CN113093223A - 一种激光云高仪 - Google Patents

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Abstract

一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。与现有技术相比较，本发明的激光云高仪提高回波信号的稳定性。

Description

一种激光云高仪
技术领域
本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种激光云高仪。
背景技术
云的形成与演变是大气错综复杂的物理过程，也是预示天气变化的重要征兆。所谓的云高主要是指云底距测站地面的垂直距离。云高对航空飞行更有着直接的影响，飞行高度、航线选择等都需要充分考虑云高。因此，获取高精度的云高对于气象预测技术领域、航空技术领域有着深刻的意义。
现有技术中，由于激光云高仪具有探测精度高、速度快、运行可靠以及维护方便等优点而被广泛应用。激光云高仪主要利用了大气散射原理。使用时，从地面向上空发射激光束，大气气溶胶对激光束进行后向散射，通过接收后向散射的回波信号达到探测分析大气在不同高度的组成成分，从而获取云高、云厚、云层数以及能见度等。然而随着云高的变化，回波信号大小出现衰减，使得激光云高仪所接受的回波信号不稳定，影响测量的精度。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种激光云高仪以提高回波信号的稳定性。
本发明采取的技术方案如下：
一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。
与现有技术相比较，本发明的激光云高仪通过调节APD增益使得回波信号维持在稳定范围，以便于后续信号处理，且提高设备的平稳性，减少损坏。
进一步，所述光学探测器设有两个以上的通道且每个通道具有不同的量程范围，能同时处理数据，且获得高动态范围的总回波信号，从而提高精度。
进一步，所述光电探测器为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管，具有高响应速度和高灵敏度的优点。
进一步，所述环形器包括偏光立方体分光器和偏振光转换器；从所述激光器入射的激光经所述偏光立方体分光器后进入所述偏振光转换器；返回的激光经所述偏振光转换器后进入所述光学探测器。根据检测阶段的需要将激光转换为不同的状态以减少能量损失并提高精度。
进一步，所述偏振光转换器为1/4波片以减低设备的成本，并防止入射激光泄漏对检测结果的影响。
进一步，所述偏振光转换器为TGG晶体以提高信噪比。
进一步，所述激光器为固体微片激光器，以减少设备的体积，并提高脉冲宽度、单脉冲能量，光束质量等性能参数。
进一步，还包括与所述信号处理器电连接的数据储存器，为分析提供更多的数据。
进一步，还包括与所述信号处理器电连接的无线信号收发器；所述信号处理器通过所述无线信号收发器发送数据至所述数据储存器，实现数据的云端处理。
进一步，还包括移动电源；所述移动电源分别向所述激光器、所述光学探测器以及所述信号处理器供电，以实现设备的移动，提高激光云高仪使用的便利性。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明中激光云高仪的整体结构示意图；
图2为本发明中环形器的结构示意图；
图3为本发明中APD增益与激光脉冲发射至返回时间的指数关系图。
具体实施方式
具体地，请参阅图1，本发明的激光云高仪包括提供激光光源的激光器10、对激光进行分光的环形器20、发射经所述环形器20处理后的激光到云层的光学天线30、获取回波信号的光电探测器40、对回波信号的数据进行采集与分析的信号处理器50以及分别与所述激光器10、所述信号处理器50电连接的控制单元60。在所述控制单元60控制下，所述激光器10发射激光并入射到所述环形器20，所述环形器20对入射的激光进行分光并改变其光偏振状态，然后通过所述光学天线30发射至云层1，然后所述光学天线30接收散射的激光，并通过所述光电探测器40转换为回波信号，最后发送至所述信号处理器50进行处理以获取云层高度等信息。优选地，所述光学天线为共轴光学天线。
其中，所述激光器10为固体微片激光器以减少体积，其发射的激光为重频1kHz、脉冲宽度0.3ns、输出能量60uJ、光束模式为TEM00的基模高斯光束，波长为1064nm。
请参阅图2，所述环形器20包括偏光立方体分光器21和偏振光转换器22。由于由同一共轴的光学天线30发射与接收激光，所述激光器10沿光路A入射至所述环形器20，经散射后的激光沿光路B返回所述环形器20，与现有技术中使用不同的望远镜分别发射与接收激光相比较，同一共轴的光学天线30大大降低调整难度。所述激光器10所发出的激光垂直入射所述偏光立方体分光器21后被反射射向所述云层1，以降低发射至所述云层1的激光能量损失。所述偏振光转换器22位于所述偏光立方体分光器21与所述云层1之间，即位于所述偏光立方体分光器21上方。被所述偏光立方体分光器21反射的激光进入所述偏振光转换器22后由线偏振光转换为圆/椭圆偏振光以更好地探测复杂的云层结构，而经后向散射后的激光重新进入偏振光转换器22则由圆/椭圆偏振光转换为线偏振光再进入所述光电探测器40以提高回波信号的强度。所述光学天线30使得发射光轴与接收光轴共轴以提高接收效率，扩大测量范围。优选地，所述偏振光转换器22为1/4波片或TGG晶体，由1/4波片制成的偏振光转换器22价格便宜，而TGG晶体制成的偏振光转换器22则信噪比高。由于入射激光强度较强，而散射的回波信号非常弱，即使微弱的入射激光泄漏进入所述光电探测器40，也会引起非常强的背景噪声，因此所述偏振光转换器22起到隔离作用，防止发生入射激光漏光至所述光电探测器40以提高信噪比。
云高影响回波信号强度大小和激光脉冲发射至返回的时间。云高增大，激光脉冲发射至返回的时间增长，而激光衰减增大，回波信号变小；云高减小，激光脉冲发射至返回的时间减小，而激光衰减减少，回波信号变大。因此，随着云高的变化，所述光电探测器40所接收到的回波信号一般为动态值，从而导致回波信号所产生的回波电压也为动态值。动态的回波电压带来所述光电探测器40的不稳定，容易造成设备的损坏，而且强度不稳定的回波信号也不利于后续的信号处理。为使得回波电压保持稳定，本发明的光电探测器40采用APD增益动态调节方式，且所需APD增益随激光脉冲发射至返回时间呈指数增长关系。请参阅图3，在本实施例中，所述光电探测器40为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管。将一个较高的反向偏压施加到所述雪崩光电二极管以产生一个强电场。当一个入射光子产生一个电子空穴对时，电场使电子加速，导致由碰撞电离产生次级电子，所产生的电子雪崩将产生几百倍的增益因子，通过调节其电场以达到调节APD增益的目的。在本实施例中，回波信号与探测距离成-2次幂关系，所以将所述光电探测器40所调节的APD增益大小设置为与激光脉冲发射至返回时间2次幂成正比，以实现随着时间增长所需APD增益变大。进一步，所述光电探测器40设有两个以上的通道且每个通道具有不同的量程范围，从而实现输出信号的同时采集，且大量程通道能满足强回波信号的采集，小量程通道能满足弱回波信号的采集，所有通道数据在所述信号处理器50上做融合处理，获得高动态范围的总回波信号。优选地，各个通道之间的量程范围按整数倍递增。在本实施例中，所述光电探测器40设有双通道，其中一个通道的量程为0至1V，另一个通道的量程为0至0.1V。
所述信号处理器50包括数据采集模块51和实时分析模块52。所述光电探测器40与所述数据采集模块51电连接，以将所述光电探测器40所获取的回波信号发送至所述数据采集模块51，所述实时分析模块52进行分析计算。在本实施例中，所述数据采集模块51为采样率高于100MHz的10位以上高速数据采集器，且使用FPGA作为采集芯片，同时在FPGA上运行实时数据分析处理的matlab辅助算法，以高速计算云层参数。
进一步，还包括与所述信号处理器50电连接的数据储存器70进行数据储存。
进一步，还包括与所述信号处理器50电连接的无线信号收发器80，所述数据储存器70为云端服务器。通过所述无线信号收发器80将所述信号处理器50的数据无线传输至所述数据储存器70储存。
进一步，还包括移动电源90，所述移动电源90对所述激光器10、所述光电探测器40和所述信号处理器50进行供电。所述移动电源90为现有技术中的锂电池等。
与现有技术相比较，本发明的激光云高仪提高了回波信号的稳定性，从而提高设备的平稳性以及检测精度。而且数据处理速度快、检测范围广、灵敏度高、信噪比高。入射与返回的激光相互影响小，价格便宜。此外还设有数据储存器、无线信号收发器等，实现数据的云端处理。进一步，本发明的激光云高仪可移动使用，具有便携性高等优点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光云高仪，包括激光器、环形器、光学天线、光学探测器以及信号处理器；所述激光器发射的激光入射至所述环形器；所述光学天线发射经所述环形器的激光至云层并接收从云层返回的激光；所述光学探测器将从云层返回的激光转换为回波信号，并发送至与之电连接的信号处理器进行处理分析；其特征在于：所述光学探测器采用APD增益随激光脉冲发射至返回时间大小呈指数增长的调节方式。
2.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述光学探测器设有两个以上的通道且每个通道具有不同的量程范围。
3.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述光电探测器为铟镓砷雪崩光电探测器且使用雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述环形器包括偏光立方体分光器和偏振光转换器；从所述激光器入射的激光经所述偏光立方体分光器后进入所述偏振光转换器；返回的激光经所述偏振光转换器后进入所述光学探测器。
5.根据权利要求4所述的激光云高仪，其特征在于：所述偏振光转换器为1/4波片。
6.根据权利要求4所述的激光云高仪，其特征在于：所述偏振光转换器为TGG晶体。
7.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：所述激光器为固体微片激光器。
8.根据权利要求1所述的激光云高仪，其特征在于：还包括与所述信号处理器电连接的数据储存器。
9.根据权利要求8所述的激光云高仪，其特征在于：还包括与所述信号处理器电连接的无线信号收发器；所述信号处理器通过所述无线信号收发器发送数据至所述数据储存器。
10.根据权利要求9所述的激光云高仪，其特征在于：还包括移动电源；所述移动电源分别向所述激光器、所述光学探测器以及所述信号处理器供电。
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