一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法，利用滤波器对频率具有过滤作用，将平衡探测器流出的电流分为两路，一路使用滤波器进行处理，另一路不做处理，将采集到的两路电流进行平方作比与电流频率建立关系，从而通过比值变化反演出频移量，并通过频移量反演出目标风场。本发明使用模拟乘法器做平方运算，降低了后续对处理性能的要求，通过使用低通滤波器，滤除了高频信号后，可以采用低速的数据采集卡ADC来采集数据，降低了对数据采集卡ADC的要求，解决高速数据采集卡成本高的问题，大大提高风速反演效率，为实现远距离和高时空分辨率的多普勒激光雷达做铺垫。

权利要求

1.一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达，其特征在于：包括：激光器、分束器、声光调制器、放大器、光学收发装置、耦合器、平衡探测器、低噪声放大器、带通滤波器、信号分配器、第一模拟乘法器、第一低通滤波器、边缘滤波器、第二模拟乘法器、第二低通滤波器、数据采集卡、数据处理模块；

其中：

所述激光器用于产生频率为f0的激光；

所述分束器用于将所述激光器产生的激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光；

所述声光调制器用于将所述分束器分出的信号光调制成脉冲光，所述声光调制器的调制频率为fM；

所述放大器用于对所述声光调制器输出的脉冲光放大；

所述光学收发装置用于将所述放大器输出的信号输出到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号；

所述耦合器用于将所述分束器产生的所述本振光与回波信号进行耦合；

所述平衡探测器用于对所述耦合器输出的信号进行平衡探测，转化为电信号；

所述低噪声放大器用于对所述平衡探测器输出的信号进行放大；

所述带通滤波器用于滤除所述低噪声放大器输出的信号的噪声；

所述信号分配器用于将所述带通滤波器输出的信号按照预定的功率比1:N分为两束；

所述第一模拟乘法器用于对所述信号分配器输出的功率比为1的信号做平方运算；经过第一模拟乘法器的信号通道称为第一通道Ch1；

所述第一低通滤波器用于对所述第一模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高于预设频率的高频信号，保留预定频率区间的低频信号；

所述边缘滤波器用于对所述信号分配器输出的功率比为N的信号进行滤波，经过边缘滤波器的信号通道称为第二通道Ch2；

所述第二模拟乘法器用于对所述边缘滤波器输出的信号做平方运算；

所述第二低通滤波器用于对所述第二模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高频信号，保留预定频率区间的低频信号；

所述数据采集卡用于对所述第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的信号进行分别采集，输出数字信号；

所述数据处理模块用于对数据采集卡输出的数字信号进行处理，得到目标信息；

将声光调制器的调制频率fM设置在边缘滤波器的透过率曲线的线性区的中心位置；

所述信号分配器分出的两束信号的功率比为1:2，即N＝2；

所述边缘滤波器选定的频率范围为[fM‑F，fM+F]，频率范围称为线性区，F为预设的多普勒频移最大值所述带通滤波器的频带区间为50‑110MHz；所述声光调制器的调制频率fM为80MHz，所述边缘滤波器为高通滤波器；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器用于滤除频率高于

25MHz的信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达，其特征在于：所述边缘滤波器为高通滤波器或低通滤波器，所述边缘滤波器用于对输入信号进行过滤，使输入到边缘滤波器的信号频率与边缘滤波器的透过率具有一一对应关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1、激光器产生频率为f0的激光，通过分束器将出射激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光；

步骤S2、信号光经声光调制器调制成脉冲光，再被放大器放大能量，最后从光学收发装置出射；

步骤S3、从光学收发装置出射的信号与目标待测物发生后向散射形成回波信号，回波信号与本振光在耦合器中耦合后输出至平衡探测器；

步骤S4、平衡探测器将光信号转换为电信号，输出拍频信号的中频信号；

步骤S5、平衡探测器输出的信号经过低噪声放大器进行放大,再经过带通滤波器滤除噪声；

步骤S6、滤波后的信号经信号分配器按功率比1:N分成两束，并对应两个通道传输；

步骤S7、功率为1的信号在第一通道Ch1中传输，经过第一模拟乘法器做平方运算，再经过第一低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集；所述第一通道Ch1为经过第一模拟乘法器的信号通道；

步骤S8、功率为N的信号在第二通道Ch2中传输，经过边缘滤波器滤波后，再经过第二模拟乘法器做平方运算，还经过第二低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集；所述第二通道Ch2为经过边缘滤波器的信号通道；

2 2

步骤S9、数据处理模块获取数据采集卡采集到的两个通道的信号分别为i1 (t)、i2 (t)，

2 2 2 2

计算第一通道Ch1的信号i1(t)与第二通道Ch2的信号i2(t)的电流平方比值i2(t)/i1(t)；

2 2

步骤S10、数据处理模块根据电流平方比值i2(t)/i1 (t)与预先获取的边缘滤波器的响应函数曲线，得到对应的多普勒频率fr；

步骤S11、数据处理模块计算多普勒频移Δf，Δf＝fr‑fM，fM为声光调制器的调制频率；

步骤S12、数据处理模块计算目标待测物速度V，其中, λ为激光器输出的激光的波长；

所述步骤S10，包括如下步骤：

2 2

在边缘滤波器的响应函数曲线上查找数值等于电流平方比值i2(t)/i1(t)的响应值R；

获取响应值R对应的边缘滤波器的响应函数曲线上响应频率f作为多普勒频率fr。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：获取步骤S10中边缘滤波器的响应函数曲线的方法，包括如下步骤：S101、在所述第一模拟乘法器之前A处，使用高速采集卡采集所述信号分配器输出的信号，计算采集到的信号的第一功率谱密度SCh1；

S102、在所述第二模拟乘法器之前B处，使用高速采集卡采集所述边缘滤波器输出的信号，计算采集到的信号的第二功率谱密度SCh2；

S103、根据下式获取边缘滤波器的响应函数曲线，得到频率f与响应值R的对应关系；

其中，H(f)为边缘滤波器的频率透过率函数，H(f)＝SCh2/SCh1，SL(f)是归一化的激光光谱。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：SCh1、SCh2计算公式如下：2

SCh1＝|FFTt{i1(t)·w(t‑t0)}|其中，i1(t)为第一通道的电流；FFTt{}为快速傅里叶变换，t0是距离门的中心，w(t‑t0)是窗函数；

2

SCh2＝|FFTt{i2(t)·w(t‑t0)}|其中，i2(t)为第二通道的电流。

说明书

一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法，属于激光雷达技术领域。

背景技术

[0002] 多普勒激光雷达利用多普勒效应实现对运动目标速度的探测，目前已被广泛应用于大气风场探测，因其具有高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息能力等优点，在气候研究和天气预报等方面有着重要的应用，引起了多个国家的关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。为了实现大气的全球观测,需要针对不同的大气环境采用不同的探测手段,目前多普勒测风激光雷达技术按探测方式主要分两种：利用气溶胶后向散射信号的相干测量技术和利用大气分子后向散射信号的非相干(直接探测)技术。

[0003] 相干探测原理是激光雷达发射两束光，一束为本振光作参考，另一束为回波信号携带风场信息。本振激光与回波信号在光学混频器进行相干拍频，得到两者的差频，再根据多普勒频移与风速之间的关系，计算风速并反演风场信息。

[0004] 相干信号处理涉及快速傅里叶变换（FFT），这需要消耗大量的计算资源和整体功耗，限制了远距离、高时空分辨率和小型化的多普勒激光雷达的发展。

发明内容

[0005] 目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0007] 第一方面，一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达，包括：激光器、分束器、声光调制器、放大器、光学收发装置、耦合器、平衡探测器、低噪声放大器、带通滤波器、信号分配器、第一模拟乘法器、第一低通滤波器、边缘滤波器、第二模拟乘法器、第二低通滤波器、数据采集卡、数据处理模块。

[0008] 其中：

[0009] 所述激光器用于产生频率为 的激光。

[0010] 所述分束器用于将所述激光器产生的激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光。

[0011] 所述声光调制器用于将所述分束器分出的信号光调制成脉冲光，所述声光调制器的调制频率为 。

[0012] 所述放大器用于对所述声光调制器输出的脉冲光放大。

[0013] 所述光学收发装置用于将所述放大器输出的信号输出到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号。

[0014] 所述耦合器用于将所述分束器产生的所述本振光与回波信号进行耦合。

[0015] 所述平衡探测器用于对所述耦合器输出的信号进行平衡探测，转化为电信号。

[0016] 所述低噪声放大器用于对所述平衡探测器输出的信号进行放大。

[0017] 所述带通滤波器用于滤除所述低噪声放大器输出的信号的噪声。

[0018] 所述信号分配器用于将所述带通滤波器输出的信号按照预定的功率比1:N分为两束。

[0019] 所述第一模拟乘法器用于对所述信号分配器输出的功率比为1的信号做平方运算；经过第一模拟乘法器的信号通道称为第一通道Ch1。

[0020] 所述第一低通滤波器用于对所述第一模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高于预设频率的高频信号，保留预定频率区间的低频信号。

[0021] 所述边缘滤波器用于对所述信号分配器输出的功率比为N的信号进行滤波，经过边缘滤波器的信号通道称为第二通道Ch2。

[0022] 所述第二模拟乘法器用于对所述边缘滤波器输出的信号做平方运算。

[0023] 所述第二低通滤波器用于对所述第二模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高频信号，保留预定频率区间的低频信号。

[0024] 所述数据采集卡用于对所述第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的信号进行分别采集，输出数字信号。

[0025] 所述数据处理模块用于对数据采集卡输出的数字信号进行处理，得到目标信息。

[0026] 作为优选方案，所述边缘滤波器为高通滤波器或低通滤波器，所述边缘滤波器用于对输入信号进行过滤，使输入到边缘滤波器的信号频率与边缘滤波器的透过率具有一一对应关系。

[0027] 作为优选方案，所述边缘滤波器选定的频率范围为 ，频率范围称为线性区，F为预设的多普勒频移最大值。

[0028] 作为优选方案，将声光调制器的调制频率 设置在边缘滤波器的透过率曲线的线性区的中心位置。

[0029] 作为优选方案，信号分配器分出的两束信号的功率比为1:2，即N=2。

[0030] 作为优选方案，所述带通滤波器的频带区间为50‑110MHz。

[0031] 作为优选方案，所述声光调制器的调制频率 为80MHz，所述边缘滤波器为高通滤波器；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器用于滤除频率高于25MHz的信号。

[0032] 作为优选方案，所述光学收发装置包括环形器和望远镜，所述环形器包括输入端、收发端和输出端，所述输入端与放大器的输出端连接，收发端与望远镜的输入端连接，输出端与耦合器的输入端连接。

[0033] 作为优选方案，所述光学收发装置包括输入望远镜和输出望远镜，所述输入望远镜的输入端与放大器的输出端连接，所述输出望远镜的输出端与耦合器的输入端连接。

[0034] 第二方面，一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达的测量方法，包括如下步骤：

[0035] 步骤S1、激光器产生频率为 的激光，通过分束器将出射激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光。

[0036] 步骤S2、信号光经声光调制器调制成脉冲光，再被放大器放大能量，最后从光学收发装置出射。

[0037] 步骤S3、从光学收发装置出射的信号与目标待测物发生后向散射形成回波信号，回波信号与本振光在耦合器中耦合后输出至平衡探测器。

[0038] 步骤S4、平衡探测器将光信号转换为电信号，输出拍频信号的中频信号。

[0039] 步骤S5、平衡探测器输出的信号经过低噪声放大器进行放大, 再经过带通滤波器滤除噪声。

[0040] 步骤S6、滤波后的信号经信号分配器按功率比1:N分成两束，并对应两个通道传输。

[0041] 步骤S7、功率为1的信号在第一通道Ch1中传输，经过第一模拟乘法器做平方运算，再经过第一低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集。

[0042] 步骤S8、功率为N的信号在第二通道Ch2中传输，经过边缘滤波器滤波后，再经过第二模拟乘法器做平方运算，还经过第二低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集。

[0043] 步骤S9、数据处理模块获取数据采集卡采集到的两个通道的信号分别为 、，计算第一通道Ch1的信号 与第二通道Ch2的信号 的电流平方比值。

[0044] 步骤S10、数据处理模块根据电流平方比值 与预先获取的边缘滤波器的响应函数曲线，得到对应的多普勒频率 。

[0045] 步骤S11、数据处理模块计算多普勒频移 ， ， 为声光调制器的调制频率。

[0046] 步骤S12、数据处理模块计算目标待测物速度 ，其中， ； 为激光器输出的激光的波长。

[0047] 作为优选方案，所述步骤S10，包括如下步骤：

[0048] 在边缘滤波器的响应函数曲线上查找数值等于电流平方比值 的响应值R。

[0049] 获取响应值R对应的边缘滤波器的响应函数曲线上响应频率 作为多普勒频率 。

[0050] 作为优选方案，获取步骤S10中边缘滤波器的响应函数曲线的方法，包括如下步骤：

[0051] S101、在所述第一模拟乘法器之前A处，使用高速采集卡采集所述信号分配器输出的信号，计算采集到的信号的第一功率谱密度 。

[0052] S102、在所述第二模拟乘法器之前B处，使用高速采集卡采集所述边缘滤波器输出的信号，计算采集到的信号的第二功率谱密度 。

[0053] S103、根据下式获取边缘滤波器的响应函数曲线，得到频率 与响应值R的对应关系。

[0054]

[0055] 其中， 为边缘滤波器的频率透过率函数， ， 是归一化的激光光谱。

[0056] 作为优选方案， 、 计算公式如下：

[0057]

[0058] 其中， 为第一通道的电流； 为快速傅里叶变换， 是距离门的中心， 是窗函数。

[0059]

[0060] 其中， 为第二通道的电流。

[0061] 有益效果：本发明提供的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达及其测量方法，利用滤波器对频率具有过滤作用，将平衡探测器流出的电流分为两路，一路使用滤波器进行处理，另一路不做处理，将采集到的两路电流进行平方作比与电流频率建立关系，从而通过比值变化反演出频移量，并通过频移量反演出目标风场。

[0062] 本发明能够有效避免使用快速傅里叶变换算法所带来的计算量大和高速数据采集卡成本高的问题，大大提高风速反演效率，得到实时目标风场信息，为实现远距离和高时空分辨率的多普勒激光雷达做铺垫。

附图说明

[0063] 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和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。

[0064] 图1是本发明提供的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达的结构框图。

[0065] 图2是本发明实施例中电流与时间关系。

[0066] 图3是本发明实施例中两个通道的功率谱密度图。

[0067] 图4是本发明实施例中提供的响应函数曲线。

[0068] 图中，1‑激光器，2‑分束器，3‑声光调制器，4‑放大器，5‑环形器，6‑望远镜，7‑耦合器，8‑平衡探测器，9‑低噪声放大器、10‑带通滤波器，11‑信号分配器，12‑边缘滤波器、13‑第一模拟乘法器、14‑第二模拟乘法器、15‑第一低通滤波器、16‑第二低通滤波器、17‑数据采集卡、18‑数据处理模块。

具体实施方式

[0069] 下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0070] 实施例：

[0071] 如图1所示，一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达，包括：激光器1、分束器2、声光调制器3、放大器4、光学收发装置、耦合器7、平衡探测器8、低噪声放大器9、带通滤波器10、信号分配器11、第一模拟乘法器13、第一低通滤波器15、边缘滤波器12、第二模拟乘法器14、第二低通滤波器16、数据采集卡17、数据处理模块18。

[0072] 其中：

[0073] 所述激光器用于产生频率为 的激光。

[0074] 所述分束器用于将所述激光器产生的激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光。

[0075] 所述声光调制器用于将所述分束器分出的信号光调制成脉冲光，所述声光调制器的调制频率为 。声光调制器的调制频率 为预设值。

[0076] 所述放大器用于对所述声光调制器输出的脉冲光放大。

[0077] 所述光学收发装置用于将所述放大器输出的信号输出到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号。

[0078] 所述耦合器用于将所述分束器产生的所述本振光与回波信号进行耦合。

[0079] 所述平衡探测器用于对所述耦合器输出的信号进行平衡探测，转化为电信号。

[0080] 所述低噪声放大器用于对所述平衡探测器输出的信号进行放大。

[0081] 所述带通滤波器用于滤除所述低噪声放大器输出的信号的噪声。

[0082] 所述信号分配器用于将所述带通滤波器输出的信号按照预定的功率比1:N分为两束。

[0083] 所述第一模拟乘法器用于对所述信号分配器输出的功率比为1的信号做平方运算；经过第一模拟乘法器的信号通道称为第一通道Ch1。

[0084] 所述第一低通滤波器用于对所述第一模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高于预设频率的高频信号，保留预定频率区间的低频信号。

[0085] 所述边缘滤波器用于对所述信号分配器输出的功率比为N的信号进行滤波。经过边缘滤波器的信号通道称为第二通道Ch2；所述边缘滤波器为高通滤波器或低通滤波器。所述边缘滤波器的透过率与输入信号的频率具有对应关系。所述边缘滤波器用于对输入信号进行过滤，使输入到边缘滤波器的信号频率与边缘滤波器的透过率具有一一对应关系。

[0086] 需要说明的是，本发明中所述的边缘滤波器的透过率为功率透过率。

[0087] 因此，在选定的频率范围内，所述边缘滤波器的透过率与输入信号的频率具有一一对应关系，理想情况下，该对应关系为线性函数，但边缘滤波器实际的透过率由实验测定。所述边缘滤波器允许通过的频率范围与预设的声光调制器的调制频率 和预设的多普勒频移最大值F有关。具体的，所述边缘滤波器选定的频率范围优选为 ，该频率范围也称为线性区。在该频率范围内，所述边缘滤波器的透过率与输入信号的频率具有一一对应关系。这样的边缘滤波器能够完美覆盖多普勒频移范围，进而覆盖待测的风速范围。

[0088] 边缘滤波器的设计中，优选的，声光调制器的调制频率 所对应的边缘滤波器的透过率为0.5。也就是说，将声光调制器的调制频率 设置在边缘滤波器的透过率曲线的线性区的中心位置。这样一来，能够实现最大限度的利用边缘滤波器的线性区，进而提高边缘滤波器的利用率，提高信号的利用率，最大限度地减小滤波器造成的信号损耗。

[0089] 优选的，信号分配器分出的两束信号的功率比为1:2，即N=2。当N=2时，第二通道信号经过边缘滤波器后在频率 对应的强度与第一通道信号在频率 对应的强度相同。通过调整信号分配器输出的功率比，合理设置N值，可以使第一通道和第二通道的信号强度和噪声水平最为接近，从而有效补偿边缘滤波器损失的功率，提高信号检测的准确性，降低噪声。

[0090] 所述第二模拟乘法器用于对所述边缘滤波器输出的信号做平方运算。

[0091] 所述第二低通滤波器用于对所述第二模拟乘法器输出的信号进行滤波，滤除高频信号，保留预定频率区间的低频信号。

[0092] 所述数据采集卡用于对所述第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的信号进行分别采集，输出数字信号。

[0093] 所述数据处理模块用于对数据采集卡输出的数字信号进行处理，得到目标信息。

[0094] 所述数据处理模块为计算机、中央处理器CPU等具有数据处理功能的模块。

[0095] 在一个实施例中，所述带通滤波器的频带区间为50‑110MHz。

[0096] 在一个实施例中，所述声光调制器的调制频率 为80MHz，所述边缘滤波器为高通滤波器；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器用于滤除频率高于25MHz的信号。

[0097] 在一个实施例中，所述光学收发装置包括环形器5和望远镜6，所述环形器包括输入端、收发端和输出端，所述输入端与放大器的输出端连接，收发端与望远镜的输入端连接，输出端与耦合器的输入端连接。

[0098] 在一个实施例中，所述光学收发装置包括输入望远镜和输出望远镜，所述输入望远镜的输入端与放大器的输出端连接，所述输出望远镜的输出端与耦合器的输入端连接。

[0099] 在一个实施例中，由于采用所述第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除高频信号，大幅降低数据采集卡的采样率。

[0100] 所述数据采集卡的采样率 可以通过下式计算：

[0101]  ; 其中，c为光速， 为激光雷达的距离分辨率。例如，当 =15米时，采样率 =10Msps。

[0102] 在一个实施例中，信号分配器为功率分束器或者功率放大器。

[0103] 本发明还提供了一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达的风速测量方法，基于上述普勒激光雷达，所述方法包括：

[0104] 步骤S1、激光器产生频率为 的激光，通过分束器(BS)将出射激光分为两束，一束作为本振光，另一束作为信号光。

[0105] 步骤S2、信号光经声光调制器(AOM，移频80MHz)调制成脉冲光，再被放大器(EDFA)放大能量，最后从光学收发装置出射。

[0106] 步骤S3、从光学收发装置出射的信号与目标风场气溶胶分子发生后向散射形成回波信号，回波信号与本振光在耦合器(coupler)中耦合后输出至平衡探测器。

[0107] 步骤S4、平衡探测器将光信号转换为电信号，输出拍频信号的中频 (IF)信号；

[0108] 步骤S5、平衡探测器输出的信号经过低噪声放大器（LNA）进行放大, 再经过带通滤波器（BPF，50‑110MHz）滤除噪声。

[0109] 步骤S6、滤波后的信号经信号分配器按功率比1:N分成两束，并对应两个通道传输。

[0110] 步骤S7、功率为1的信号在第一通道Ch1中传输，经过第一模拟乘法器做平方运算，再经过第一低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集。

[0111] 步骤S8、功率为N的信号在第二通道Ch2中传输，经过边缘滤波器滤波后，再经过第二模拟乘法器做平方运算，还经过第二低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行采集。

[0112] 步骤S9、数据处理模块获取数据采集卡采集到的两个通道的信号分别为 、，计算第一通道Ch1的信号 与第二通道Ch2的信号 的电流平方比值。

[0113] 步骤S10、数据处理模块根据电流平方比值 与预先获取的边缘滤波器的响应函数曲线，得到对应的多普勒频率 。

[0114] 步骤S11、数据处理模块计算多普勒频移 ， ， 为声光调制器的调制频率。

[0115] 步骤S12、数据处理模块计算风速 ，其中， ； 为激光器输出的激光的波长。

[0116] 具体的，所述步骤S10，包括如下步骤：

[0117] 在边缘滤波器的响应函数曲线上查找数值等于电流平方比值 的响应值R。

[0118] 获取响应值R对应的边缘滤波器的响应函数曲线上响应频率 作为多普勒频率 。

[0119] 具体的，获取步骤S10中边缘滤波器的响应函数曲线的方法，包括如下步骤：

[0120] S101、在所述第一模拟乘法器之前A处，使用高速采集卡采集所述信号分配器输出的信号，计算采集到的信号的第一功率谱密度 。其中，A位于第一通道信号分配器与第一模拟乘法器之间。

[0121] S102、在所述第二模拟乘法器之前B处，使用高速采集卡采集所述边缘滤波器输出的信号，计算采集到的信号的第二功率谱密度 。其中，B位于第二通道边缘滤波器与第二模拟乘法器之间。

[0122] S103、根据下式获取边缘滤波器的响应函数曲线，得到频率 与响应值R的对应关系。

[0123] ，

[0124] ，其中， 是归一化的激光光谱。

[0125] 其中，第一通道Ch1中A点的第一功率谱密度 ，其中，t为时间， 为第一通道A点的电流， 为快速傅里叶变换， 是距离门的中
心， 是窗函数。

[0126] 第二通道Ch2中B点的第二功率谱密度 ，其中，为第二通道B点的电流。

[0127] 具体的，需要说明的是，在步骤S101和S102中，校准边缘滤波器的响应函数曲线时，由于计算功率谱密度对采样率有较高要求，必须采用高速采集卡采；所述高速采集卡的采样率不小于250 Msps。而在实际反演风速中，步骤S7和S8中，采集卡使用的采样率是不一样的。由于第一低通滤波器和第二低通滤波器过滤了高频信号，仅保留低频信号，数据采集卡在采集时可以实现低速采样，降低了采样速度，能够极大地降低数据采集卡的软件成本和硬件成本。

[0128] 实施例1：

[0129] 本发明的工作过程如下：图1为激光雷达光路图。激光器产生频率为 的激光，通过分束器(BS)将出射激光分为两束，一束作为本振光，并与回波信号混频，另一束作为信号光，经声光调制器(AOM，移频80MHz)调制成脉冲光，再被放大器(EDFA)放大能量，最后从环形器(circulator)和望远镜(colimator)发出，其与目标风场气溶胶分子发生后向散射形成回波信号，再经过环形器与本振光在耦合器(coupler)中耦合，在平衡探测器(BD)中进行光信号到电信号的转化，将平衡探测器输出经过低噪声放大器（LNA）进行放大, 再经过带通滤波器（BPF，50‑110MHz）滤除噪声。滤波后的信号按功率比1:2分成两束，功率为1的信号经过模拟乘法器做平方运算，再经过低通滤波器滤除高频信号，保留低频信号，送入数据采集卡进行低速采集。功率为2的信号除先经过边缘滤波器（也称为边缘滤波器，Edge filter）外，和功率为1的信号处理方式一样。通过计算经过和不经过边缘滤波器（Edge filter，边缘滤波器的频率响应预先测得）的两个功率的比值，反演出频率从而根据风场和频率的关系反演出风场信息。

[0130] 实施例2：

[0131] 具体的，本发明工作原理如下：

[0132] 平衡探测器输出的拍频信号可以表示为信号电流 和散粒噪声电流 之和：

[0133]   (1)

[0134] 其中，信号电流可以写为：

[0135]  (2)

[0136] 其中， 是探测器响应度， 是外差效率， 是本振光LO的功率， 是从距离接收到的回波信号功率，t为时间， 和 分别是信号的频率和相位。由于本发明使用平衡探测器来检测，因此，信号主要指拍频信号的中频 (IF)信号。

[0137] 在传统的基于快速傅里叶变换的方法中，数字化的中频信号首先被一个宽度通常等于距离门的长度（ 是距离门的中心）的窗函数 截断。

[0138] 功率谱密度 (PSD) 由下式估算

[0139]     (3)

[0140] 其中， 为快速傅里叶变换。脉冲累积后，可以通过在频谱域中搜索信号峰值的位置来检索多普勒速度。

[0141] 第一通道Ch1中A点的第一功率谱密度 ，其中，为第一通道A点的电流。

[0142] 第二通道Ch2中B点的第二功率谱密度 ，其中，为第二通道B点的电流。

[0143] 在本发明中，信号分配器将信号分为两个通道，包含边缘滤波器的通道为信息通道Ch2；不包含边缘滤波器的通道为参考通道Ch1。Ch2中的边缘滤波器用作鉴频器，与 Ch1 的参考通道相比，它会导致 Ch2 上的频率与信号功率相关。然后可以使用两个臂之间的信号功率比来推断多普勒频移。从而避免了耗时的 FFT 运算，根据Parseval定理（帕塞瓦尔定理），我们直接从时域估计信号功率，这相当于传统 CDWL 中频域的积分。

[0144]   (4)

[0145] 其中，算子<>指的是对多个激光发射进行平均。余弦函数项与中频IF有关，在本工作中对信号功率的估计没有贡献。因此，在乘法器之后使用一个低通滤波器来滤除IF分量。带宽由时间窗口的长度决定，即空间分辨率。噪声是从原始信号的尾部估计的，其中大气反向散射的强度可以忽略不计。

[0146] 原始回波电流平方与时间的关系如图2所示。原始回波电流平方是信号部分和噪声部分的叠加。

[0147] 校准系统响应函数曲线的方法如下：

[0148] 在两个乘法器之前执行高速采样（250 Msps）。如图 1 所示， Ch1 和 Ch2 分别在 A 点和 B 点的功率谱密度PSD，理论上计算并表示为：

[0149]    (5)

[0150] 其中， 是窄带大气后向散射谱， 是与频率无关的噪声谱， 是窗函数的谱， 是边缘滤波器的频率透过率函数， 表示卷积运算。 为频率。

[0151] 典型结果如图3所示，其中距离门长度设置为30m。请注意，由于 的贡献，估计的频谱比实际频谱更宽。

[0152] 为了校准 ，选择了图3中光谱的两个尾部（超过2μs），其中大气后向散射可以忽略不计。由于时间窗口足够长，方程式5中的 可以近似为Dirac函数（狄拉克函数）。然后边缘滤波器的透过率函数可以计算为：

[0153]   (6)

[0154] 结果如图4中的虚线所示。在这项工作中，后向散射的光谱由激光脉冲近似。考虑到激光脉冲的光谱展宽，边缘滤波器对大气后向散射的系统响应函数近似为：

[0155]  (7)

[0156] 其中是归一化激光光谱。请注意，实际大气回波的频谱是受到天气现象影响的，例如湍流、风切变，甚至降水。卷积结果也绘制在图 3 中。

[0157] 校准完成系统的响应曲线后，计算两路信号经乘法器和低通滤波器后的电流平方平均值，作比可得电流平方比值。电流平方比值与边缘滤波器对f的响应有关，f变化，经过滤波器作用后的信号电流变化，则电流平方比值随之变化，从而可以根据系统的响应曲线，电流平方比值反演得到频率大气回波信号中心频率f，进一步可以反演风速。

[0158] 本发明通过边缘滤波器对频率的选择性过滤作用使得信号功率与其频率相关，通过建立信号功率比值与对应信号的多普勒频率的关系反演多普勒频移。避免了快速傅里叶变化所带来的计算量大的问题，可实时得到风速。更重要的是，本发明使用模拟乘法器做平方运算，降低了后续对处理性能的要求，通过使用低通滤波器，滤除了高频信号后，可以采用低速的数据采集卡ADC来采集数据，降低了对数据采集卡ADC的要求，解决高速数据采集卡成本高的问题，大大提高风速反演效率，为实现远距离和高时空分辨率的多普勒激光雷达做铺垫。

[0159] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。