CN115436971A - 基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法 - Google Patents

基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法，该***包括种子激光器、光纤分束器、第一环形器、声光调制器、声光驱动器、第二环形器、第一光纤放大器、第二光纤放大器、第三环形器、望远镜、3dB耦合器及平衡探测器。本发明中的测风激光雷达光学***，采用单个声光可实现高消光比，相较于常规双声光级联方案的测风激光雷达***，减少了一套声光，降低了雷达***成本，缩小了体积，减小了***功耗；此外，本发明中信号光两次通过声光调制器之间加入环形放大光路，与声光的关断功能相配合，抑制了两脉冲间隔之间的基底部分放大时产生的ASE，降低了***噪声。

Description

基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体来说，涉及基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法。
背景技术
测风激光雷达用于大气风场测量，通过测量不同区域内气溶胶粒子多普勒频移来反演风速，测风激光雷达***中声光调制器为核心光学器件，起到移频和斩波作用。测风激光雷达采用相干探测体制，能达到量子噪声极限水平探测，因此微弱杂散光脉冲与本振光拍频后会干扰有效信号探测。声光调制器把连续激光调制成脉冲光时，由于单个声光驱动器关断比不够，会存在脉冲泄露问题，与本振光拍频后会产生异常频谱，干扰信号光探测。为了解决该问题，目前主要存在以下两种方案：
第一种方案是提高声光驱动器关断比，同时配合高回损光开关，使其拍频谱处于散粒噪声极限水平，但该方案对声光驱动器电路设计要求高，同时高回损光开关价格昂贵。
第二种方案是采用级联声光调制器的方法，***方案中级联两个声光调制器，用后一个声光调制器当作光开关来关断泄露脉冲。该方案的***框图如图2所示，种子激光器发射单频连续激光，经过声光调制器1斩波成脉冲光，然后经过光纤放大器1将脉冲光放大，之后经过声光调制器2，充当光开关，将主脉冲后面的泄露脉冲关闭掉。之后经过光纤放大器2，将脉冲功率提升至测风雷达探测距离所需功率水平，经过望远镜发射到空气中。返回光经过望远镜接收后，通过环形器传到至3dB耦合器，与种子激光器分出来的本振光拍频后传输到平衡探测器得到移频信号。如果采用单声光方案，声光调制器1的泄露脉冲经过放大模块1，2光放大，然后经过环形器1端口到3端口的串扰，输出跳线端面的反射，传输至3dB耦合器后与本振光拍频，得到异常频谱。采用声光调制器2级联后，一般商用的声光消光比为50-60dB，泄露脉冲得到抑制，能有效消除异常频谱。该方案优点是技术难度低，工程化好实现，缺点是双声光方案，增加了雷达***成本，同时也增加了雷达***体积和功耗，不利于测风激光雷达***的低功耗和小型化设计。因此为了降低测风激光雷达***成本，缩小体积，降低功耗，需要一种新的声光方案。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，包括：
种子激光器，用于发射单频连续激光；
光纤分束器，用于将单频连续激光分为一束本振光和一束信号光；
第一环形器，用于将信号光传输至声光调制器及第二光纤放大器；
声光调制器，用于进行光脉冲调制处理；
声光驱动器，用于将射频信号加载到声光调制器，并对连续激光进行移频和斩波；
第二环形器，用于在声光调制器及第一光纤放大器之间实现信号光的传输；
第一光纤放大器，用于对第二环形器传输而来的信号光进行预放大；
第二光纤放大器，用于将光脉冲放大至雷达探测距离所需的功率水平；
第三环形器，用于将放大后的光脉冲传输至望远镜，还用于将移频脉冲回光传输至3dB耦合器；
望远镜，用于将放大后的光脉冲扩束后发射至空气中，还用于接收移频脉冲回光；
3dB耦合器，用于接收移频脉冲回光和种子激光器分出来的本振光，并将移频脉冲回光与本振光拍频后传输到平衡探测器；
平衡探测器，用于对拍频信号进行处理，得到移频信号；
其中，种子激光器、光纤分束器、第一环形器、第二光纤放大器、第三环形器及望远镜从左至右依次连接；
声光调制器分别与第一环形器、声光驱动器及第二环形器连接，第二环形器还与第一光纤放大器连接；
3dB耦合器分别与光纤分束器、第三环形器及平衡探测器连接。
进一步的，第一环形器的第一端口与光纤分束器的输出端连接，第一环形器的第二端口与声光调制器的输入端连接，第一环形器的第三端口与第二光纤放大器的输入端连接。
进一步的，第二环形器的第二端口与声光调制器的输出端连接，第二环形器的第三端口与第一光纤放大器的输入端连接，第一光纤放大器的输出端与第二环形器的第一端口连接。
进一步的，第三环形器的第一端口与第二光纤放大器的输出端连接，第三环形器的第二端口与望远镜的输入端连接，第三环形器的第三端口与3dB耦合器的输入端连接。
进一步的，声光驱动器通过声光调制器内部的换能器实现单次移频，且通过声光驱动器的电信号关断将连续激光转换成脉冲激光。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，该使用方法包括以下步骤：
S1、通过种子激光器发射单频连续激光，并利用光纤分束器分为一束本振光和一束信号光；
S2、利用第一环形器将连续单频激光传输至声光调制器，并通过声光驱动器将射频信号加载至声光调制器，对连续激光进行移频和斩波；
S3、通过第一光纤放大器对脉冲激光进行预放大，并依次通过第二环形器、声光调制器及第一环形器将放大后的脉冲激光传输至第二光纤放大器；
S4、通过第二光纤放大器将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平，并依次通过第三环形器、望远镜将扩束后的脉冲激光发射至空气中；
S5、利用望远镜接收移频脉冲回光，通过第三环形器传输至3dB耦合器与本振光拍频，并经过平衡探测器处理得到移频信号。
进一步的，所述利用第一环形器将连续单频激光传输至声光调制器包括以下步骤：
连续单频激光由第一环形器的第一端口入射到第一环形器的第二端口，第一环形器的第二端口将连续单频激光传输至声光调制器。
进一步的，所述通过第一光纤放大器对脉冲激光进行预放大包括以下步骤：
声光调制器的输出端与第二环形器的第二端口相连，脉冲激光由第二环形器的第二端口传输至第三端口后，进入第一光纤放大器预放大。
进一步的，所述通过第二光纤放大器将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平包括以下步骤：
预放大的脉冲激光经第二环形器的第一端口传输至第二端口，再通过声光调制器后再经过第一环形器传输至第二光纤放大器，将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平。
进一步的，所述声光驱动器通过声光调制器内部的换能器实现单次移频，且通过声光驱动器的电信号关断将连续激光转换成脉冲激光。
本发明的有益效果为：
1)本发明中的测风激光雷达光学***，采用单个声光可实现高消光比。相较于常规双声光级联方案的测风激光雷达***，减少了一套声光，降低了雷达***成本，缩小了体积，减小了***功耗。
2)本发明中信号光两次通过声光调制器之间加入环形放大光路，与声光的关断功能相配合，抑制了两脉冲间隔之间的基底部分放大时产生的ASE，降低了***噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的结构框图；
图2是现有技术中基于级联声光方案的测风激光雷达光学***的结构框图。
图中：
1、种子激光器；2、光纤分束器；3、第一环形器；4、声光调制器；5、声光驱动器；6、第二环形器；7、第一光纤放大器；8、第二光纤放大器；9、第三环形器；10、望远镜；11、3dB耦合器；12、平衡探测器。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***及使用方法。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，包括种子激光器1、光纤分束器2、第一环形器3、声光调制器4、声光驱动器5、第二环形器6、第一光纤放大器7、第二光纤放大器8、第三环形器9、望远镜10、3dB耦合器11及平衡探测器12；
其中，种子激光器1用于发射单频连续激光；光纤分束器2用于将单频连续激光分为一束本振光和一束信号光；第一环形器3用于将信号光传输至声光调制器及第二光纤放大器；声光调制器4用于进行光脉冲调制处理；声光驱动器5用于将射频信号加载到声光调制器，并对连续激光进行移频和斩波；第二环形器6用于在声光调制器及第一光纤放大器之间实现信号光的传输；第一光纤放大器7用于对第二环形器传输而来的信号光进行预放大；第二光纤放大器8用于将光脉冲放大至雷达探测距离所需的功率水平；第三环形器9用于将放大后的光脉冲传输至望远镜，还用于将移频脉冲回光传输至3dB耦合器；望远镜10用于将放大后的光脉冲扩束后发射至空气中，还用于接收移频脉冲回光；3dB耦合器11用于接收移频脉冲回光和种子激光器分出来的本振光，并将移频脉冲回光与本振光拍频后传输到平衡探测器；平衡探测器12用于对拍频信号进行处理，得到移频信号。
具体使用时，包括以下步骤：种子激光器1发射单频连续激光，经过光纤分束器2后，一束作为本振光，另一束作为信号光，由第一环形器3的1端口入射到第一环形器3的2端口，第一环形器3的2端口与声光调制器4相连，将信号光传输至声光调制器4。声光驱动器5将射频信号加载到声光调制器4，对连续激光进行移频和斩波。声光调制器4的另一端与第二环形器6的2端口相连，光由第二环形器6的2端口传输至3端口后，进入第一光纤放大器7预放大，再经第二环形器6的1端口至2端口，再次通过声光调制器4。之后经过第一环形器3传输至第二光纤放大器8，将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平，经过第三环形器9，通过望远镜10扩束后发射至空气中。遇到气溶胶后，脉冲激光产生移频，移频脉冲回光经过望远镜10接收后，通过第三环形器9传输至3dB耦合器11，与本振光拍频，拍频信号经过平衡探测器12后得到移频信号。
本实施例中，通过第一环形器3、声光调制器4、第二环形器6和第一光纤放大器7的组合实现了声光双通方案，当第一环形器3将连续单频激光入射到声光调制器4时，声光驱动器5通过调制器里的换能器实现单次移频，同时通过声光驱动器5的电信号关断将连续激光转换成脉冲激光。移频脉冲光经过第二环形器6、第一光纤放大器7后再次传输到声光调制器4，实现二次移频，同时关断主脉冲后的次脉冲，从而通过单声光双通方案达到了双声光级联方案的消光比水平。
脉冲激光放大过程中，两个脉冲间隔之间的基底部分会产生ASE，经过放大器放大，然后经过环形器1端口到3端口的串扰，输出跳线端面的反射，传输至3dB耦合器后与本振光干涉，形成干涉噪声，进而增大***噪声。由于气溶胶表面的散射回波信号较弱，与本振光拍频后，微弱的拍频信号会淹没在***噪声中，导致无法测量风速。为降低由ASE产生的干涉噪声，本发明在信号光单次通过声光调制器后，利用环形放大光路，对信号光进行预放大，之后再次通过声光调制器，配合使用声光的关断功能，可以抑制两脉冲间隔之间的基底部分放大时产生的ASE。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明中的测风激光雷达光学***，采用单个声光可实现高消光比。相较于常规双声光级联方案的测风激光雷达***，减少了一套声光，降低了雷达***成本，缩小了体积，减小了***功耗。
此外，本发明中信号光两次通过声光调制器之间加入环形放大光路，与声光的关断功能相配合，抑制了两脉冲间隔之间的基底部分放大时产生的ASE，降低了***噪声。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，其特征在于，包括：
种子激光器(1)，用于发射单频连续激光；
光纤分束器(2)，用于将单频连续激光分为一束本振光和一束信号光；
第一环形器(3)，用于将信号光传输至声光调制器及第二光纤放大器；
声光调制器(4)，用于进行光脉冲调制处理；
声光驱动器(5)，用于将射频信号加载到声光调制器，并对连续激光进行移频和斩波；
第二环形器(6)，用于在声光调制器及第一光纤放大器之间实现信号光的传输；
第一光纤放大器(7)，用于对第二环形器传输而来的信号光进行预放大；
第二光纤放大器(8)，用于将光脉冲放大至雷达探测距离所需的功率水平；
第三环形器(9)，用于将放大后的光脉冲传输至望远镜，还用于将移频脉冲回光传输至3dB耦合器；
望远镜(10)，用于将放大后的光脉冲扩束后发射至空气中，还用于接收移频脉冲回光；
3dB耦合器(11)，用于接收移频脉冲回光和种子激光器分出来的本振光，并将移频脉冲回光与本振光拍频后传输到平衡探测器；
平衡探测器(12)，用于对拍频信号进行处理，得到移频信号；
其中，所述种子激光器(1)、所述光纤分束器(2)、所述第一环形器(3)、所述第二光纤放大器(8)、所述第三环形器(9)及所述望远镜(10)从左至右依次连接；
所述声光调制器(4)分别与所述第一环形器(3)、所述声光驱动器(5)及所述第二环形器(6)连接，所述第二环形器(6)还与所述第一光纤放大器(7)连接；
所述3dB耦合器(11)分别与所述光纤分束器(2)、所述第三环形器(9)及所述平衡探测器(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，其特征在于，所述第一环形器(3)的第一端口与所述光纤分束器(2)的输出端连接，所述第一环形器(3)的第二端口与所述声光调制器(4)的输入端连接，所述第一环形器(3)的第三端口与所述第二光纤放大器(8)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，其特征在于，所述第二环形器(6)的第二端口与所述声光调制器(4)的输出端连接，所述第二环形器(6)的第三端口与所述第一光纤放大器(7)的输入端连接，所述第一光纤放大器(7)的输出端与所述第二环形器(6)的第一端口连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，其特征在于，所述第三环形器(9)的第一端口与所述第二光纤放大器(8)的输出端连接，所述第三环形器(9)的第二端口与所述望远镜(10)的输入端连接，所述第三环形器(9)的第三端口与所述3dB耦合器(11)的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***，其特征在于，所述声光驱动器(5)通过所述声光调制器(4)内部的换能器实现单次移频，且通过所述声光驱动器(5)的电信号关断将连续激光转换成脉冲激光。
6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
S1、通过种子激光器发射单频连续激光，并利用光纤分束器分为一束本振光和一束信号光；
S2、利用第一环形器将连续单频激光传输至声光调制器，并通过声光驱动器将射频信号加载至声光调制器，对连续激光进行移频和斩波；
S3、通过第一光纤放大器对脉冲激光进行预放大，并依次通过第二环形器、声光调制器及第一环形器将放大后的脉冲激光传输至第二光纤放大器；
S4、通过第二光纤放大器将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平，并依次通过第三环形器、望远镜将扩束后的脉冲激光发射至空气中；
S5、利用望远镜接收移频脉冲回光，通过第三环形器传输至3dB耦合器与本振光拍频，并经过平衡探测器处理得到移频信号。
7.根据权利要求6所述的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，其特征在于，所述利用第一环形器将连续单频激光传输至声光调制器包括以下步骤：
连续单频激光由第一环形器的第一端口入射到第一环形器的第二端口，第一环形器的第二端口将连续单频激光传输至声光调制器。
8.根据权利要求6所述的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，其特征在于，所述通过第一光纤放大器对脉冲激光进行预放大包括以下步骤：
声光调制器的输出端与第二环形器的第二端口相连，脉冲激光由第二环形器的第二端口传输至第三端口后，进入第一光纤放大器预放大。
9.根据权利要求6所述的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，其特征在于，所述通过第二光纤放大器将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平包括以下步骤：
预放大的脉冲激光经第二环形器的第一端口传输至第二端口，再通过声光调制器后再经过第一环形器传输至第二光纤放大器，将光脉冲放大至雷达探测距离所需功率水平。
10.根据权利要求6所述的基于单声光实现高消光比的测风激光雷达***的使用方法，其特征在于，所述声光驱动器通过声光调制器内部的换能器实现单次移频，且通过声光驱动器的电信号关断将连续激光转换成脉冲激光。
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