CN106154289B - 基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达。该方案采用连续激光器作为光源，经相位或强度调制器调制后，将激光器载波频率的光作为探测光，两边带频率的光作为双频泵浦光在光纤中产生受激布里渊散射。大气回波信号在光纤中与双频泵浦光反向传输，该携带多普勒频移的信号由于受激布里渊散射而产生能量变化，能量的变化由探测器测量，进而可以得到大气回波信号的风速信息，上述***构成一种鉴频器件。由于该鉴频器的使用，使得激光出射频率固定在频谱上吸收峰与增益峰间隔距离的中点处，因而不再需要对激光频率进行锁定。该激光雷达***具有***稳定，高测量精度，低成本，结构简单紧凑等优点。

Description

基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达
技术领域
本发明涉及测风激光雷达领域，尤其涉及一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达。
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。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。在基于边缘技术的直接探测测风激光雷达中，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包括法国国家科学研究中心(Centre national de la recherche scientifique，CNRS)，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)，欧洲航天局(European Space Agency，ESA)，北极激光雷达中层大气研究观测站(The Arctic LidarObservatory for Middle Atmosphere Research，ALOMAR)，法国OHP观测站(Observatoirede Haute-Provence，OHP)，美国国家大气研究中心(National Center for AtmosphericResearch,NCAR)和密西根航空航天公司(Michigan Aerospace Corporation，MAC)等。国内方面如中国科学技术大学，中国海洋大学，安徽光学精密机械研究所及哈尔滨工业大学等科研单位也报道过基于边缘鉴频技术的测风激光雷达。
在直接探测测风激光雷达***中，无法避免激光器的频率抖动，鉴频器的漂移所引入的***误差。因此，将激光器频率锁定在鉴频器上是一项极具挑战性的工作。例如，中国科学技术大学报道了一种基于三个鉴频通道的直接探测测风激光雷达，其中两个鉴频通道形成双边缘以检测大气回波信号的多普勒频移，而第三个鉴频通道用于将激光频率实时锁定在F-P干涉仪上。然而，上述方案将增大***的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，无需进行频率锁定，从而减小了***所产生的误差；并具有较高时空分辨率，且成本相对较低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，包括：连续光激光器1、相位/强度调制器2、微波信号发生器3、第一光纤环形器4、电光强度调制器5、第一掺铒光纤放大器6、望远镜发射端7、第一光纤布拉格光栅8、第二光纤布拉格光栅9、第二光纤环形器10、望远镜接收端11、第二掺铒光纤放大器12、隔离器13、第三光纤环形器14、分束器15、受激布里渊散射光纤16、第四光纤环形器17、第三光纤布拉格光栅18、第一探测器19、第二探测器20、第一采集卡21、第二采集卡22与计算机23；其中：
连续光激光器1输出的激光载波信号经过相位/强度调制器2进行相位/强度调制后，产生两个在频域上对称的频率边带，激光载波信号和两频率边带信号入射至第一光纤环形器4的A端口，其中相位/强度调制器2的控制信号由微波信号发生器3提供；入射至第一光纤环形器4A端口的光先经由B端口到达第一光纤布拉格光栅8，其中激光载波信号被第一光纤布拉格光栅8反射并经过第一光纤环形器4的B端口由C端口出射至电光强度调制器5，电光强度调制器5将反射的激光载波信号调制成脉冲光后由第一掺铒光纤放大器6放大，放大后的脉冲光由望远镜发射端7发射至大气当中；
两频率边带信号透过所述第一光纤布拉格光栅8，该信号通过第二掺铒光纤放大器12放大后经过隔离器13入射至第三光纤环形器14的A端口，透过的频率边带信号作为双频泵浦光经过第三光纤环形器14的B端口入射至受激布里渊散射光纤16的A端并由B端出射；
由望远镜接收端11接收出射的脉冲光与大气相互作用产生的后向散射信号，该后向散射信号由望远镜接收端11入射至第二光纤环形器10的A端口，经过第二光纤环形器10的B端口入射至第二光纤布拉格光栅9，第二光纤布拉格光栅9将噪声信号去除后，将大气后向散射信号反射并由第二光纤环形器10的C端口出射，经过分束器15分为两路光，其中一路光经分束器15的A端口入射至受激布里渊散射光纤16的B端，进入受激布里渊散射光纤16后与频率边带信号所构成的双频泵浦光反向传输，产生受激布里渊散射，与双频泵浦光反向传输的信号光由第三光纤环形器14的B端口经C端口入射至第四光纤环形器17的A端口，并经过B端口入射至第三光纤布拉格光栅18对信号进行滤波，由第三光纤布拉格光栅18反射的信号经过第四光纤环形器17的B端口由C端口出射至第一探测器19，第一探测器19与第一采集卡21连接，由第一采集卡21将采集到的数据传输至计算机23；
由分束器15产生的另一路光经过分束器15的B端口与第二探测器20连接进行能量检测，第二探测器20与第二采集卡22连接，由第二采集卡22将采集到的数据传输至计算机23，由计算机23根据第一采集卡21与第二采集卡22传输的数据进行反演计算。
所述受激布里渊散射光纤16包括：
单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、单偏振光纤、塑料光纤或辐射光纤。
所述受激布里渊散射光纤16利用受激布里渊散射产生透过率函数，作为鉴频器件，其工作过程如下：
当所述连续光激光器1出射的激光经相位/强度调制器2调制后，其频域上两个频率边带的光透过第一光纤布拉格光栅8，经第二掺铒光纤放大器12放大后进入受激布里渊散射光纤16作为双频泵浦光；由望远镜接收端11接收的后向散射信号反向入射到受激布里渊散射光纤16中，并在受激布里渊散射光纤16中发生受激布里渊散射，在频域上形成信号强度透过率函数；
受激布里渊散射光纤16作为鉴频器件将望远镜接收端11接收到的后向散射信号中所携带的频率变化转化为在鉴频器所产生的陡峭边缘透过的信号强度或功率变化，并通过第二探测器20进行能量检测。
所述第一光纤布拉格光栅8、第二光纤布拉格光栅9与第三光纤布拉格光栅18均为均匀光纤布拉格光栅。
在本发明所提供的技术方案中，利用受激布里渊散射构建鉴频***，简单、易控，适用于各个波段的激光雷达，且由于出射激光频率在频谱始终位于吸收峰与增益峰之间距离的中点位置，因此不需要进行频率锁定，减小了***所产生的误差。其具有探测精度高、成本较低、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一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的图1中节点(a)、(b)、(c)、(d)、(e)处激光的频域图像；
图3为本发明实施例提供的图1中节点(a)、(b)、(c)、(d)、(e)处激光的时域图像；
图4为本发明实施例提供的构建受激布里渊散射光纤鉴频器的原理图。
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。
受激布里渊散射是一种非线性光学现象，在光纤光学中，其过程可以经典地描述为激光泵浦波、斯托克斯波通过声波而激发的非线性效应。泵浦波由电致伸缩效应在介质中产生声波，反过来声波对介质折射率进行调制。泵浦波感应的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦波，由于以声速移动的光栅的多普勒位移，散射光产生了频率下移，下移的频率称为布里渊频移。本发明实施例的方案利用受激布里渊散射构建鉴频***，简单、易控，适用于各个波段的激光雷达。且由于出射激光频率在频谱始终位于吸收峰与增益峰之间距离的中点位置，因此不需要进行频率锁定，减小了***所产生的误差。其具有探测精度高、成本较低、结构紧凑等优点。
图1为本发明实施例提供的一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达的结构示意图。如图1所示，其主要包括：
连续光激光器1、相位/强度调制器2、微波信号发生器3、第一光纤环形器4、电光强度调制器5、第一掺铒光纤放大器6、望远镜发射端7、第一光纤布拉格光栅8、第二光纤布拉格光栅9、第二光纤环形器10、望远镜接收端11、第二掺铒光纤放大器12、隔离器13、第三光纤环形器14、分束器15、受激布里渊散射光纤16、第四光纤环形器17、第三光纤布拉格光栅18、第一探测器19、第二探测器20、第一采集卡21、第二采集卡22与计算机23；其中：
连续光激光器1输出的激光载波信号经过相位/强度调制器2进行相位/强度调制后，产生两个在频域上对称的频率边带，激光载波信号和两频率边带信号入射至第一光纤环形器4的A端口，其中相位/强度调制器2的控制信号由微波信号发生器3提供。入射至第一光纤环形器4A端口的光先经由B端口到达第一光纤布拉格光栅8，其中激光载波信号被第一光纤布拉格光栅8反射并经过第一光纤环形器4的B端口由C端口出射至电光强度调制器5，电光强度调制器5将反射激光载波信号调制成脉冲光后由第一掺铒光纤放大器6放大，放大后的脉冲光由望远镜发射端7发射至大气当中；
两频率边带信号透过所述第一光纤布拉格光栅8，该信号通过第二掺铒光纤放大器12放大后经过隔离器13入射至第三光纤环形器14的A端口，透过的频率边带信号作为双频泵浦光经过第三光纤环形器14的B端口入射至受激布里渊散射光纤16的A端并由B端出射；
由望远镜接收端11接收出射的脉冲光与大气相互作用产生的后向散射信号，该后向散射信号由望远镜接收端11入射至第二光纤环形器10的A端口，经过第二光纤环形器10的B端口入射至第二光纤布拉格光栅9，光纤布拉格光栅9将噪声信号去除后，将大气后向散射信号反射并由第二光纤环形器10的C端口出射，经过分束器15分为两路光，其中一路光经分束器15的A端口入射至受激布里渊散射光纤16的B端，进入受激布里渊散射光纤16后与频率边带信号所构成的双频泵浦光反向传输，产生受激布里渊散射，与双频泵浦光反向传输的信号光由第三光纤环形器14的B端口经C端口入射至第四光纤环形器17的A端口，并经过B端口入射至第三光纤布拉格光栅18对信号进行滤波，由第三光纤布拉格光栅18反射的信号经过第四光纤环形器17的B端口由C端口出射至第一探测器19，第一探测器19与第一采集卡21连接，由第一采集卡21将采集到的数据传输至计算机23。
由分束器15产生的另一路光经过分束器15的B端口与第二探测器20连接进行能量检测，第二探测器20与第二采集卡22连接，由第二采集卡22将采集到的数据传输至计算机23，由计算机23根据第一采集卡21与第二采集卡22传输的数据进行反演计算。
图1所示的节点(a)、(b)、(c)、(d)、(e)处激光的频域、时域图像如图2-3所示，图2-3中的(a)～(e)与图1中的节点(a)～(e)相对应；图2中的A(ν)表示幅值，图3中的I(t)表示强度，图3的(b)、(c)、(e)中实线表示使用相位调制器，虚线表示使用强度调制器。
本发明实施例中，所述第一光纤布拉格光栅8、第二光纤布拉格光栅9与第三光纤布拉格光栅18均为均匀光纤布拉格光栅。
本发明实施例中，所述受激布里渊散射光纤16包括：单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、单偏振光纤、塑料光纤或辐射光纤。
本发明实施例中，所述受激布里渊散射光纤16利用受激布里渊散射产生透过率函数，作为鉴频器件，其工作过程如下：
当所述连续光激光器1出射的激光经相位/强度调制器2调制后，其频域上两个频率边带的光透过第一光纤布拉格光栅8，经第二掺铒光纤放大器12放大后进入受激布里渊散射光纤16作为双频泵浦光。由望远镜接收端11接收的后向散射信号反向入射到受激布里渊散射光纤16中，并在受激布里渊散射光纤16中发生受激布里渊散射，在频域上形成信号强度透过率函数；此时激光出射频率固定在其在频谱上吸收峰与增益峰间隔距离的中点处(连续激光器频率到吸收峰和增益峰的距离Δ相等，如图4所示)；
受激布里渊散射光纤16作为鉴频器件将望远镜接收端11接收到的后向散射信号中所携带的频率变化转化为在鉴频器所产生的陡峭边缘透过的信号强度或功率变化，并通过第二探测器20进行能量检测。
为了便于理解本发明，下面结合附图4介绍基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达原理：
设连续激光器出射激光频率为ν0，设微波信号发生器提供的信号频率为νm，经相位或强度调制器调制后，光场分别在ν1＝ν0-νm和ν2＝ν0+νm处产生两个频率边带。光场中激光载波频率分量ν0经光纤光栅反射，经强度调制器调制为脉冲后进入望远镜发射端。
光场中两个频率边带由光纤光栅透过，作为双频泵浦入射到受激布里渊散射光纤当中。在光纤中，由于受激布里渊散射，由双频泵浦其中频率较高的光在频谱ν0+νm-νB位置产生增益，其中频率较低的光在频谱ν0-νm+νB位置产生吸收(如图4所示)。可得到在这两个位置的受激布里渊增益分别为：
式中，g0表示布里渊增益峰值，ΔνB表示布里渊增益谱的半高全宽，νB表示布里渊频移。
布里渊频移νB和布里渊谱宽ΔνB均与光纤材料、温度T及光纤所受应力ε有关，在材料选定的情况下，通过改变温度可改变布里渊增益的谱宽，通过改变微波信号频率可以改变受激布里渊增益和吸收的频率位置。通过适当调节，可得到在吸收峰与增益峰之间连续变化且变化趋势单调的混合布里渊增益谱，其可以表示为：
由此，可以得到信号光的增益函数exp(gB12P0Leff/Aeff-αL)，其中P0为双频泵浦功率，α为光纤损耗系数，L为光纤长度，Leff＝[1-exp(-αL)]/α为有效光纤长度，Aeff为光纤有效模面积，可由此得到信号的透过率函数。这时，受激布里渊散射光纤便可以作为一种鉴频器件，其将经过大气返回的信号所携带的微小频率变化转化为在鉴频器所产生的陡峭边缘透过的信号强度或功率变化，并通过探测器测量，得到多普勒频移νD，进行风速反演。径向风速VLOS表示为：
式中，λ为激光波长。
本发明实施例提供的一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达具有如下有益效果：
1)本发明采用双频泵浦光抽运光纤构成鉴频器，相比于采用Fabry-Perot标准具作为鉴频器，该鉴频器结构简单、成本较低、易于实现激光雷达***小型化，且该鉴频器在使用温控等环境控制设备情况下，稳定性高。
2)本发明中采用双频泵浦光抽运光纤构成鉴频器，由于该鉴频器的使用，使得激光出射频率固定在其在频谱上吸收峰与增益峰间隔距离的中点处(连续激光器频率到吸收峰和增益峰的距离Δ相等，如图4所示)，因而不再需要对激光频率进行锁定，因而简化了***结构同时又减小了测量误差。
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 (4)

1.一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，其特征在于，包括：连续光激光器(1)、相位/强度调制器(2)、微波信号发生器(3)、第一光纤环形器(4)、电光强度调制器(5)、第一掺铒光纤放大器(6)、望远镜发射端(7)、第一光纤布拉格光栅(8)、第二光纤布拉格光栅(9)、第二光纤环形器(10)、望远镜接收端(11)、第二掺铒光纤放大器(12)、隔离器(13)、第三光纤环形器(14)、分束器(15)、受激布里渊散射光纤(16)、第四光纤环形器(17)、第三光纤布拉格光栅(18)、第一探测器(19)、第二探测器(20)、第一采集卡(21)、第二采集卡(22)与计算机(23)；其中：
连续光激光器(1)输出的激光载波信号经过相位/强度调制器(2)进行相位/强度调制后，产生两个在频域上对称的频率边带，激光载波信号和两频率边带信号入射至第一光纤环形器(4)的A端口，其中相位/强度调制器(2)的控制信号由微波信号发生器(3)提供；入射至第一光纤环形器(4)A端口的光先经由B端口到达第一光纤布拉格光栅(8)，其中激光载波信号被第一光纤布拉格光栅(8)反射并经过第一光纤环形器(4)的B端口由C端口出射至电光强度调制器(5)，电光强度调制器(5)将反射的激光载波信号调制成脉冲光后由第一掺铒光纤放大器(6)放大，放大后的脉冲光由望远镜发射端(7)发射至大气当中；
两频率边带信号透过所述第一光纤布拉格光栅(8)，该信号通过第二掺铒光纤放大器(12)放大后经过隔离器(13)入射至第三光纤环形器(14)的A端口，透过的频率边带信号作为双频泵浦光经过第三光纤环形器(14)的B端口入射至受激布里渊散射光纤(16)的A端并由B端出射；
由望远镜接收端(11)接收出射的脉冲光与大气相互作用产生的后向散射信号，该后向散射信号由望远镜接收端(11)入射至第二光纤环形器(10)的A端口，经过第二光纤环形器(10)的B端口入射至第二光纤布拉格光栅(9)，第二光纤布拉格光栅(9)将噪声信号去除后，将大气后向散射信号反射并由第二光纤环形器(10)的C端口出射，经过分束器(15)分为两路光，其中一路光经分束器(15)的A端口入射至受激布里渊散射光纤(16)的B端，进入受激布里渊散射光纤(16)后与频率边带信号所构成的双频泵浦光反向传输，产生受激布里渊散射，与双频泵浦光反向传输的信号光由第三光纤环形器(14)的B端口经C端口入射至第四光纤环形器(17)的A端口，并经过B端口入射至第三光纤布拉格光栅(18)对信号进行滤波，由第三光纤布拉格光栅(18)反射的信号经过第四光纤环形器(17)的B端口由C端口出射至第一探测器(19)，第一探测器(19)与第一采集卡(21)连接，由第一采集卡(21)将采集到的数据传输至计算机(23)；
由分束器(15)产生的另一路光经过分束器(15)的B端口与第二探测器(20)连接进行能量检测，第二探测器(20)与第二采集卡(22)连接，由第二采集卡(22)将采集到的数据传输至计算机(23)，由计算机(23)根据第一采集卡(21)与第二采集卡(22)传输的数据进行反演计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，其特征在于，所述受激布里渊散射光纤(16)包括：
单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、单偏振光纤、塑料光纤或辐射光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，其特征在于，所述受激布里渊散射光纤(16)利用受激布里渊散射产生透过率函数，作为鉴频器件，其工作过程如下：
当所述连续光激光器(1)出射的激光经相位/强度调制器(2)调制后，其频域上两个频率边带的光透过第一光纤布拉格光栅(8)，经第二掺铒光纤放大器(12)放大后进入受激布里渊散射光纤(16)作为双频泵浦光；由望远镜接收端(11)接收的后向散射信号反向入射到受激布里渊散射光纤(16)中，并在受激布里渊散射光纤(16)中发生受激布里渊散射，在频域上形成信号强度透过率函数；
受激布里渊散射光纤(16)作为鉴频器件将望远镜接收端(11)接收到的后向散射信号中所携带的频率变化转化为在鉴频器所产生的陡峭边缘透过的信号强度或功率变化，并通过第二探测器(20)进行能量检测。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分受激布里渊增益效应的直接测风激光雷达，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(8)、第二光纤布拉格光栅(9)与第三光纤布拉格光栅(18)均为均匀光纤布拉格光栅。
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