CN117250634B - 平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达 - Google Patents

平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达，涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，光纤激光器发射激光，发射光的偏振特性经过基于电压控制的液晶相位延时器控制，先后由第二偏振分光棱镜反射、透射到达第一与第二发射支路，经望远镜扩束整型后射入不同方向的大气中，与大气成分相互作用，产生后向散射信号。望远镜先后接收两个相互正交方向的回波信号进入接收光路，信号光进入多普勒频率检测装置后，两个信号通道的光强会随着多普勒频移量的大小发生变化，将信号频率变化转变成能量变化，由探测器和信号采集***接收，分别反演得到两个相互正交方向上的风速，矢量合成水平风场信息。本发明提高了全天探测的性能。

Description

平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达
技术领域
本发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，具体涉及平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达。
背景技术
平流层与对流层之间有着活跃的大气质量与成分交换，以及复杂的动力辐射耦合，对对流层的气候变化有着十分重要的影响。平流层的大气风场探测对于大气动力学研究具有重要的科学意义，也是航空航天与临近空间飞行环境安全保障的重要基础。
目前，平流层风速测量现有技术主要是浮空平台搭载声波测风仪和地基测风激光雷达。声波测风仪是利用发射声波信号和接受声波信号的时间差结合声波在空气中传播速度计算出风速大小，而声速受到温度影响大，造成该方法测量精度低。激光雷达测风技术是一种先进的光学主动遥感技术，相比较其他探测手段，其具有角度方位精准、体积小机动性强、时空分辨率高、探测范围大，同时可以探测大气三维风场等优点。地基测风激光雷达利用激光器发射激光，经过扩束准直之后射向大气，经过大气的衰减，被大气中的粒子散射，然后接收光学***接收粒子的后向散射信号，通过光电探测器光电转换，最终对回波信号采集计算并进行数据处理得到风速信息。地基测风激光雷达在白天观测时因天空背景噪声强导致信噪比低，测量精度不高，并且测量方向单一，如果利用干涉滤光片和F-P标准具组成的超窄带滤光片抑制天空背景噪声和利用机械转台或扫描镜测量多个径向风速，易造成光学结构复杂，成本高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达，其为一种无扫描、无盲区探测平流层风场信息的激光雷达装置，能够利用基于电压控制的液晶相位延时器改变光束偏振特性，实现光路探测方向的控制，且结构简单，实现成本低。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达装置包括：发射光路、校准光路与接收光路。其中发射光路从左往右依次为光纤激光器、扩束镜、第一偏振分光棱镜。发射光路通过基于电压控制的液晶相位延时器和第二偏振分光棱镜分为第一发射支路和第二发射支路。第一发射支路和第二发射支路共用液晶相位延时器和第二偏振分光棱镜，其中第一发射支路包括依次设置的第一四分之一波片、第一望远镜；第二发射支路包括依次设置的第二四分之一波片、第二望远镜。校准光路是从发射光路中光纤激光器并依次经过扩束镜、第一偏振分光棱镜、第三四分之一波片、分束棱镜、法布里-珀罗标准具、第一与第二耦合透镜、以及第一与第二信号通道探测器；接收光路的输入由发射光路中第一、第二望远镜接收并依次经过第一、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第四四分之一波片、直角反射镜、干涉滤光片，还包括与校准光路共用分束棱镜、法布里-珀罗标准具、第一与第二耦合透镜、以及第一与第二信号通道探测器。
其中光纤激光器用于输出脉冲线偏振光；扩束镜用于将激光脉冲光进行扩束且压缩发散角；偏振分光棱镜只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发生反射；基于电压控制的液晶相位延时器改变入射光的偏振态，结合偏振分光棱镜组成光开关实现无扫描双径向风速的探测；四分之一波片用于调整发射激光和大气后向散射光的偏振态；望远镜采用收发同轴设计可以尽可能地减小激光雷达***盲区，有效地扩大了探测范围；反射镜用于将大气后向散射光发射进入干涉滤光片；干涉滤光片用于将接收回波信号超窄带滤波；分光棱镜用于将信号分束传至法布里-珀罗标准具两个信号通道法布里-珀罗标准具作为窄带鉴频器将接收回波信号进行多普勒鉴频，反演出大气风速；耦合透镜用于将接收回波信号耦合至光电探测器。校准光路用于出射激光频率锁定和零多普勒频率校准，接受光路先后接收两个发射支路的大气回波信号，计算两个正交方向上的风速，合成水平风场信息。
本装置是平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达，光纤激光器发射激光，发射光的偏振特性经过基于电压控制的液晶相位延时器控制，先后由第二偏振分光棱镜反射、透射到达第一与第二发射支路，经望远镜扩束整型后射入不同方向的大气中，与大气成分相互作用，产生后向散射信号。望远镜先后接收两个相互正交方向的回波信号进入接收光路，信号光进入多普勒频率检测装置后，两个信号通道的光强会随着多普勒频移量的大小发生变化，将信号频率变化转变成能量变化，由探测器和信号采集***接收，分别反演得到两个相互正交方向上的风速，矢量合成水平风场信息。
有益效果：
本发明使用基于高压控制的液晶相位延时器控制光束偏振特性，实现无扫描双径向风速的快速测量，采用收发合置的望远镜设计，接收视场角较小，无探测盲区，提高了全天探测的性能，具体具有如下优点：
（1）本发明采用可调谐种子注入式半导体泵浦的 Nd:YAG 光纤激光器，它的基频输出波长1064nm，经过二倍频后，输出波长532nm 的激光。效率高、功率稳定、寿命长脉宽小、环境适应性强、体积小，保证了测量精度，大大降低了整个***所占空间，可应用在对体积要求较高的场合。
（2）本发明实现平流层无扫描双径向风速的快速测量，通过基于电压控制的液晶相位延时器改变入射光的偏振特性，控制探测方向。不给液晶相位延时器提供电压时，入射光束变为振动方向在垂直方向的线偏振光，经过第二偏振分光棱镜被反射进入第一发射支路；给液晶相位延时器提供25V电压时，入射光束变为振动方向在水平方向的线偏振光，经过第二偏振棱镜被透射进入第二发射支路，即可实现两个相互正交方向的风速探测。
（3）本发明的***无探测盲区，由于太阳天空背景的影响，激光雷达在白天工作的性能将会变差，而望远镜采用收发同置直接探测的方法，使用同轴透射式结构，收发同轴因而无需调节同轴，具有结构简单，光路稳定性高等优点。同时本发明直接探测水平方向且接收视场角较小，有效避开垂直方向太阳背景的影响，提高激光雷达信号的接收效率。
附图说明
图1为本发明的平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达的光路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达包括：可调谐脉冲光纤激光器1、扩束镜2、第一偏振分光棱镜3、液晶相位延时器4、第二偏振分光棱镜5、第一四分之一波片6、第一望远镜7、第二四分之一波片8、第二望远镜9、第三四分之一波片10、第四四分之一波片11、直角反射镜12、干涉滤光片13、分光棱镜14、法布里-珀罗标准具15、第一耦合透镜16、第一信号通道探测器17、第二耦合透镜18、第二信号通道探测器19。
本发明的平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达主要包括发射光路、校准光路与接收光路。
所述发射光路中，依次设置可调谐脉冲光纤激光器1、扩束镜2、第一偏振分光棱镜3，发射光路中的发射信号通过基于电压控制的液晶相位延时器4和第二偏振分光棱镜5组成的光开关分成第一发射支路和第二发射支路。第一发射支路和第二发射支路共用液晶相位延时器4和第二偏振分光棱镜5，其中第一发射支路包括依次设置第一四分之一波片6和第一望远镜7；第二发射支路包括依次设置的第二四分之一波片8和第二望远镜9。
所述校准光路的输入信号为由发射光路中的激光依次经过扩束镜2、第一偏振分光棱镜3反射的出射激光信号；校准光路包括依次设置的第三四分之一波片10、分光棱镜14、法布里-珀罗标准具15、第一耦合透镜16与第二耦合透镜18、以及第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19。
所述接收光路的输入信号先由发射光路中第一发射支路的第一望远镜7接收并依次经过第一四分之一波片6、第二偏振分光棱镜5透射形成回波信号，回波信号再依次经过第四四分之一波片11、直角反射镜12、干涉滤光片13；后由第二发射支路的第二望远镜9接收并依次经过第二四分之一波片8、第二偏振分光棱镜5反射的回波信号，再依次经过第四四分之一波片11、直角反射镜12、干涉滤光片13；还包括与校准光路共用的分光棱镜14、法布里-珀罗标准具15、第一耦合透镜16与第二耦合透镜18、以及第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19。
本发明的工作过程分为以下4个阶段：
阶段1、可调谐脉冲光纤激光器1输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲过程：可调谐脉冲光纤激光器1采用1064nm可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd:YAG 光纤激光器，经过二倍频转换后输出532nm的可调谐的线偏振激光脉冲，功率为500mW，脉冲能量为10uJ，谱线宽度为400MHz，脉冲重复频率为50KHz，发散角为1.5mrad，光斑直径约1mm，可调谐脉冲光纤激光器1可根据工控机发送的指令调节发射激光的中心波长，用于按照周期性地向大气环境发射532nm波长的激光。可调谐脉冲光纤激光器1采用可调谐脉冲激光器，窄线宽、高度集成、体积小、全封闭光路的激光器运转更加可靠，环境适应性强，可在比较恶劣的环境下长时间稳定运转。
可调谐脉冲光纤激光器1出射532nm的线偏振光，经过扩束镜2扩束且压缩发散角以及第一偏振分光棱镜3，然后通过基于电压控制的液晶相位延时器4和第二偏振分光棱镜5组成的光学开关分成第一发射支路和第二发射支路。不给液晶相位延时器4电压时，发射光路经过第二偏振分光棱镜5被反射进入第一发射支路的第一四分之一波片6，由线偏振光变成圆偏振光，再经过第一望远镜7发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；给液晶相位延时器4 25V电压时，发射光路经过第二偏振分光棱镜5被透射进入第二发射支路的第二四分之一波片8，由线偏振光变成圆偏振光，再经过第二望远镜9发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。
阶段2、大气后向散射回波接收过程：出射激光的发射和后向散射激光的接收采用同一套装置，使得无探测盲区和接受视场角较小。在第一发射支路中，回波信号被第一望远镜7接收进入第一四分之一波片6，此时圆偏振光变成线偏振光且偏振方向和出射激光偏振方向成90°，在第二偏振分光棱镜5处发生透射进入接收光路；在第二发射支路中，回波信号被第二望远镜9接收进入第二四分之一波片8，此时圆偏振光变成线偏振光且偏振方向和出射激光偏振方向成90°，在第二偏振分光棱镜5处发生反射进入接收光路；然后经过直角反射镜12反射进入干涉滤光片13滤除背景光后导入分光棱镜14，将光束按50:50的比例分成两束，分别进入法布里-珀罗标准具15的第一信号通道和第二信号通道，最终第一信号通道的出射光被第一耦合透镜16耦合进第一信号通道探测器17进行探测，第二信号通道的出射光被第二耦合透镜18耦合进第二信号通道探测器19进行探测。
阶段3、出射激光频率监测过程：校准光路的输入由发射光路中的可调谐脉冲光纤激光器1并依次经过扩束镜2、第一偏振分光棱镜3反射的出射激光信号；校准光路包括依次设置的第三四分之一波片10、分光棱镜14、法布里-珀罗标准具15、第一耦合透镜16与第二耦合透镜18、以及第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19。校准光路用于出射激光频率锁定和零多普勒频率校准。
阶段4、风速采集处理过程：接收光路的后向散射光信号通过法布里-珀罗标准具15的第一信号通道和第二信号通道进行频谱分析，法布里-珀罗标准具15作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，包括第一信号通道与第二信号通道，光信号采用高量子效率的探测组件探测，探测器的电信号经过光子计数器采集送入计算机进行处理。当没有多普勒频移时，第一信号通道和第二信号通道得到的透过率相同，当回波信号相对出射激光产生第一信号通道和第二信号通道频移时，第一信号通道和第二信号通道的透过率不再相等，通过第一信号通道和第二信号通道的透过率之比从而计算出多普勒频移，即计算散射光和出射光的频率差值可得到实时风速，通过实时测量两个相互正交方向的风速，矢量合成水平风场信息。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达，其特征在于，包括发射光路、校准光路与接收光路；
所述发射光路中，依次设置可调谐脉冲光纤激光器、扩束镜、第一偏振分光棱镜，发射光路中的发射信号通过基于电压控制的液晶相位延时器和第二偏振分光棱镜组成的光开关分成第一发射支路和第二发射支路；第一发射支路和第二发射支路共用基于电压控制的液晶相位延时器和第二偏振分光棱镜，其中第一发射支路包括依次设置的第一四分之一波片和第一望远镜；第二发射支路包括依次设置的第二四分之一波片和第二望远镜；
所述校准光路的输入信号为由发射光路中的激光依次经过扩束、第一偏振分光棱镜反射的出射激光信号；校准光路包括依次设置的第三四分之一波片、分光棱镜、法布里-珀罗标准具、第一耦合透镜与第二耦合透镜、以及第一信号通道探测器与第二信号通道探测器；
所述接收光路的输入信号先由发射光路中第一发射支路的第一望远镜接收并依次经过第一四分之一波片、第二偏振分光棱镜透射形成回波信号，回波信号再依次经过第四四分之一波片、直角反射镜、干涉滤光片；然后由第二发射支路的第二望远镜接收并依次经过第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜反射形成另一回波信号，另一回波信号再依次经过第四四分之一波片、直角反射镜、干涉滤光片；所述接收光路还包括与校准光路共用的分光棱镜、法布里-珀罗标准具、第一耦合透镜与第二耦合透镜、以及第一信号通道探测器与第二信号通道探测器；
所述可调谐脉冲光纤激光器产生的1064nm激光经过二倍频转换后输出532nm的可调谐的线偏振激光脉冲，功率为500mW，脉冲能量为10uJ，谱线宽度为400MHz，脉冲重复频率为50KHz，发散角为1.5mrad，光斑直径为1mm；
可调谐脉冲光纤激光器根据工控机发送的指令调节发射激光的中心波长，用于周期性地向大气环境发射532nm波长的激光；
实现平流层无扫描结构水平风场的快速测量：通过基于电压控制的液晶相位延时器改变入射光的偏振特性，控制出射光探测方向；
不给液晶相位延时器提供电压时，入射光束变为振动方向在垂直方向的线偏振光，经过第二偏振分光棱镜被反射进入第一发射支路；给液晶相位延时器提供25V电压时，入射光束变为振动方向在水平方向的线偏振光，经过第二偏振棱镜被透射进入第二发射支路，即实现两个相互正交方向的径向风速探测。
2.根据权利要求1所述的平流层无扫描无盲区风场探测激光雷达，其特征在于，所述可调谐脉冲光纤激光器采用1064nm可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd:YAG 光纤激光器。
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