CN113391327A - 一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法，连续光纤激光器模块产生探测信号光与本振光，将探测信号光输入光路控制及收发模块，将本振光输入到平衡探测模块；光路控制及收发模块将探测信号光出射到待观测大气中，接收后向散射回波信号光，将后向散射回波信号光输入到平衡探测模块中；平衡探测模块将信号光转换为多普勒频移电信号；信号处理模块对电信号进行处理，获得视向风速信息；本发明的有益效果为实现在雷达***探测方向上的中近距离的高速度分辨率以及距离分辨率的测量，方便***的组装和调试；对激光器模块的输出功率要求更低，使激光器功耗更小，可靠性更高；测风雷达***适应性广，在各种环境和功能下使用。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法。
背景技术
大气风场探测是气象领域的重要组成部分，风对人类活动有重要影响。在航天航空领域中，气象监测和预报是保障飞行安全的重要因素，准确快速的更新空域风场信息，并将相关数据反映给飞行员，对飞行安全有很大帮助；在风力发电领域中，为了更加高效安全地开发风能，需要实时风场探测数据来控制风力发电设备的运行状态；在军事领域中，风场探测能为地空、空空、空地武器的安全使用和精准打击提供重要的保障，人员和装备伞降以及火炮射击等军事活动的气象保障也需要通过大气风场探测来实现；在气象领域中，通过精准的大气风场信息，可以更加准确的预测未来天气，尤其是对台风气象的预报。
目前大气风场探测的探测设备按照工作方式分为被动式测风和主动式测风两种。前者的典型设备有皮托管、气象气球、风杯风速计，后者的典型设备有微波测风雷达和激光测风雷达。其中，被动式测风设备都只能测量探测器所在位置的局部风场信息，其获得的信息量较少，如果需要对区域范围风场进行探测，则需要在探测区域按照一定密度安装相关设备，总成本较高。微波测风雷达使用的频段，在大气中只与云雨雪等大尺寸粒子发生作用产生回波信号，在晴空条件下，微波雷达对大气分子及气溶胶产生的回波信号强度很低，形成探测盲区，此时微波雷达的探测性能较差。而激光测风雷达使用波长更短的红外激光，通过探测大气分子和气溶胶的散射信号来实现风信号的探测，探测性能受天气影响较小，并且具有很高的时间和空间分辨率。
目前，应用最广泛的激光测风雷达是基于多普勒相干探测原理的脉冲激光雷达或连续激光雷达。激光测风雷达利用单频激光作为探测光源，用本振光信号与大气中气溶胶粒子对探测光的后向散射信号做外差探测，通过检测多普勒信号中的差频信息计算视向风速，进一步反演得到风场数据。
脉冲激光测风雷达通过计算脉冲激光的收发延迟时间来获得散射信号位置相对于雷达***的距离，由于脉冲宽度和距离门设置不同，脉冲激光测风雷达在雷达***探测方向前方可能存在几十到几百米的盲区，通过脉冲激光无法测量到雷达***探测方向上的几十到几百米之间的盲区。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何测量雷达***在探测方向上近距离的视野，目的在于提供一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法，能够实现雷达***在探测方向上，对接近雷达***的几十米到几百米之间的空间位置进行测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，包括连续光纤激光器模块、光路控制及收发模块、平衡探测模块以及信号处理模块；
所述连续光纤激光器模块用于产生连续的探测信号光与本振光，并将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中，将所述本振光输入到所述平衡探测模块中；
所述光路控制及收发模块用于接收传输过来的探测信号光，将所述探测信号光出射到待观测大气中，同时接收探测信号与大气气溶胶粒子作用后产生的后向散射回波信号光，并将后向散射回波信号光输入到所述平衡探测模块中；
所述平衡探测模块用于接收所述后向散射回波信号光与本振光，将所述后向散射回波信号光与所述本振光进行混频，同时将混频后的信号光转换为多普勒频移电信号；
所述信号处理模块用于采集所述多普勒频移电信号，并对多普勒频移电信号进行处理，获得所述待观测大气的视向风速信息。
传统的采用雷达***测量风速的时候，往往采用的是脉冲激光对大气中的风速进行测量，但是在采用这种方法对大气中的风速进行测量的时候，因为采用的是脉冲激光，往往会造成在雷达***探测方向前方，存在几十米到几百米之间的盲区；本发明提供一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，在雷达***中，采用连续激光对大气中的风速进行测量，通过调整激光雷达出射激光的能量空间分布，解决脉冲激光测风雷达存在的探测盲区问题，实现了对接近雷达***的几十米到几百米之间的空间位置进行测量。
优选地，所述连续光纤激光器模块包括激光器、声光调制器、光纤分束器以及光纤放大器，所述激光器将出射光源输入到所述光纤分束器中；所述光纤分束器将所述光源分束为A光束与B光束，并将所述A光束依次输入到所述声光调制器、所述光纤放大器中，获得探测信号光，在将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中；将所述B光束输入到所述平衡探测模块中，所述B光束为本振光。
优选地，所述光路控制及收发模块包括光环形器与望远镜组，所述光环形器用于接收所述探测信号光，并将所述探测信号光输入到所述望远镜组；
所述望远镜组用于将所述探测光信号发射到待观测大气中，再接收所述探测信号与大气气溶胶粒子发生作用后产生后向散射回波信号光，并将所述后向散射回波信号光经过光环形器输入到所述平衡探测模块中。
优选地，所述平衡探测模块包括光耦合分束器与平衡探测器，所述光耦合分束器用于接收所述B光束与所述散射信号光，并将所述B光束与所述散射信号光做混频处理，并将混频后的光信号输入到所述平衡探测器中；
所述平衡探测器用于将所述混频后的光信号转换为多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移的电信号输入到所述信号处理模块中。
优选地，所述望远镜组至少包括三个望远镜，且每个望远镜指向不同的方向。
优选地，所述望远镜的焦距调节范围为5m～200m。
优选地，所述信号处理模块包括数据采集卡与数据处理板，所述数据采集卡用于采集所述平衡探测器模块中处理得到的多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移电信号转换为数字信号，将所述数字信号输入到所述数据处理板中；
所述数据处理板用于对所述数字信号进行处理，获得待观测大气的视向风速信息。
本发明还公开了一种基于连续激光的多普勒测风方法，所述测风方法采用如上所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，方法步骤包括：
开启雷达***，并调剂激光器输出的激光功率在30mW～40mW之间；
调节声光调制器对激光的移频为80MHz；
调节光纤放大器，使得光纤放大器的输出光功率为200mW；
分别调节望远镜组中的望远镜的焦距依次为10m、20m、50m、100m，并将望远镜与水平面的俯仰角为10°射向大气中进行风速测试，获得待观测大气的风速信息。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法，通过在雷达***中采用连续激光进行测量，实现在雷达***探测方向上的中近距离下的高速度分辨率以及距离分辨率的测量，且采用全光纤结构，方便***的组装和调试；
2、本发明实施例提供的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法，对激光器模块的输出功率要求更低，可以使激光器功耗更小，可靠性更高；
3、本发明实施例提供的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法，测风雷达***适应性广，可以在各种环境和功能下使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为雷达***整体模块示意图
图2为望远镜准直后各视场发散角
图3为***焦距为50m的点列图
图4为***焦距为200m的点列图
图5为不同焦距下权重函数随探测距离变化曲线
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
本实施例公开了一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，如图1所示，包括连续光纤激光器模块、光路控制及收发模块、平衡探测模块以及信号处理模块；
连续光纤激光器模块提供具有一定功率的窄线宽连续激光信号，作为雷达的探测信号光及本振光，探测信号光通过光路控制及收发模块出射到待测大气中，本振光进入平衡探测模块中；之后探测信号在大气气溶胶粒子的后向散射信号经过光路控制和收发模块接收后也进入平衡探测模块中，与本振光进行混频，并将混频光信号转变为电信号；信号处理模块对混频外差信号进行处理，得到多普勒频移的大小，再通过相关计算得到目标的视向风速信息。
所述连续光纤激光器模块用于产生连续的探测信号光与本振光，并将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中，将所述本振光输入到所述平衡探测模块中；
在连续光纤激光器中，所发射的激光均为连续激光，且发射出来的激光具有一定功率的窄线宽连续激光信号，即在本实施例中，探测信号光与本振光均为一定功率的窄线宽连续的激光信号；
连续光纤激光器模块包括激光器、声光调制器、光纤分束器以及光纤放大器，所述激光器将出射光源输入到所述光纤分束器中；所述光纤分束器将所述光源分束为A光束与B光束，并将所述A光束依次输入到所述声光调制器、所述光纤放大器中，获得探测信号光，在将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中；将所述B光束输入到所述平衡探测模块中，所述B光束为本振光，在本实施中，光纤分束器采用的是1×2光纤分束器。
光路控制及收发模块用于接收传输过来的探测信号光，将所述探测信号光出射到待观测大气中，同时接收探测信号与大气气溶胶粒子作用后产生的后向散射回波信号光，并将后向散射回波信号光输入到所述平衡探测模块中；在本实施例中，望远镜组中的望远镜采用的是变焦望远镜，经过光纤放大器放大后的探测信号与环形器的第一端口连接，之后信号通过环形器第二端口与变焦望远镜连接，望远镜接收后的回波信号先输入环形器第二端口，之后从第三端口连接到2×2光纤耦合分束器的输入端；
所述光路控制及收发模块包括光环形器与望远镜组，所述光环形器用于接收所述探测信号光，并将所述探测信号光输入到所述望远镜组；本实施例中，采用的望远镜组中的望远镜为折射式伽利略型结构，通过正负透镜配合以矫正望远镜***像差。
如图2～图4所示，望远镜尺寸设计采取输入光束口径2.2mm，输出光束口径50mm，扩束比为23，镜头采用石英玻璃加工制备，通过调节透镜间距可以控制出射激光在不同距离处实现光束聚焦；***在准直后在各视场发散角小于2.4′。当焦聚焦距离在5-20m范围内，光斑直径小于0.4mm；聚焦距离在100m时，光斑直径小于0.7mm；聚焦距离在200m时，光斑直径小于1mm
望远镜组用于将所述探测光信号发射到待观测大气中，再接收所述探测信号与大气气溶胶粒子发生作用后产生后向散射回波信号光，并将所述后向散射回波信号光经过光环形器输入到所述平衡探测模块中；望远镜组至少包括三个望远镜，且每个望远镜指向不同的方向。所述望远镜的焦距调节范围为5m～200m。
在使用连续激光测风雷达进行风速测量时，探测方向空间中各个位置处风速都会对雷达风速合成产生贡献。同位置风速的权重函数通常用洛伦兹函数来描述
公式中，W(R)表示距离雷达***探测距离R处位置风速所占权重，κ为归一化常量，ω0表示高斯光束束腰半径。
即为发射光束的瑞利长度，如图5所示，虽然整个方向的速度信息均有贡献，但是望远镜光束聚焦距离处的风速探测结果在合成里的权重远大于其他位置，因此在应用中，以聚焦位置为中心，W下降到W(F)-3dB的范围作为雷达***的探测距离，望远镜焦距附近处等风速信息在探测速度合成中的贡献权重最大，可以认为探测距离即为望远镜焦距附近。望远镜采用伽利略型，通过改变镜组中透镜间的相对距离来改变焦距，可以手动或者使用机械装置调节，从而实现整个光学***的变焦。焦距调节范围为5～200m。
如果需要测量不同位置的风速，需要对光束聚焦进行调整，其镜头为变焦透镜组，采用手动或机电的方式调整光束聚焦位置，其最大探测距离是通过望远镜焦距调整范围、信号处理模块性能和评估在光束聚焦距离较大条件下风速合成权重函数得到的。
所述平衡探测模块用于接收所述后向散射回波信号光与本振光，将所述后向散射回波信号光与所述本振光进行混频，同时将混频后的信号光转换为多普勒频移电信号；在本实施例中，光纤耦合分束器采用的是2×2光纤耦合分束器；且图中的虚线信号表示的是电信号的传输。
所述平衡探测模块包括光耦合分束器与平衡探测器，所述光耦合分束器用于接收所述B光束与所述散射信号光，并将所述B光束与所述散射信号光做混频处理，并将混频后的光信号输入到所述平衡探测器中；
所述平衡探测器用于将所述混频后的光信号转换为多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移的电信号输入到所述信号处理模块中，平衡探测模块，使得测风激光雷达***对大气回波信号与本振光进行拍频处理，并且产生多普勒频移的电信号。
所述信号处理模块用于采集所述多普勒频移电信号，并对多普勒频移电信号进行处理，获得所述待观测大气的视向风速信息。
所述信号处理模块包括数据采集卡与数据处理板，所述数据采集卡用于采集所述平衡探测器模块中处理得到的多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移电信号转换为数字信号，将所述数字信号输入到所述数据处理板中；
所述数据处理板用于对所述数字信号进行处理，获得待观测大气的视向风速信息。
工作原理：
激光器产生的窄线宽连续激光，经过光纤分束器后分为两束激光，其中一束激光作为相干探测的本振光被传输到光耦合分束器的输入端，另一束激光作为探测信号光需要进行频率移及功率放大，首先输入到声光调制器中。
声光调制器对激光进行频移，之后输入到光纤放大器中对激光平均功率进行放大处理，放大后的激光传输至环形器的第一端口，再由第二端口传输至变焦望远镜组，望远镜组的收发望远镜将探测激光发射到大气中，探测信号与气溶胶粒子发生作用后产生后向散射回波信号，也由望远镜组的收发望远镜接收后传输到环形器的第二端口输入，由第三端口输出到耦合分束器的输入端。
此时，可知耦合分束器的两个输入信号分别是本振光和信号光，二者混频后以两个端口传输到平衡光电探测器中，平衡探测器对拍频信号进行探测，将光信号转变为电信号，信号中具有与大气风速相关的多普勒频移信号，该信号通过平衡光电探测器的输出端口传输到数据采集卡中，数据采集卡将平衡光电探测器处理的模拟信号转变为数字信号，然后输出到信号处理板中。
信号处理板将数字信号进行算法处理，获得气溶胶粒子相对于雷达***的视向速度信息。为了获得三维空间的风场反演，通常需要至少三个望远镜共同使用，三个望远镜分别指向不同的探测方向，通过软件算法将每个镜头独立的探测结果合成三维风场信息
实施例二
本实施例公开了一种基于连续激光的多普勒测风方法，所述测风方法采用实施例一种提供的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，在采用该方法对风速进行测量之前，对雷达***进行标定，标定方法为按照原理框图，搭建测试链路；开启种子源激光器，调节其输出功率在30mW～40mW之间；启动声光调制器、光纤放大器、平衡探测器和板卡；声光调制器对种子源激光进行移频，移频大小为80MHz；调节光线放大器使其输出光功率为200mW；调节望远镜光束聚焦距离为10m，在光束聚焦位置放置待测的旋转转盘，转盘由交流伺服电机控制，转速精度误差为0.5RPM，转盘的半径为13cm。转速测试结果和实际转速相关系数为0.998，标准差为0.151m/s。
采用雷达***进行风速测量的方法步骤包括：
开启雷达***，并调剂激光器输出的激光功率在30mW～40mW之间；
调节声光调制器对激光的移频为80MHz；
调节光纤放大器，使得光纤放大器的输出光功率为200mW；
分别调节望远镜组中的望远镜的焦距依次为10m、20m、50m、100m，并将望远镜与水平面的俯仰角为10°射向大气中进行风速测试，获得待观测大气的风速信息，连续激光雷达***的风速合成主要由望远镜聚焦距离处的速度贡献最大，望远镜聚焦距离通过镜头光机结构连续可调，因此在近距离测量下连续激光测风雷达理论上不存在测速盲区。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，包括连续光纤激光器模块、光路控制及收发模块、平衡探测模块以及信号处理模块；
所述连续光纤激光器模块用于产生连续的探测信号光与本振光，并将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中，将所述本振光输入到所述平衡探测模块中；
所述光路控制及收发模块用于接收传输过来的探测信号光，将所述探测信号光出射到待观测大气中，同时接收探测信号与大气气溶胶粒子作用后产生的后向散射回波信号光，并将后向散射回波信号光输入到所述平衡探测模块中；
所述平衡探测模块用于接收所述后向散射回波信号光与本振光，将所述后向散射回波信号光与所述本振光进行混频，同时将混频后的信号光转换为多普勒频移电信号；
所述信号处理模块用于采集所述多普勒频移电信号，并对多普勒频移电信号进行处理，获得所述待观测大气的视向风速信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述连续光纤激光器模块包括激光器、声光调制器、光纤分束器以及光纤放大器，所述激光器将出射光源输入到所述光纤分束器中；所述光纤分束器将所述光源分束为A光束与B光束，并将所述A光束依次输入到所述声光调制器、所述光纤放大器中，获得探测信号光，在将所述探测信号光输入到所述光路控制及收发模块中；将所述B光束输入到所述平衡探测模块中，所述B光束为本振光。
3.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述光路控制及收发模块包括光环形器与望远镜组，所述光环形器用于接收所述探测信号光，并将所述探测信号光输入到所述望远镜组；
所述望远镜组用于将所述探测光信号发射到待观测大气中，再接收所述探测信号与大气气溶胶粒子发生作用后产生后向散射回波信号光，并将所述后向散射回波信号光经过光环形器输入到所述平衡探测模块中。
4.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述平衡探测模块包括光耦合分束器与平衡探测器，所述光耦合分束器用于接收所述B光束与所述散射信号光，并将所述B光束与所述散射信号光做混频处理，并将混频后的光信号输入到所述平衡探测器中；
所述平衡探测器用于将所述混频后的光信号转换为多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移的电信号输入到所述信号处理模块中。
5.根据权利要求4所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述望远镜组至少包括三个望远镜，且每个望远镜指向不同的方向。
6.根据权利要求5所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述望远镜的焦距调节范围为5m～200m。
7.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，其特征在于，所述信号处理模块包括数据采集卡与数据处理板，所述数据采集卡用于采集所述平衡探测器模块中处理得到的多普勒频移电信号，并将所述多普勒频移电信号转换为数字信号，将所述数字信号输入到所述数据处理板中；
所述数据处理板用于对所述数字信号进行处理，获得待观测大气的视向风速信息。
8.一种基于连续激光的多普勒测风方法，其特征在于，所述测风方法采用如权利要求1～7任一所述的一种基于连续激光的多普勒测风雷达***，方法步骤包括：
开启雷达***，并调剂激光器输出的激光功率在30mW～40mW之间；
调节声光调制器对激光的移频为80MHz；
调节光纤放大器，使得光纤放大器的输出光功率为200mW；
分别调节望远镜组中的望远镜的焦距依次为10m、20m、50m、100m，并将望远镜与水平面的俯仰角为10°射向大气中进行风速测试，获得待观测大气的风速信息。
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