜(16)的光轴呈45度夹角，玻璃平板(15)和二维扫描仪(14)的第二块反射镜呈45度夹角，二维扫描仪(14)通过数据控制线和二维扫描仪控制器(37)相连，大气后向散射信号经由卡塞格林望远镜(16)收集，在经过第四凸透镜(17)、窄带滤光片(18)后，耦合进入200m长裸光纤跳线(21)的一端，200m长裸光纤跳线(21)的另一端和第二1×2光纤耦合器(22)的一个支路端相连，第二1×2光纤耦合器(22)的合束端和光环路器(23)的a端相连，分束镜(9)的反射光束耦合进入第一1×2光纤耦合器(19)的一个支路端，第一1×2光纤耦合器(19)的合束端和另一个支路端分别和100m长裸光纤(20)、第二1×2光纤耦合器(22)另一个支路端相连，光环路器(23)的b端和准直镜(24)、固体FP标准具(25)、第五凸透镜(27)、光纤跳线(28)的一端呈光路相通，光纤跳线(28)的另一端和第一雪崩光电二极管(29)相连，光环路器(23)b端出光点在准直镜(24)的物方焦点上，光环路器(23)的c端用光纤和第二雪崩光电二极管(30)相连，温度控制器(26)和固体FP标准具(25)相连，第一雪崩光电二极管(29)、第二雪崩光电二极管(30)分别和双通道采集卡(35)相连，双通道采集卡(35)和触发电路(34)相连，放大器驱动电源(31)、声光频移器驱动(33)、触发电路(34)、种子激光驱动电源(36)、二维扫描仪控制器(37)与工控机(32)相连，由工控机(32)统一控制，放大器驱动电源(31)和喇叭形二极管放大器(7)相连，声光频移器驱动(33)和声光频移器(3)相连。

Claims (1)

1.一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量***，由外腔式半导体激光器、第一凸透镜、声光频移器、第一光隔离器、第二凸透镜、第三凸透镜、喇叭形二极管放大器、第二光隔离器、分束镜、扩束镜、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第三45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、第四凸透镜、窄带滤光片、第一1×2光纤耦合器、100m长裸光纤、200m长裸光纤跳线、第二1×2光纤耦合器、光环路器、准直镜、固体FP标准具、温度控制器、第五凸透镜、光纤跳线、第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管、放大器驱动电源、工控机、声光频移器驱动、触发电路、双通道采集卡、激光驱动电源和二维扫描仪控制器组成，其特征是：外腔式半导体激光器(1)分别和触发电路(34)、激光驱动电源(36)相连，外腔式半导体激光器(1)发出的种子激光先后经第一凸透镜(2)、声光频移器(3)、第一光隔离器(4)、第二凸透镜(5)、第三凸透镜(6)、喇叭形二极管放大器(7)、第二光隔离器(8)后由分束镜(9)分为两束，透射光束通过扩束镜(10)扩束后，经第一45度反射镜(11)、第二45度反射镜(12)和卡塞格林望远镜(16)内的第三45度反射镜(13)后，沿卡塞格林望远镜(16)的光轴方向射向二维扫描仪(14)内，经过二维扫描仪(14)导光后，垂直透过玻璃平板(15)进入大气探测区域，二维扫描仪(14)的第一块反射镜与卡塞格林望远镜(16)的光轴呈45度夹角，玻璃平板(15)和二维扫描仪(14)的第二块反射镜呈45度夹角，二维扫描仪(14)通过数据控制线和二维扫描仪控制器(37)相连，大气后向散射信号经由卡塞格林望远镜(16)收集，在经过第四凸透镜(17)、窄带滤光片(18)后，耦合进入200m长裸光纤跳线(21)的一端，200m长裸光纤跳线(21)的另一端和第二1×2光纤耦合器(22)的一个支路端相连，第二1×2光纤耦合器(22)的合束端和光环路器(23)的a端相连，分束镜(9)的反射光束耦合进入第一1×2光纤耦合器(19)的一个支路端，第一1×2光纤耦合器(19)的合束端和另一个支路端分别和100m长裸光纤(20)、第二1×2光纤耦合器(22)另一个支路端相连，光环路器(23)的b端和准直镜(24)、固体FP标准具(25)、第五凸透镜(27)、光纤跳线(28)的一端呈光路相通，光纤跳线(28)的另一端和第一雪崩光电二极管(29)相连，光环路器(23)b端出光点在准直镜(24)的物方焦点上，光环路器(23)的c端用光纤和第二雪崩光电二极管(30)相连，温度控制器(26)和固体FP标准具(25)相连，第一雪崩光电二极管(29)、第二雪崩光电二极管(30)分别和双通道采集卡(35)相连，双通道采集卡(35)和触发电路(34)相连，放大器驱动电源(31)、声光频移器驱动(33)、触发电路(34)、种子激光驱动电源(36)、二维扫描仪控制器(37)与工控机(32)相连，由工控机(32)统一控制，放大器驱动电源(31)和喇叭形二极管放大器(7)相连，声光频移器驱动(33)和声光频移器(3)相连。

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