CN105785398A - 一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达 - Google Patents

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Abstract

一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达,由窄线宽激光器、激光稳频***、光学发射***、光学接收***、基于虚像相位阵列光学鉴频器、多通道光电探测***、数据采集和处理***构成。基于虚像相位阵列光学鉴频器由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹，将大气米散射和瑞利散射的多普勒频移转化为透过率的变化。利用基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达可以同时利用大气的米散射和瑞利散射测量大气风场。

Description

一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达
技术领域
本发明涉及一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达，更具体地说属于一种以虚像相位阵列为光学鉴频器件的非相干大气激光测风雷达。
背景技术
大气激光测风雷达可以测量大气风速和风向剖面。目前大气激光测风雷达技术基本分为两种：相干检测和非相干检测。非相干大气激光测风雷达利用高光谱分辨率的光学鉴频将大气激光回波中的多普勒频移转换成光学鉴频透过率的变化，根据透过率的变化可以得到大气风速引起的激光多普勒频移，进而反演出大气风速。目前非相干大气激光雷达采用的光学鉴频包括法布里－珀罗（Fabry–Pérot）干涉仪，分子（原子）滤波器、斐索（Fizeau）干涉仪等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达，其中虚像相位阵列配合衍射光栅作为光学鉴频器。
虚像相位阵列是光学色散器件，可以将输入的线光源色散为空间排列的光谱干涉条纹。将虚像相位阵列输出的光谱耦合到匹配的衍射光栅中，则衍射光栅输出的是二维空间排列的光谱干涉条纹，每个光谱干涉条纹对应一个光学鉴频器。
本发明包括窄线宽激光器、激光稳频***、光学发射***、光学接收***、基于虚像相位阵列光学鉴频器、多通道光电探测***、数据采集和处理***，其特征在于，将窄线宽激光器的输出波长利用激光稳频***锁定在基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹上。利用光学发射***将稳频的激光发射到大气中，然后利用光学接收***接收大气回波，并耦合进基于虚像相位阵列光学鉴频器中。
激光波长对应的干涉条纹可以滤出部分大气回波中的米（Mie）散射和瑞利（Rayleigh）散射；激光波长两侧的干涉条纹分别可以滤出部分大气回波中的瑞利散射。利用多通道光电探测***将滤出的米散射信号和瑞利散射转换成电信号，并导入数据采集和处理***。
不同的大气风场会产生不同的激光多普勒频移，从而引起滤出的米散射信号和多路瑞利散射信号强度变化。根据上述强度变化，可以反演出大气风场。
所采用激光器的特征是其引起的大气米散射线宽小于基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度。所采用基于虚像相位阵列光学鉴频器的特征是其自由光谱范围的两倍小于大气瑞利散射光谱宽度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1，本发明的基于虚像相位阵列光学鉴频器结构图
图2，本发明的基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达结构图
图3，本发明的基于虚像相位阵列光学鉴频器的光谱干涉条纹和大气瑞利和米散射光谱
图4，本发明的基于虚像相位阵列光学鉴频器滤出的大气米散射和瑞利散射信号
图中：1．入射的平行光，2．柱面镜，3．虚像相位阵列，4．辅助光学透镜，5.衍射光栅（以平面反射式光栅为例），6.衍射光栅像平面处的二维空间排列的光谱干涉条纹，7.窄线宽激光器，8.激光稳频***，9.光学发射***，10.光学接收***，11.基于虚像相位阵列光学鉴频器，12.多通道光电探测***，13.数据采集和处理***，14.基于虚像相位阵列光学鉴频器的输出光谱干涉条纹，15.激光稳频***的激光波长锁定点，16.无多普勒频移的大气米散射，17.无多普勒频移的大气瑞利散射，18.大气米散射线宽（半高全宽），19.基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度（半高全宽），20.基于虚像相位阵列光学鉴频器干涉条纹的自由光谱范围，21.大气瑞利散射线宽（半高全宽），22.带有风速多普勒频移的大气米散射，23.带有风速多普勒频移的大气瑞利散射，24.激光稳频对应的干涉条纹滤出的无多普勒频移大气米散射和瑞利散射信号，25.激光波长两侧的干涉条纹滤出的无多普勒频移瑞利散射信号，26.激光稳频对应的干涉条纹滤出的带有多普勒频移大气米散射和大气瑞利散射信号，27.激光波长两侧的干涉条纹滤出的带有多普勒频移瑞利散射信号。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达，以解决相关领域的技术问题。
本发明的基于虚像相位阵列光学鉴频器如图1所示。平行光（1）经柱面透镜（2）聚焦后入射到虚像相位阵列（3）中。虚像相位阵列（3）的输出经过辅助光学透镜（4）后耦合到匹配的衍射光栅（5）中。根据实际情况，辅助光学透镜（4）也可以不加。衍射光栅（5）可以是透射式或者反射式，也可是凹面光栅或者平面光栅。在衍射光栅的焦平面（6）处得到二维空间排列的光谱干涉条纹，其中虚像相位阵列在y方向有光谱角色散，衍射光栅在x方向有光谱角色散。
本发明的基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达如图2所示。窄线宽激光器（7）作为光源，并利用激光稳频（8）***将激光波长锁定。锁频后的激光通过光学发射***（9）进入大气。大气的激光回波利用光学接收***（10）接收，并导入到基于虚像相位阵列光学鉴频器（11）中。利用多通道光电探测（12）探测所需的基于虚像相位阵列光学鉴频器（11）的输出，并导入数据采集和处理***（13）。
图3中（14）是基于虚像相位阵列窄带光学滤波器输出的光谱干涉条纹。如果激光波长锁定在图3中的（15）处，对应于基于虚像相位阵列光学鉴频器中心波长λL的干涉条纹。无多普勒频移的大气米散射（16）和无多普勒频移的大气米瑞利（17）的中心波长也在（15）处。本发明要求大气米散射线宽（18）小于基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度（19），同时基于虚像相位阵列光学鉴频器干涉条纹的自由光谱范围（20）的两倍小于大气瑞利散射光谱宽度（21）。
图3中带有多普勒频移的大气米散射（22）和带有多普勒频移的大气米瑞利（23）的中心波长会偏离（15）处。
中心波长λL的干涉条纹可以滤出部分大气米散射和大气瑞利散射。无多普勒频移时，滤出的信号对应于图4中的（24）；带有多普勒频移时，滤出的信号对应于图4中的（26）。因为大气瑞利散射的光谱宽度（21）大于基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度（19），所以（24）中和（26）中的含有大气瑞利散射相当。因此（24）和（26）强度的差异主要由大气米散射的多普勒频移造成。总之，利用中心波长λL的干涉条纹的输出信号中大气米散射的特征，可以反演出大气风速。
中心波长λL两侧的干涉条纹（如中心波长位于λL-2、λL-1、λL+1、λL+2处）可以滤出部分大气瑞利散射。无多普勒频移时，滤出的信号对应于图4中的（25）；带有多普勒频移时，滤出的信号对应于图4中的（27）。计算（25）和（27）中λL+1、λL+2处信号与λL-2、λL-1处信号的差异。多普勒频移不同时，差异也不同。总之，利用中心波长λL-2、λL-1、λL+1、λL+2干涉条纹的输出大气瑞利散射信号的差异，可以反演出大气风速。
总之，图2中基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达可以利用大气的米散射和瑞利散射信号探测大气风速。

Claims (4)

1.一种基于虚像相位阵列的非相干大气激光测风雷达，其特征在于：由窄线宽激光器、激光稳频***、光学发射***、光学接收***、基于虚像相位阵列光学鉴频器、多通道光电探测***、数据采集和处理***构成；其中将窄线宽激光器的输出波长利用激光稳频***锁定在基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹上；利用光学发射***将稳频的激光发射到大气中，然后利用光学接收***接收大气回波，并耦合进基于虚像相位阵列光学鉴频器中；激光锁频对应的干涉条纹可以滤出部分大气回波中的米（Mie）散射和瑞利（Rayleigh）散射；激光波长两侧的干涉条纹分别可以滤出部分大气回波中的瑞利散射；利用多通道光电探测***将滤出的米散射信号和瑞利散射转换成电信号，并导入数据采集和处理***。
2.权利要求1所述的基于虚像相位阵列光学鉴频器的特性在于其由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹，可以将大气米散射和瑞利散射的多普勒频移转化为透过率的变化。
3.权利要求1所述的基于虚像相位阵列光学鉴频器的特征是其自由光谱范围的两倍小于大气瑞利散射光谱宽度。
4.权利要求1所述的激光器的特征是其引起的大气米散射线宽小于基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度。
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