CN105093238B - 单腔f-p干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达 - Google Patents

单腔f-p干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单腔F‑P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，该激光雷达使用单腔光纤F‑P干涉仪作为鉴频器，利用单腔光纤F‑P干涉仪的透射曲线和反射曲线构成双边缘，采用透射曲线和反射曲线的交叉点锁定激光出射频率，从而实现双边缘风速探测技术。本发明采用时分复用技术，通过在光纤F‑P干涉仪的反射光路中增加低损耗的延时光纤，实现单个探测器同时采集光纤F‑P干涉仪的透反信号。本发明仅使用单腔光纤F‑P干涉仪和单个探测器实现双边缘探测，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、***稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。

Description

单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达
技术领域
本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达。
背景技术
测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型、提高军事环境预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际民航机构、世界气象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探测***的研究与开发。
多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光相干的方式探测风速探测。直接探测则利用鉴频器将多普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。直接探测可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采用F-P干涉仪(Fabry–Perot interferometer，法布里-珀罗干涉仪)或Fizeau干涉仪(斐索干涉仪)产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气后向散射信号的多普勒频移。边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、Michelson干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪(马赫-曾德干涉仪)等高分辨鉴频率器。
采用边缘技术的测风激光雷达中，F-P干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度，针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛的鉴频器。国外开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的研究单位主要有法国的OHP观测站、美国NASA、欧空局(European Space Agency,ESA)、德国、英国、挪威、联合建设的北极激光雷达观测站(ALOMAR,Arctic Lidar Observation of Middle AtmosphereResearch)，同时，丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展基于直接探测测风激光雷达的研究单位主要有中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学等。
传统的双边缘测风激光雷达中需采用两个F-P干涉仪或者双通道F-P干涉仪，同时双通道探测需要配备两个探测器，多个F-P干涉和多个探测器的***存在如下缺点：
1)F-P干涉仪和探测器造价高，从而导致***成本高；2)激光雷达信号的利用率不高，多通道探测通过分光器件实现，而F-P干涉仪的反射信号被浪费；3)两个F-P干涉仪和两个探测器的***，无法避免工作时环境不一致所引入的***误差，如环境温度不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处于振动环境下时，两个探测器的耦合效率不同；另外，光学污染和探测器老化问题也无法避免引起探测器的差异；4)双通道导致光路调节困难，并且增加了***校正参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、***稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、第一光纤环形器6、标定光纤7、光学收发和扫描***8、光纤布拉格光栅9、第二光纤环形器10、光纤F-P干涉仪11、延时光纤12、光纤耦合器13、探测器14、采集卡15与计算机16；其中各器件连接关系为：
连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接；
光纤放大器5的输出端与第一光纤环形器6输入端A连接，第一光纤环形器6的端口B与标定光纤7的输入端连接，标定光纤7的输出端与光学收发和扫描***8的输入端连接，由光学收发和扫描***8将接收到的激光向大气中发送，并接收后向散射信号；第一光纤环形器6的端口C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，由光纤布拉格光栅9滤除所述后向散射信号中背景噪声；
第一光纤环形器6的端口D与第二光纤环形器10的端口A连接，第二光纤环形器10的端口B与光纤F-P干涉仪11的输入端连接，光纤F-P干涉仪11的透射信号输出端与光纤耦合器13的输入端A连接；第二光纤环形器10的端口C与延时光纤12的输入端连接，延时光纤12的输出端与光纤耦合器13的输入端B连接；
光纤耦合器13的输出端与探测器14的输入端连接，探测器14的输出端与采集卡15的输入端连接，采集卡15的输出端与计算机16的输入端连接。
进一步的，通过光纤F-P干涉仪11的透反信号实现双边缘技术；具体的：所述光纤F-P干涉仪11的透射信号通过其透射信号输出端传输至光纤耦合器13的输入端A，所述光纤F-P干涉仪11的反射信号经过第二光纤环形器10的端口B到达第二光纤环形器10的端口C，再通过与所述第二光纤环形器10的端口C相连的延时光纤12传输至光纤耦合器13的输入端B。
进一步的，还包括：用于放置所述光纤F-P干涉仪11的恒温箱17。
进一步的，所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与第一光纤环形器6之间，所述第一光纤环形器6与光纤布拉格光栅9之间，以及第一光纤环形器6、第二光纤环形器10与光纤F-P干涉仪11之间均采用保偏光纤连接。
进一步的，所述标定光纤7和延时光纤12为保偏光纤，其损耗＜0.2dB/Km。
进一步的，根据光纤F-P干涉仪11透射曲线与反射曲线的交叉点锁定激光频率，该交叉点处频率响应函数Q＝0。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明使用单腔光纤F-P干涉仪作为鉴频器，利用单腔光纤F-P干涉仪的透射曲线和反射曲线构成双边缘，采用透射曲线和反射曲线的交叉点锁定激光出射频率，采用时分复用技术，在光纤F-P干涉仪的反射光路中增加低损耗的延时光纤，使单个探测器同时采集光纤F-P干涉仪的透反信号。本发明可实现风速探测。本发明仅使用单腔光纤F-P干涉仪和单个探测器实现双边缘探测，其具有激光雷达信号利用率高、风速探测精度高、造价低、***稳定、人眼相对安全、全光纤链接、结构紧凑等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的时序图；
图3为本发明实施例提供的基于光纤F-P干涉仪透反曲线形成双边缘曲线的原理图；
图4为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的频率响应分布图；
图5为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的频率灵敏度分布图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明实施例提供的单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达的结构示意图。如图1所示，其主要包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、第一光纤环形器6、标定光纤7、光学收发和扫描***8、光纤布拉格光栅9、第二光纤环形器10、光纤F-P干涉仪11、延时光纤12、光纤耦合器13、探测器14、采集卡15与计算机16；其中各器件连接关系为：
连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接；
光纤放大器5的输出端与第一光纤环形器6输入端A连接，第一光纤环形器6的端口B与标定光纤7的输入端连接，标定光纤7的输出端与光学收发和扫描***8的输入端连接，由光学收发和扫描***8将接收到的激光向大气中发送，并接收后向散射信号；第一光纤环形器6的端口C与光纤布拉格光栅9的输入端连接，由光纤布拉格光栅9滤除所述后向散射信号中背景噪声；
第一光纤环形器6的端口D与第二光纤环形器10的端口A连接，第二光纤环形器10的端口B与光纤F-P干涉仪11的输入端连接，光纤F-P干涉仪11的透射信号输出端与光纤耦合器13的输入端A连接；第二光纤环形器10的端口C与延时光纤12的输入端连接，延时光纤12的输出端与光纤耦合器13的输入端B连接；
光纤耦合器13的输出端与探测器14的输入端连接，探测器14的输出端与采集卡15的输入端连接，采集卡15的输出端与计算机16的输入端连接。
本发明实施例中，通过光纤F-P干涉仪11的透反信号实现双边缘技术；具体的：所述光纤F-P干涉仪11的透射信号通过其透射信号输出端传输至光纤耦合器13的输入端A，所述光纤F-P干涉仪11的反射信号经过第二光纤环形器10的端口B到达第二光纤环形器10的端口C，再通过与所述第二光纤环形器10的端口C相连的延时光纤12传输至光纤耦合器13的输入端B。
优选的，该激光雷达还包括：用于放置所述光纤F-P干涉仪11的恒温箱17。
优选的，所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与第一光纤环形器6之间，所述第一光纤环形器6与光纤布拉格光栅9之间，以及第一光纤环形器6、第二光纤环形器10与光纤F-P干涉仪11之间均采用保偏光纤连接。
优选的，所述标定光纤7和延时光纤12为保偏光纤，其损耗＜0.2dB/Km。
优选地，所述连续激光器1的输出激光波长为1.5μm。
优选地，本发明中的光纤链路均采用熔接方式连接。
为了便于理解，下面针对本发明实施例提供的上述激光雷达的测风原理进行说明。
本发明实施例所提供上述装置的测风原理如下：
多普勒测风激光雷达利用多普勒效应探测大气风速。多普勒频移ΔνD和径向风速V满足关系式V＝ΔνDc/2ν0，式中c为光速。当激光工作波长为λ＝1550nm，1m/s的风速对应多普勒频移1.29MHz，该频移量是激光频率的6.665×10-9倍。因此，为提取如此小的多普勒频移，鉴频器的选择至关重要。
本发明实施例中，使用单腔光纤F-P干涉仪作为鉴频器，利用单腔光纤F-P干涉仪的透射曲线和反射曲线构成双边缘，采用透射曲线和反射曲线的交叉点锁定激光出射频率，采用时分复用技术，在光纤F-P干涉仪的反射光路中增加低损耗的延时光纤，使单个探测器同时采集光纤F-P干涉仪的透反信号。
如图2所示，为本发明实施例所提供激光雷达的时序图；图2(1)为连续激光器1射出的激光脉冲；光纤F-P干涉仪的透射信号首先到达探测器14，其探测到的后向散射信号如图2(2)所示，而光纤F-P干涉仪的反射信号由于在反射光路中增加了延时光纤12，其到达探测器14在时域上存在延时，其接收到的后向散射信号如图2(3)所示，由于光纤F-P透反信号在时域上分开，因此仅需要单个探测器可实现整个信号的采集，整个采集到的信号如图2(4)所示。
气溶胶后向散射信号(即前述的后向散射信号)经光纤F-P干涉仪的透过率为鉴频器透过率函数h(ν)和气溶胶光谱函数fM(ν)的卷积：
光纤F-P干涉仪的透过率函数为：
式中，Re为有效反射率，ν为频率，μ为有效折射率指数，对于空气间隙的F-P干涉仪μ≈1，θ为入射光与标准具反射表面法线的夹角，ΔνFSR为F-P干涉仪的自由光谱间距，TP是F-P干涉仪的峰值透过率，Tp可表示为：
TP＝[1-A/(1-Re)]2 (3)
式中，A为F-P干涉仪平板的吸收损耗。
由于米散射光谱的频谱展宽很小，可以用出射激光的光谱函数fL(ν)来代替气溶胶后向散射信号的光谱函数fM(ν)，即：
式(4)中ΔνL为出射激光光谱的1/e宽度。
通过级数展开，可将T(ν)展开为：
T(ν)＝TPQ(ν) (5)
式中，Q(ν)可表示为：
式中，ν0为激光出射频率。
同理，气溶胶后向散射信号经光纤F-P干涉仪反射后的信号为鉴频器反射率函数r(ν)和气溶胶光谱函数fM(ν)的卷积，通过级数展开可表示为：
请参见图3所示，光纤F-P干涉仪透射信号与光纤F-P干涉仪反射信号具有对称性。本发明提出的基于光纤F-P干涉仪透反信号的双边缘测风激光雷达中，将激光出射频率锁定在光纤F-P干涉仪透射曲线与光纤F-P干涉仪反射曲线的交叉点出，当激光与大气相互作用后，光学收发和扫描***8接收的气溶胶后向散射信号将携带多普勒频移的信息，如图3所示，多普勒频移动将引起气溶胶信号经光纤F-P干涉仪透射(反射)后信号衰减，而经光纤F-P干涉仪反射(透射)后信号增加。
定义频率响应函数Q为
请参见图4所示，频率响应函数Q与光纤F-P干涉仪的透射信号类似，值得注意的是，本发明采用Q＝0处锁定激光频率，Q＝0即光纤F-P干涉仪透射信号与光纤F-P干涉仪反射信号相等，该判据具有简单有效、信噪比高等优点。观察图3和图4可以发现，频率响应函数Q和光纤F-P干涉仪的透射曲线形状类似，但频率响应函数Q的锐度更高，即单位多普勒频移引起的信号变化更大。
请参见图5所示，为对频率响应函数Q求导后获得的曲线。dQ/dv的物理意义为单位多普勒频移引起的频率响应函数Q的变化量，即定义为测风激光雷达的频率灵敏度。从图5可以看出，本发明提出的基于F-P干涉仪透反信号的双边缘测风激光雷达中，频率灵敏度在F-P干涉仪透过率的峰值位置为0，在偏离F-P干涉仪透过率的峰值30MHz左右处达到最大值，该处为多普勒测风激光雷达的最佳工作区域。
本发明提出的测风激光雷达***中，光源采用1.5μm光通信波段，探测目标物为大气气溶胶信号，由于瑞利散射信号强度与激光波长的负四次方成正比，因此，激光雷达信号中的瑞利后向散射信号可忽略不计。激光雷达F-P干涉仪的透射信号I1和反射信号I2可分别表示为
I1(ΔνD)＝a1IMT(ΔνD) (9)
I2(ΔνD)＝a2IMR(ΔνD) (10)
式中，a1，a2为两个***校准常数，值得注意的是，本发明仅采用单腔F-P干涉仪和单个探测器，a1，a2包括F-P干涉仪透反信号的强度差异，延时光纤12所引起的F-P干涉仪反射信号在光纤中的损耗；IM为大气气溶胶后向散射信号。
利用式(8)计算探测信号I1和I2对应的Q值，通过最小二乘拟合获得探测Q值所对应的频率，其中激光的出射频率通过标定光纤7后向散射的信号提取，大气后向散射的频率与激光出射频率的差值即为多普勒频移ΔνD，径向风速V＝ΔνDc/2ν0。最后，通过扫描获得不同激光径向的风速信息，计算风速大小和风向信息。
本发明实施例提供的一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达具有如下有益效果：
1)本发明提出了一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，利用单腔F-P干涉仪的透反曲线实现测风激光雷达的双边缘探测，相比于采用双F-P干涉仪或者双通道F-P干涉仪构成的双边缘，其信号利用率高，避免了分光，避免了两个F-P干涉仪所引入的差异，减小了校准参数，降低了F-P干涉仪成本，提高了***稳定性和环境适应性。
2)本发明采用时分复用技术，通过在光纤F-P干涉仪的反射光路中连接低损耗的延时光纤12，实现了单探测器同时采集光纤F-P干涉仪透反信号，相比于多个探测器的***，其降低了成本，避免了工作时环境不一致时，探测器响应差异所引入的***误差，例如：环境温度不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器的输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处于振动环境下时，探测器的耦合效率不同；光学污染和探测器老化问题也将引起探测器的差异，因此要求激光雷达进行周期定标。
3)本发明提出采用光纤F-P干涉仪11透射曲线与反射曲线的交叉点用于激光频率锁定，该点处频率响应函数Q＝0，采用该点锁定具有简s单有效、信噪比高等优点。
4)本发明优选1.5μm光通信波段，1.5μm光通信波段主要优点为：(1)光纤制造技术成熟，光纤损耗小，1.5μm激光对器件损耗低，本发明采用延时光纤12实现光纤F-P干涉仪反射信号的延时即是由于光纤损耗小，例如，当光纤损耗0.2dB/km时，激光经3km延时光纤，损耗为12.9％；(2)1.5μm波段人眼相对安全，1.5μm波段激光的人眼最大允许曝光功率是2.1μm波段的10倍，是1.06μm波段的5个数量级；(3)1.5μm波段光通信器件已发展成熟，可降低成本；(4)1.5μm波段可实现全光纤结构，易于组装和集成，满足激光雷达小型化、稳定化和商品化的发展方向。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其特征在于，包括：连续激光器(1)、光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、任意函数发生器(4)、光纤放大器(5)、第一光纤环形器(6)、标定光纤(7)、光学收发和扫描***(8)、光纤布拉格光栅(9)、第二光纤环形器(10)、光纤F-P干涉仪(11)、延时光纤(12)、光纤耦合器(13)、探测器(14)、采集卡(15)与计算机(16)；其中各器件连接关系为：
连续激光器(1)的输出端与光纤隔离器(2)的输入端连接，光纤隔离器(2)的输出端与强度调制器(3)的输入端连接，强度调制器(3)的输出端与光纤放大器(5)的输入端连接，任意函数发生器(4)的输出端与强度调制器(3)的控制端连接；
光纤放大器(5)的输出端与第一光纤环形器(6)输入端A连接，第一光纤环形器(6)的端口B与标定光纤(7)的输入端连接，标定光纤(7)的输出端与光学收发和扫描***(8)的输入端连接，由光学收发和扫描***(8)将接收到的激光向大气中发送，并接收后向散射信号；第一光纤环形器(6)的端口C与光纤布拉格光栅(9)的输入端连接，由光纤布拉格光栅(9)滤除所述后向散射信号中背景噪声；
第一光纤环形器(6)的端口D与第二光纤环形器(10)的端口A连接，第二光纤环形器(10)的端口B与光纤F-P干涉仪(11)的输入端连接，光纤F-P干涉仪(11)的透射信号输出端与光纤耦合器(13)的输入端A连接；第二光纤环形器(10)的端口C与延时光纤(12)的输入端连接，延时光纤(12)的输出端与光纤耦合器(13)的输入端B连接；根据光纤F-P干涉仪(11)透射曲线与反射曲线的交叉点锁定激光频率，该交叉点处频率响应函数Q＝0；
光纤耦合器(13)的输出端与探测器(14)的输入端连接，探测器(14)的输出端与采集卡(15)的输入端连接，采集卡(15)的输出端与计算机(16)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其特征在于，
通过光纤F-P干涉仪(11)的透反信号实现双边缘技术；具体的：所述光纤F-P干涉仪(11)的透射信号通过其透射信号输出端传输至光纤耦合器(13)的输入端A，所述光纤F-P干涉仪(11)的反射信号经过第二光纤环形器(10)的端口B到达第二光纤环形器(10)的端口C，再通过与所述第二光纤环形器(10)的端口C相连的延时光纤(12)传输至光纤耦合器(13)的输入端B。
3.根据权利要求1所述的一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其特征在于，还包括：用于放置所述光纤F-P干涉仪(11)的恒温箱(17)。
4.根据权利要求1所述的一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其特征在于，
所述连续激光器(1)、光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、光纤放大器(5)与第一光纤环形器(6)之间，所述第一光纤环形器(6)与光纤布拉格光栅(9)之间，以及第一光纤环形器(6)、第二光纤环形器(10)与光纤F-P干涉仪(11)之间均采用保偏光纤连接。
5.根据权利要求1所述的一种单腔F-P干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达，其特征在于，
所述标定光纤(7)和延时光纤(12)为保偏光纤，其损耗＜0.2dB/Km。
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