一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法

摘要

本发明提供一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法，系统工作波长在1.5微米光通信波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件；测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器（FFPI）透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速。本发明只使用了一个单通道Fabry-Perot干涉仪，简化了光路结构，不仅降低了成本，而且减少了需要在校准过程中获得的校准系数的数量，避免了双边缘技术中鉴频器多个通道随振动和温差等环境变化引起的不同步变化，从而提高了系统稳定性。

权利要求

1.一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统，其特征在于，包括环行器(10)，连续激光器(11)，第一50/50分束器(12)，第一路的声光调制器AOM(13)，第二路的声光调制器AOM(14)，光纤耦合器(15)，光纤放大器EDFA(16)，延时光纤(21)，望远镜(22)，光纤Bragg光栅FBG(31)，第二50/50分束器(41)，光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI(42)，光纤Fabry-Perot干涉仪控制器(43)，第一单光子计数器SPCM(44)，第二单光子计数器SPCM(45)和计算机(46)，连续激光器(11)出射的连续光经过第一50/50分束器(12)后分成两路，两路的声光调制器AOM即第一路的声光调制器AOM(13)，第二路的声光调制器AOM(14)分别将激光调制为时域上的奇数脉冲和偶数脉冲，并分别将奇偶脉冲的激光频率调制到-AOM即-80MHz和AOM即80MHz的位置，两路经过调制的脉冲光通过光纤耦合器(15)后，进入光纤放大器EDFA(16)，经放大后的激光脉冲从A端口进入环行器(10)，从B端口出射后依次经过延时光纤(21)和望远镜(22)，入射到大气中；大气后向散射信号依次经过望远镜(22)和延时光纤(21)后，从B端口进入环行器(10)并从C端口出射，经过光纤Bragg光栅FBG(31)滤除背景后，从C端口进入环行器(10)并从D端口出射进入第二50/50分束器(41)，第二50/50分束器(41)将滤除背景后的大气后向散射信号分为两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI(42)后进入第一单光子计数器SPCM(44)检测信号强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器SPCM(45)检测大气后向散射信号强度，两个单光子计数器获得的数据传入计算机(46)中，计算机利用所得数据反演出径向风速。

2.根据权利要求1所述的一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统，其特征在于，经第一路的声光调制器AOM(13)调制后的激光占用奇数脉冲，频率位置在距离中心频率-AOM即-80MHz的位置；经第二路的声光调制器AOM(14)调制后的激光占用偶数脉冲，频率位置在距离中心频率AOM即80MHz的位置，在两个脉冲时间间隔内，延时光纤中的瑞利后向散射光首先进入FFPI中，由于延时光纤中的后向散射光没有多普勒频移，所以能够利用延时光纤中的瑞利后向散射信号来锁定FFPI的透过率曲线的中心位置；大气后向散射信号在延时光纤的后向散射信号之后进入FFPI中进行鉴频，利用奇偶脉冲的回波信号分别在FFPI透过率曲线的两个边缘上的透过率变化来获得多普勒频移，进而反演出径向风速。

3.一种利用权利要求1所述的基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统的测风方法，其特征在于，该测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器(FFPI)透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速，采用的FFPI的半高宽为150MHz，两工作波长分别位于FFPI透过率峰值左右两侧-80MHz和80MHz的位置。

说明书

一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风

方法

技术领域

[0001] 本发明属于直接探测测风激光雷达技术领域，具体涉及一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统及测风方法。

背景技术

[0002] 20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日趋成熟，直接探测技术以其独特的优势（空间时间分辨率高、测量精度高、空间覆盖范围大等）在测风激光雷达领域逐渐引起关注。

[0003] 1989年法国Chanin研究小组首次报道中层大气平均风场激光雷达的测量，该测风激光雷达系统采用FP（Fabry-Perot）标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气水平风速的一维分量，其工作波长为532nm，测量高度为25-60km，通过添加第四个指向北的望远镜，实现了平流层大气水平风速的测量。1993年Souprayen等人改进了系统，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷达，探测范围扩展为8-50km，垂直分辨率为150m。

[0004] 美国NASA在直接探测多普勒测风激光雷达系统的研究中也做了大量的研究工作。1992年，Korb等人提出了单边缘探测技术，1998年发展了双边缘探测技术，NASA Goddard航天中心从1995年开始论证和开展测风激光雷达研究，随后车载直接探测测风激光雷达研制成功。此系统采用双边缘直接探测技术，包含355nm分子接收通道和1064nm气溶胶接收通道。测量范围1.8-35km。

[0005] 国内的中国科学技术大学、中国海洋大学和中国科学院安徽光学精密机械研究所在该技术领域各有突破。2006年中国科学技术大学激光雷达课题组成功研制了一台可移动式低对流层风场观测系统，此系统采用适合星载激光雷达计划的、国际上先进的Fabry-Perot双边缘鉴频技术，探测距离在0.2-10km，距离分辨率为30m，速度精度4.5km处小于2m/s

[0006] 现有的采用FP标准具双边缘技术的直接探测测风激光雷达利用了两个鉴频通道中的FP标准具透过率边缘，相对于只有一个鉴频通道的系统来说，两个鉴频通道随环境的振动和温度变化所分别产生的不同步的变化会带来大于两个通道各自误差的系统误差。两个通道都需要在校正过程中获得两个校正系数，需要获得的校正系数数量的增多，带来了更大的系统误差。

发明内容

[0007] 现有的FP标准具双边缘技术利用了两个鉴频通道的透过率曲线边缘，两个鉴频通道随环境的振动和温度变化所分别产生的不同步的变化会带来大于两个通道各自误差的系统误差。并且，两个通道都需要在校正过程中获得两个校正系数，需要获得的校正系数数量的增多，带来了更大的系统误差。本发明只使用一个鉴频通道，基于双工作波长在透过率两侧边缘的变化，来获得多普勒频移，进而反演出风速，从而避免现有双边缘技术的两个通道所带来的系统误差。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统，包括环行器，连续激光器，第一50/50分束器，第一路的声光调制器AOM，第二路的声光调制器AOM，光纤耦合器，光纤放大器EDFA，延时光纤，望远镜，光纤Bragg光栅FBG，第二50/50分束器，光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI，光纤Fabry-Perot干涉仪控制器，第一单光子计数器SPCM，第二单光子计数器SPCM和计算机，连续激光器出射的连续光经过第一50/50分束器后分成两路，两路的声光调制器AOM即第一路的声光调制器AOM，第二路的声光调制器AOM分别将激光调制为时域上的奇数脉冲和偶数脉冲，并分别将奇偶脉冲的激光频率调制到-AOM（-80MHz）和AOM（80MHz）的位置，两路经过调制的脉冲光通过光纤耦合器后，进入光纤放大器EDFA，经放大后的激光脉冲从A端口进入环行器，从B端口出射后依次经过延时光纤和望远镜，入射到大气中；大气后向散射信号依次经过望远镜和延时光纤后，从B端口进入环行器并从C端口出射，经过光纤Bragg光栅FBG滤除背景后，从C端口进入环行器并从D端口出射进入第二50/50分束器，第二50/50分束器将滤除背景后的大气后向散射信号等比分为两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI后进入第一单光子计数器SPCM检测信号强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器SPCM检测大气后向散射信号强度，两个单光子计数器获得的数据传入计算机中，计算机利用所得数据反演出径向风速。

[0009] 其中，经第一路的声光调制器AOM调制后的激光占用奇数脉冲，频率位置在距离中心频率-AOM（-80MHz）的位置；经第二路的声光调制器AOM调制后的激光占用偶数脉冲，频率位置在距离中心频率AOM（80MHz）的位置，在两个脉冲时间间隔内，延时光纤中的瑞利后向散射光首先进入FFPI中，由于延时光纤中的后向散射光没有多普勒频移，所以能够利用延时光纤中的瑞利后向散射信号来锁定FFPI的透过率曲线的中心位置；大气后向散射信号在延时光纤的后向散射信号之后进入FFPI中进行鉴频，利用奇偶脉冲的回波信号分别在FFPI透过率曲线的两个边缘上的透过率变化来获得多普勒频移，进而反演出径向风速。

[0010] 本发明另外提供一种利用上述的基于双工作波长的直接探测测风激光雷达系统的测风方法，该测风方法采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器（FFPI）透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速，采用的FFPI的半高宽为150MHz，两工作波长分别位于FFPI透过率峰值左右两侧-80MHz和80MHz的位置。

[0011] 本发明的优点和积极效果为：

[0012] （1）、本发明公开一种工作波长在光通讯波段的基于双工作波长的直接探测测风方法和装置。由于光通信器件技术和工艺成熟，该激光雷达具有全光纤结构，体积小，重量轻，造价低的优点。由于其高度集成的全光纤链路结构没有任何空间光学器件，所以适合机载和舰载等强振动、大温差的恶劣环境。

[0013] （2）、本发明利用双工作波长的奇偶脉冲分别在同一个FFPI鉴频器的两个边缘的透过率变化来反演出多普勒频移，相对于双边缘的直接探测测风方法，本发明只使用了一个单通道Fabry-Perot干涉仪，简化了光路结构，不仅降低了成本，而且减少了需要在校准过程中获得的校准系数的数量，避免了双边缘技术中两个鉴频器随振动和温差等环境变化引起的不同步变化，从而提高了系统稳定性。

附图说明

[0014] 图1为双工作波长测风方法示意图；

[0015] 图2为双工作波长测风系统原理图；10为环行器，11为连续激光器，12为第一50/50分束器，13为第一路的声光调制器AOM，14为第二路的声光调制器AOM，15为光纤耦合器，16为光纤放大器EDFA，21为延时光纤，22为望远镜，31为光纤Bragg光栅FBG，41为第二50/50分束器，42为光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI，43为光纤Fabry-Perot干涉仪控制器，44为第一单光子计数器SPCM，45为第二单光子计数器SPCM，46为计算机；

[0016] 图3为双工作波长测风系统工作时序图。

具体实施方式

[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0018] 系统工作波长在1.5微米光通信波段，采用全光纤结构，没有空间光学元器件。测风方法示意图如图1所示，系统采用双工作波长，两个工作波长分别占用奇数脉冲和偶数脉冲，两工作波长频率位置分别位于光纤Fabry-Perot鉴频器（FFPI）透过率峰值左右两侧对称的位置，通过测量回波信号在透过率曲线两个边缘的透过率变化，得出多普勒频移，进而反演出径向风速。考虑到风速动态范围为-30～30m/s，在工作波长为1550nm下，由此引起的多普勒频移为-38.7～38.7MHz，基于以上考虑，FFPI的半高全宽应该大于（38.7+38.7）=77.4MHz。由于测量采用FFPI两侧边缘的线性区域，所以本发明采用的FFPI的半高宽为150MHz，两工作波长分别位于FFPI透过率峰值左右两侧-80MHz和80MHz的位置。

[0019] 系统原理图如图2所示，连续激光器11出射的连续光经过第一50/50分束器12后分成两路，两路的声光调制器即第一路的声光调制器AOM13和第二路的声光调制器AOM14分别将激光调制为时域上的奇数脉冲和偶数脉冲，如图3所示，并分别将奇偶脉冲的激光频率调制到-AOM（-80MHz）和AOM（80MHz）的位置，两路经过调制的脉冲光通过光纤耦合器15后，进入光纤放大器EDFA16，经放大后的激光脉冲从A端口进入环行器10，从B端口出射后依次经过延时光纤21和望远镜22，入射到大气中；大气后向散射信号依次经过望远镜22和延时光纤21后，从B端口进入环行器10并从C端口出射，经过光纤Bragg光栅FBG31滤除背景后，从C端口进入环行器10并从D端口出射进入第二50/50分束器41，分束器41将滤除背景后的后向散射信号等比分为两路，一路经过光纤Fabry-Perot干涉仪FFPI42后进入第一单光子计数器SPCM44检测信号强度，另一路作为能量检测通道，直接进入第二单光子计数器SPCM45检测大气后向散射信号强度，两个单光子计数器获得的数据传入计算机46中，计算机46利用所得数据反演出径向风速。

[0020] 系统工作时序图如图3所示，经第一路的声光调制器AOM13调制后的激光占用奇数脉冲，频率位置在距离中心频率-AOM（-80MHz）的位置；经第二路的声光调制器AOM14调制后的激光占用偶数脉冲，频率位置在距离中心频率AOM（80MHz）的位置。在两个脉冲时间间隔内，延时光纤中的瑞利后向散射光首先进入FFPI中，由于延时光纤中的后向散射光没有多普勒频移，所以可以利用延时光纤中的瑞利后向散射信号来锁定FFPI的透过率曲线的中心位置；大气后向散射信号在延时光纤的后向散射信号之后进入FFPI中进行鉴频，利用奇偶脉冲的回波信号分别在FFPI透过率曲线的两个边缘上的透过率变化来获得多普勒频移，进而反演出径向风速。

[0021] 风速的反演方法如下：

[0022] 光纤FP鉴频器的透过率函数为：

[0023]

[0024] 其中T0是透过率峰值，vFSR是自由谱间距，Δv1/2是半高全宽（FWHM），θMAX为半场视角。

[0025] 由于米散射光谱的频谱展宽很小，可以用出射激光的光谱函数fL(ν)来代替气溶胶后向散射信号的光谱函数fM(ν)：

[0026]

[0027] 其中，ΔνL为出射激光光谱的半高全宽。

[0028] 大气分子的瑞利散射的光谱函数满足高斯分布：

[0029]

[0030] 其中，ΔνR为瑞利散射光谱函数的半高全宽，ΔνR与温度满足如下关系：

[0031]

[0032] 其中k是玻尔兹曼常数，Ta是大气温度，M是大气分子平均质量，λ是出射激光波长。

[0033] 气溶胶信号的透过率函数为鉴频器透过率函数h(ν)和气溶胶光谱函数fM(ν)的卷积：

[0034]

[0035] 瑞利散射信号的透过率函数为鉴频器透过率函数h(ν)、出射激光光谱函数fL(ν)和瑞利散射光谱函数fR(ν)的卷积，结合气溶胶信号的透过率函数，可以写成：

[0036]

[0037] 如图1所示，当出射激光脉冲奇偶序列相对FFPI透过率中心频率分别为-80MHz和80MHz时，奇偶脉冲序列的大气后向散射经过FFPI后的信号强度可以分别表示为：

[0038] I1(ΔνD)＝a1[IM1TM(-νAOM+ΔνD)+IR1TR(-νAOM+ΔνD)] （7a）[0039] I2(ΔνD)＝a2[IM2TM(νAOM+ΔνD)+IR2TR(νAOM+ΔνD)] （7b）[0040] 其中νAOM=80MHz，该值由声光调制器AOM的驱动器决定，实验中，通过测量延时光纤中瑞利后向散射信号在FFPI上的透过率，可以将奇偶脉冲激光相对FFPI中心的频率分别锁定在±80MHz位置；ΔνD为多普勒频移；a1，a2为两工作波长下的校准常数；可在校准步骤中获得，由于奇偶脉冲经过的光路完全一致，光学接收系统的工作频率变化在±80MHz范围内，除了FFPI之外，其它光学器件响应函数不变，所以系统校准常数a1＝a2；IM1，IM2分别对应两工作波长下的气溶胶散射信号；IR1，IR2分别对应两工作波长下的瑞利散射信号。

[0041] 两个工作波长对应的能量检测通道的大气后向散射信号强度可以表示为：

[0042] IE1＝a3(IM1+IR1) （8a）

[0043] IE2＝a4(IM2+IR2) （8b）

[0044] 其中a3，a4为系统校准常数，同理，a3＝a4。

[0045] 在两个脉冲间隔时间内，激光雷达后向散射比为常数，即：

[0046]

[0047] 所以可以定义系数Rs：

[0048]

[0049] 利用式（8），（9）和a3＝a4可以解得：

[0050]

[0051]

[0052]

[0053] 可以利用延时光纤中的回波信号来获得出射激光频率位置和校准鉴频器透过率曲线位置。因为光纤的纯度较高，没有米散射，而引起光纤中瑞利散射的微小杂质、微尺度结构上的应力变化和结构不规则被固定在石英玻璃中，因此没有多普勒展宽。此时光纤中瑞利后向散射光谱函数可以被大气中气溶胶散射谱fM(ν)来代替，所以光纤中的瑞利后向散射信号的透过率函数为TM(ν)，而且光纤中的散射信号没有多普勒频移。因此根据公式（7），奇偶脉冲序列的延时光纤中瑞利后向散射信号经过FFPI的信号强度分别为：

[0054] I1(0)＝a1[IM1TM(-νAOM)] （11a）

[0055] I2(0)＝a1[IM2TM(νAOM)] （11b）

[0056] 奇偶脉冲序列的能量检测通道信号分别为：

[0057] IE1＝a3IM1 （12a）

[0058] IE2＝a3IM2 （12b）

[0059] 由两式可获得奇偶脉冲序列的延时光纤中瑞利后向散射信号经过FFPI的透过率：

[0060]

[0061]

[0062] 通过光纤Fabry-Perot干涉仪控制器43调整FFPI的腔长，使得奇偶激光脉冲导致的光纤后向散射透过率相等，即TM(-νAOM)＝TM(νAOM)，完成系统频率锁定。

[0063] 本方法利用气溶胶散射信号的多普勒频移来反演风速，因为瑞利散射的多普勒频移引起的透过率变化与气溶胶散射的多普勒频移引起的透过率变化是不一样的，所以可以通过双工作波长下的两个透过率变化将分子瑞利散射的影响消除。

[0064] 式（7）和式（10）组成非线性方程组，将式（10）带入式（7）中，将IR1、IM2和IR2用IM1来表示，得到带有两个未知数ΔνD和IM1的、由两个非线性方程组成的非线性方程组如下：

[0065]

[0066]

[0067] 使用数值迭代法来解非线性方程组（14），首先定义函数：

[0068]

[0069]

[0070] 根据相邻脉冲或者相邻高度所反演的ΔνD和IM1值作为迭代初始值，通过求解如下线性方程组得到ΔνD和IM1的校正值δνD和δIM1：

[0071]

[0072] 其中h＝100Hz，从而利用有限的差分近似来代替偏导 和 。根据上式解得的校正值δνD和δIM1，得到新的ΔνD和IM1：

[0073] ΔνD(N)＝ΔνD(N-1)+δνD （17a）

[0074] IM1(N)＝IM1(N-1)+δIM1 （17b）

[0075] 以此步骤迭代下去，直到ΔνD和IM1收敛或者迭代次数达到设定值。利用上述方法获得多普勒频移ΔνD后，根据下式反演出径向风速：

[0076]

[0077] 其中，c为光速，ν0为激光出射频率。