一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达

摘要

本发明公开了一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达，其主要包括：光源发射模块(L)、偏振混频模块(S、P)和信号处理模块15。通过偏振混频模块(S、P)中的偏振分束器将回波信号分为S偏振和P偏振光，通过四分之一波片将线偏本振光变为圆偏光，再使用偏振分束器将圆偏光分为S偏振和P偏振光，分别与对应偏振态的信号光进行拍频。本发明公开的方案可以提高相干测风激光雷达的回波信号利用率，提高了相干测风激光雷达的性能；通过测量不同偏振态的信号，实现气溶胶退偏振比的测量，实现相干测风激光雷达对气溶胶状况的检测。

权利要求

1.一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达，其特征在于，包括：信号发生器(1)、连续波激光器(2)、分光片(3)、声光调制器AOM(4)、放大器(5)、三端口环形器(6)、收发望远镜(7)、偏振分束器A(8)、反射镜A(9)、四分之一波片(10)、偏振分束器B(11)、反射镜B(12)、平衡探测器A(13)、平衡探测器B(14)以及采集卡和数据处理模块(15)；其中：所述信号发生器(1)接连续波激光器(2)和AOM(4)的触发端口，连续波激光器(2)出光口接分光片(3)，分光片(3)将激光分为信号光和本振光；其中的信号光接AOM(4)的入光口，本振光接四分之一波片(10)；

AOM(4)的出光口通过放大器(5)接三端口环形器(6)的a端口，三端口环形器(6)的b端口接收发望远镜(7)，c端口接偏振分束器A(8)，偏振分束器A(8)出光口接入平衡探测器A(13)，以及经反射镜A(9)接平衡探测器B(14)；

四分之一波片(10)出射口接入偏振分束器B(11)，偏振分束器B(11)出光口接入平衡探测器A(13)，以及经反射镜B(12)平衡探测器B(14)；

平衡探测器A(13)与平衡探测器B(14)的输出端接采集卡和数据处理模块(15)；

工作过程包括：

信号发生器(1)控制连续波激光器(2)出光，同时对AOM(4)进行调制；连续波激光器(2)出射的线偏振连续激光经分光片(3)后，分为信号光和本振光；

其中的信号光进入AOM(4)进行调制，并经放大器(5)进行放大，经三端口环形器(6)的a端口进入收发望远镜(7)出射到大气；其中的本振光，经四分之一波片(10)后，线偏振光转为圆偏振光，圆偏振光经偏振分束器B(11)后，分成S偏振本振光和P偏振本振光，S偏振本振光经反射镜B(12)输入至平衡探测器A(13)，P偏振本振光直接输入至平衡探测器B(14)；

放大后的信号光经大气作用后产生的后向散射信号经收发望远镜(7)接收，从三端口环形器(6)的b口入射，经c口出射，由于气溶胶的不规则形状导致的退偏振效应，回波信号包含有不同偏振态，经偏振分束器A(8)分束后，S偏振信号光直接平衡探测器A(13)，P偏振信号光经反射镜A(9)输入至平衡探测器B(14)；

由平衡探测器A(13)对输入的S偏振信号光与S偏振本振光进行拍频，由平衡探测器B(14)对输入的P偏振信号光与P偏振本振光进行拍频；

平衡探测器A(13)与平衡探测器B(14)的处理结果输入至采集卡和数据处理模块(15)进行处理并进行风场数据反演。

说明书

一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达

技术领域

[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达。

背景技术

[0002] 精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。传统相干测风激光雷达基本结构如图1：连续波激光器产生中心频率为υ0的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υM的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υd，则回波信号中心频率为υ0+υM+υd，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υM+υd的IF电信号，再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。

[0003] 偏振激光雷达通过测量不同线偏振态的回波信号，可以反演线性退偏振比。退偏比与大气气溶胶成分相关。在不规则颗粒物含量较少的干洁大气中，退偏比接近0，在含有较多盐粒结晶的海洋表面，其会显著上升，在空气严重污染和沙尘暴等情况下，其值为0.2-0.3，极端情况下可达0.4。因此通过测量退偏比，可以确定大气气溶胶种类和判断大气污染情况。

[0004] 在直接探测测风激光雷达领域，自Scholand和Sassen在1971年发表了利用偏振激光雷达对云进行探测研究的文章之后，直接探测偏振激光雷达用于大气探测已经有40多年历史。近些年来，为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间分布和时间演变资料的需求，全球先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网(如EARLINET、AD-Net等)、全球大气气溶胶激光雷达观测网(GALION)和星载激光雷达(CALIPSO)。根据2008年世界气象组织(WMO)发布的GAW Report No.178文件中明确指出，Mie散射激光雷达，偏振激光雷达和多波长Raman激光雷达可以用于气溶胶种类的反演。其中，偏振Mie散射激光雷达已经有成熟商业化产品，如国际上的微脉冲激光雷达网(MPLNET)、亚洲沙尘网(AD-Net)和星载激光雷达CALIOP，平流层气溶胶的测量目前也主要依靠Mie散射激光雷达。

[0005] 在相干探测测风激光雷达领域，1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。但是，以上传统相干测风激光雷达都只能测量与本振光偏振态一致的单一偏振态回波信号，无法测量大气退偏振比，因此目前国际和国内还没有使用相干测风激光雷达测量大气退偏振比研究的报道。传统相干测风激光雷达存在以下问题：

[0006] 1)在相干测风激光雷达系统中，相干拍频的必要条件之一为信号光和本振光处于同一偏振态，但由于气溶胶退偏振效应，回波信号不再是线偏振光，从而导致传统相干测风激光雷达的部分回波信号的偏振态与本振激光偏振态不同，所以造成回波信号的损失。

[0007] 2)因为退偏振比与气溶胶的情况有关，所以传统相干测风激光雷达信号无法反映出气溶胶情况。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达，可以提高相干测风激光雷达的回波信号利用率，提高了相干测风激光雷达的性能；通过测量不同偏振态的信号，实现气溶胶退偏振比的测量，实现相干测风激光雷达对气溶胶状况的检测。

[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0010] 一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达，包括：信号发生器1、连续波激光器2、分光片3、声光调制器AOM 4、放大器5、三端口环形器6、收发望远镜7、偏振分束器A 8、反射镜A 9、四分之一波片10、偏振分束器B 11、反射镜B12、平衡探测器A 13、平衡探测器B 14以及采集卡和数据处理模块15；其中：

[0011] 所述信号发生器1接连续波激光器2和AOM4的触发端口，连续波激光器2出光口接分光片3，分光片3将激光分为信号光和本振光；其中的信号光接AOM 4的入光口，本振光接四分之一波片10；

[0012] AOM 4的出光口通过放大器5接三端口环形器6的a端口，三端口环形器6的b端口接收发望远镜7，c端口接偏振分束器A8，偏振分束器A8出光口接入平衡探测器A 13，以及经反射镜A9接平衡探测器B 14；

[0013] 四分之一波片10出射口接入偏振分束器B 11，偏振分束器B 11出光口接入平衡探测器A 13，以及经反射镜B 12平衡探测器B 14；

[0014] 平衡探测器A 13与平衡探测器B 14的输出端接采集卡和数据处理模块15。

[0015] 工作过程包括：

[0016] 信号发生器1控制连续波激光器2出光，同时对AOM 4进行调制；连续波激光器2出射的线偏振连续激光经分光片3后，分为信号光和本振光；

[0017] 其中的信号光进入AOM 4进行调制，并经放大器5进行放大，经三端口环形器6的a端口进入收发望远镜7出射到大气；其中的本振光，经四分之一波片10后，线偏振光转为圆偏振光，圆偏振光经偏振分束器B 11后，分成S偏振本振光和P偏振本振光，S偏振本振光经反射镜B 12输入至平衡探测器A 13，P偏振本振光直接输入至平衡探测器B 14；

[0018] 放大后的信号光经大气作用后产生的后向散射信号经收发望远镜7接收，从三端口环形器6的b口入射，经c口出射，由于气溶胶的不规则形状导致的退偏振效应，回波信号包含有不同偏振态，经偏振分束器A 8分束后，S偏振信号光直接平衡探测器A 13，P偏振信号光经反射镜A 9输入至平衡探测器B 14；

[0019] 由平衡探测器A 13对输入的S偏振信号光与S偏振本振光进行拍频，由平衡探测器B 14对输入的P偏振信号光与P偏振本振光进行拍频；

[0020] 平衡探测器A 13与平衡探测器B 14的处理结果输入至采集卡和数据处理模块15进行处理并进行风场数据反演。

[0021] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用偏振分束器A将大气回波信号分为S偏振信号光和P偏振信号光；采用四分之一波片，将线偏振本振光转化为圆偏振本振光，并通过偏振分束器B得到S偏振本振光和P偏振本振光；并将相同偏振态的本振光与信号光接入平衡探测器进行混频，相对于非偏振混频相干测风激光雷达，提高了回波信号的利用率；此外，通过测量不同偏振态的信号强度，可以测量气溶胶的退偏振比，从而可以实现相干测风激光雷达对气溶胶情况的检测。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

[0023] 图1为本发明背景技术提供的传统相干测风激光雷达的示意图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达的示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0026] 图2为本发明实施例提供的一种同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达的示意图。其主要包括：光源发射模块(L)、偏振混频模块(S、P)和信号处理模块15。通过偏振混频模块(S、P)中的偏振分束器将回波信号分为S偏振和P偏振光，通过四分之一波片将线偏本振光变为圆偏光，再使用偏振分束器将圆偏光分为S偏振和P偏振光，分别与对应偏振态的信号光进行拍频。

[0027] 所述的光源发射模块(L)包括：信号发生器1、连续波激光器2、分光片3、声光调制器(AOM)4、放大器5、三端口环形器6、收发望远镜7；所述偏振混频模块(S、P)包括：偏振分束器A8、反射镜A9、四分之一波片10、偏振分束器B 11、反射镜B 12、平衡探测器A 13、平衡探测器B 14以及采集卡；其中：

[0028] 所述信号发生器1接连续波激光器2和AOM 4的触发端口，连续波激光器2出光口接分光片3，分光片3将激光分为信号光和本振光；其中的信号光接AOM 4的入光口，本振光接四分之一波片10；

[0029] AOM 4的出光口通过放大器5接三端口环形器6的a端口，三端口环形器6的b端口接收发望远镜7，c端口接偏振分束器A 8，偏振分束器A8出光口接入平衡探测器A 13，以及经反射镜A9接平衡探测器B 14；

[0030] 四分之一波片10出射口接入偏振分束器B 11，偏振分束器B 11出光口接入平衡探测器A 13，以及经反射镜B 12平衡探测器B 14；

[0031] 平衡探测器A 13与平衡探测器B 14的输出端接采集卡和数据处理模块15。

[0032] 基于上述结构，该同时探测大气风速和退偏振比的相干激光雷达的工作过程如下：

[0033] 信号发生器1控制连续波激光器2出光，同时对AOM 4进行调制；连续波激光器2出射的线偏振连续激光经分光片3后，分为信号光和本振光；

[0034] 其中的信号光进入AOM 4进行调制，并经放大器5进行放大，经三端口环形器6的a端口进入收发望远镜7出射到大气；其中的本振光，经四分之一波片10后，线偏振光转为圆偏振光，圆偏振光经偏振分束器B 11后，分成S偏振本振光和P偏振本振光，S偏振本振光经反射镜B 12输入至平衡探测器A 13，P偏振本振光直接输入至平衡探测器B 14；

[0035] 放大后的信号光经大气作用后产生的后向散射信号经收发望远镜7接收，从三端口环形器6的b口入射，经c口出射，由于气溶胶的不规则形状导致的退偏振效应，回波信号包含有不同偏振态，经偏振分束器A 8分束后，S偏振信号光直接平衡探测器A 13，P偏振信号光经反射镜A 9输入至平衡探测器B 14；

[0036] 由平衡探测器A 13对输入的S偏振信号光与S偏振本振光进行拍频，由平衡探测器B 14对输入的P偏振信号光与P偏振本振光进行拍频；

[0037] 平衡探测器A 13与平衡探测器B 14的处理结果输入至采集卡和数据处理模块15进行处理并进行风场数据反演。

[0038] 本发明实施例的上述方案中，采用偏振分束器A将大气回波信号分为S偏振信号光和P偏振信号光；采用四分之一波片，将线偏振本振光转化为圆偏振本振光，并通过偏振分束器B得到S偏振本振光和P偏振本振光；并将相同偏振态的本振光与信号光接入平衡探测器进行混频，相对于非偏振混频相干测风激光雷达，提高了回波信号的利用率；此外，通过测量不同偏振态的信号强度，可以测量气溶胶的退偏振比，从而可以实现相干测风激光雷达对气溶胶情况的检测。

[0039] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。