CN118191875B - 一种瑞利散射测风激光雷达及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种瑞利散射测风激光雷达及工作方法，包括：激光发射模块、信号接收模块与光开关控制模块；激光发射模块具有四个两两正交方向的发射支路，用于不同的径向风速探测；信号接收模块的输入由激光发射模块中望远系统接收；光开光控制模块用于非扫描四波束的径向测量通道转换。本发明的激光雷达发射窄线宽、可调谐、预定波长的激光与大气分子成分相互作用，产生大气后向瑞利散射信号。利用相位延迟器的电光开关控制特性，实现非扫描四波束径向风速的快速切换。

Description

一种瑞利散射测风激光雷达及工作方法

技术领域

本发明涉及激光遥感、大气探测、风测量、光电探测领域，具体为一种瑞利散射测风激光雷达。其是一种非扫描四波束临近空间小型瑞利散射测风激光雷达。

背景技术

大气风场的复杂变化将会直接影响航空航天活动及飞行器的安全运行。受太阳光辐射和对流层大气活动等影响作用，对流层与临近空间区域之间有着活跃的大气质量与成分交换，以及存在复杂的大气动力辐射耦合作用，导致该处区域空间的大气复杂多变。因此，精确的风场测量可以为临近空间飞行器活动提供大气环境保障，同时可以建立准确的临近空间大气模型，对于大气动力学研究具有重要的科学意义。

传统的常规测风手段无法满足长时间测量临近空间高度风场的探测需求，譬如火箭探空仪、全球导航卫星系统（GNSS）探空仪等。此外，传统机载风速计响应时间长，易受环境因素干扰，测量重复性差等缺点，小幅度的风速变化往往不能够精确测量，而临近空间处空气密度较为稀薄，造成该方法测量精度低。在地面常用的超声波测风仪由于自身发射频率过高及信号衰减过大，易受环境温度影响，也无法直接应用于临近空间风场测量。相比较其他手段，使用激光雷达技术进行大气参数探测是一种先进的光学主动遥感方式，其具有时空分辨率高、探测范围大的显著优势。临近空间区域位置较高，大气密度稀薄，多数以大气分子形式存在，气溶胶含量较少。瑞利散射多普勒测风激光雷发射高功率、窄线宽的激光束，与大气分子发生作用产生瑞利散射光回波信号，采用高光谱分辨率装置双通道法布里-珀罗（Fabry-Perot）标准具作为光学鉴频器，使用光电探测器进行光电转换，测量瑞利散射光回波信号的频率变化，通过测量散射光信号的多普勒频信息可以方便获得风场分布，成为临近空间大气环境探测的重要手段。

目前，一般已有的地基测风激光雷达系统仅可单一方向测量，要实现多个径向风速测量，往往需要机械旋转结构或扫描旋转镜进行切换，设备结构复杂，光学装调难度大，系统开发成本高。对于临近空间20~40km的大气风场变化，能够实现风速测量的小型激光雷达系统较少，同时还未有可以直接测量大气分子散射谱线的非扫描四波束测风激光雷达系统的相关报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种瑞利散射测风激光雷达及工作方法，实现临近空间20km-40km大气风向风速测量于一体，可在陆地和海洋上搭载的高空移动载体平台进行准确的实时测量，并能够求解出探测区域内的水平风速和风向，测量精度高，且结构更简单小型，设备成本低。

本发明的技术方案如下：

一种瑞利散射测风激光雷达，包括：激光发射模块、信号接收模块与光开关控制模块。其中激光发射模块包括四个两两正交方向的发射支路，用于不同的径向风速探测，包括：从右往左依次设置为脉冲激光器激光发射及扩束系统、第一相位延迟器、第一偏振分光棱镜、第二相位延迟器、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第三相位延迟器、第三偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二反射镜与四个望远系统；信号接收模块的输入由激光发射模块中望远系统接收并依次经过第一偏振分光棱镜、第三四分之一波片、窄带干涉滤光片、偏振分束棱镜组、双通道Fabry-Perot标准具装置、第一和第二聚焦透镜、第一和第二信号通道光电探测器；光开光控制模块由相位延迟器与偏振分光棱镜联合组成。

进一步，脉冲激光器激光发射及扩束系统用于周期性地发射对应波长的线偏振激光束，同时进行激光扩束以便压缩光束发散角。

进一步，采用双通道高光谱分辨率双通道Fabry-Perot标准具装置作为光学鉴频器，同时结合干涉滤光片，产生超窄带宽的滤光片，减少大气背景噪声，提高测量信噪比。聚焦透镜用于将接收后向散射回波信号耦合至信号通道探测器。

进一步，Fabry-Perot标准具主要由两块互相平行的平板玻璃构成，两块板朝里的表面各镀有高反射率的部分透射膜，两板之间形成一平行平面空气腔，不同频率的信号光有着不一样的透过率。双通道Fabry-Perot标准具与第一与第二信号通道探测器结合，可以作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，当没有多普勒频移时，即零多普勒频移，两信号通道得到的透过率曲线相同，当回波信号相对出射激光产生频移时，两信号通道的透过率曲线不再相等，通过两通道的透过率之比从而计算出多普勒频移，由此可反演出大气风速。

进一步，利用相位延迟器的电可调光学相位延迟透射特性，作为一种薄型透射元件，使用控制驱动器进行电调谐，通过电压控制晶体分子的折射率来完成对光的相位延迟，不同时间控制相位延迟器的驱动电压，改变出射激光的线偏振态，可实现临近空间区域大气风场非扫描四波束的径向测量通道转换，微秒级别的超快响应时间，测量精度高，且结构更简单小型，光学装调效率高，设备开发成本低。

本发明还提出一种瑞利散射测风激光雷达的工作方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，脉冲激光器输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲，

步骤2，出射激光发射光路，

步骤3，光电信号接收，

步骤4，非扫描四波束切换，

步骤5，采集数据处理。

本发明的激光雷达发射窄线宽、可调谐、预定波长的激光与大气分子成分相互作用，产生大气后向瑞利散射信号。利用相位延迟器的电光开关控制特性，实现非扫描四波束径向风速的快速切换。

本发明的激光雷达有以下优点：

1）采用可调谐脉冲光纤激光器。具有激光脉冲宽度小，窄线宽，功率稳定、寿命长、环境适应性强的特点，确保测量精度，同时结构简单、体积占地小，易于与传输光纤集成和耦合，具有小巧灵活，性价比高，且易于系统集成的特点，可应用在对体积要求较高的临近空间高空移动平台。

2）结构小型，光学装调简易。采用固定式Fabry-Perot，激光器波长可以温度和电压驱动调节，提供稳定频率输出，实验装调后不需要再单独对Fabry-Perot标准具进行调整，使得系统结构更加稳定，较少了装调难度。

3）直接探测大气瑞利散射信号。临近空间高空大气稀薄，气溶胶稀少，出射激光主要与大气分子相互作用，信号接收模块采用直接探测方式获得瑞利散射信号，测量精度高，有利于临近空间机载、艇载平台风速测量。

4）非扫描四波束测量。常规测风激光雷达系统往往只是对某一径向测量，往往需要机械扫描结构转动，测量多个径向风速才能获取到探测区域的风场分布，倘若这样则使得激光雷达系统占用过多的空间资源，设备体积较大和运行成本较高。本系统仅通过基于相位延迟器的电光开关控制实现无扫描四波束径向风速测量方向切换，装置开发成本低，结构简易。

附图说明

图1为本发明的系统光路图。

附图标记如下：可调谐窄线宽脉冲激光器激光发射及扩束系统1，第一相位延迟器2，第一偏振分光棱镜3，第二相位延迟器4，第二偏振分光棱镜5，第一四分之一波片6，第一反射镜7，第一望远系统8，第二望远系统9，第三相位延迟器10，第三偏振分光棱镜11，第二四分之一波片12，第二反射镜13，第三望远系统14，第四望远系统15，第三四分之一波片16，第三反射镜17，窄带干涉滤光片18，偏振分束棱镜组19，Fabry-Perot标准具第一通道20，Fabry-Perot标准具第二通道21，第一聚焦透镜22，第二聚焦透镜23，第一信号通道探测器24，第二信号通道探测器25。

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。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供一种瑞利散射测风激光雷达，包括可调谐窄线宽脉冲激光器激光发射及扩束系统1，第一相位延迟器2，第一偏振分光棱镜3，第二相位延迟器4，第二偏振分光棱镜5，第一四分之一波片6，第一反射镜7，第一望远系统8，第二望远系统9，第三相位延迟器10，第三偏振分光棱镜11，第二四分之一波片12，第二反射镜13，第三望远系统14，第四望远系统15，第三四分之一波片16，第三反射镜17，窄带干涉滤光片18，偏振分束棱镜组19，Fabry-Perot标准具第一通道20，Fabry-Perot标准具第二通道21，第一聚焦透镜22，第二聚焦透镜23，第一信号通道探测器24，第二信号通道探测器25。

实施方式举例：

非扫描四波束临近空间小型的瑞利散射测风激光雷达主要包括发射光路、光开关控制光路与接收光路，其主要工作方法分为5个步骤，分别为，步骤1，光纤激光器输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲，步骤2，出射激光发射光路，步骤3，光电信号接收，步骤4，非扫描四波束切换，步骤5，采集数据处理。

步骤1，光纤激光器输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲，具体包括：发射光路的激光器为光纤激光器，输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲过程为：采用1064nm可调谐的脉冲光纤激光器，经过二倍频转换后输出532nm的可调谐的线偏振激光脉冲，激光器出射激光的发散角为1.5 mrad，光束直径为1 mm，绿光脉冲持续时间为5ns，光学预扩束系统放大倍率都为10倍，四个收发望远系统的直径为100mm。激光器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。激光器采用经过可调谐脉冲激光器，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。激光器出射532nm的线偏振光，经过扩束镜扩束且压缩发散角，然后通过基于电压控制的第一相位延迟器2和第一偏振分光棱镜3组成的光学开关。

步骤2，出射激光发射光路，具体包括：第一相位延迟器2对出射偏振光的偏振态进行调整，第一偏振分光棱镜3可以把偏振光束分为垂直和平行偏振光(P光和S光)，S偏振光束反射，与入射光束方向成90°角，而P偏振态光束则可透过偏振分光棱镜。激光器发出532nm的P偏振光，出射激光发射光路可分为四个发射支路。

第一发射支路：控制第一相位延迟器2和第二相位延迟器4不改变出射光的P偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜3被透射进入第一发射支路，再经过第二偏振分光棱镜5依然是P偏振光，然后经过第一四分之一波片6，可将线偏振光变成圆偏振光。通过第一反射镜7后改变圆偏振光方向，再原路经过第一四分之一波片6后为S偏振光，再次进入第二偏振分光棱镜5被反射，最后经过第一望远系统8发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

第二发射支路：控制第一相位延迟器2不改变出射光的P偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜3被透射到第二发射支路，然后控制第二相位延迟器4改变出射光的P偏振态为S偏振态，S光再经过第二偏振分光棱镜5反射至第二望远系统9，最后经过第二望远系统9直接发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

第三发射支路：控制第一相位延迟器2改变出射光的P偏振态为S偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜3被反射进入第三发射支路，然后控制第三相位延迟器10不改变出射光的P偏振态，P透射光再经过第三偏振分光棱镜11依然是P偏振光，然后经过第二四分之一波片12，可将线偏振光变成圆偏振光。通过第二反射镜13后改变圆偏振光方向，再原路经过第二四分之一波片12后为S偏振光，再次进入第三偏振分光棱镜11被反射，最后经过第三望远系统14发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

第四发射支路：控制第一相位延迟器2和第三相位延迟器10改变出射光的P偏振态为S偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜3被反射进入第四发射支路，S偏振光再经过第三偏振分光棱镜11被反射至第四望远系统15，最后经过第四望远系统15发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

步骤3，光电信号接收，具体包括：激光发射光路周期性地发射532nm绿色激光，在和大气环境的相互作用下生成的瑞利散射回波信号被接收望远系统接收，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。四个不同径向风速测量周期内的光接收信号输出，可以控制相位延迟器偏振态转换按照分时复用方式分别接收大气回波信号。大气后向散射信号进入接收光路到达第一偏振分光棱镜3和第三四分之一波片16后变为圆偏振光，然后经过窄带干涉滤光片18滤除背景光后导入偏振分束棱镜组19，再将偏振光束按50:50的比例分成两束，分别进入Fabry-Perot标准具第一通道20和Fabry-Perot标准具第二通道21，Fabry-Perot标准具的有效通光孔径为10mm。采用单模光纤与自由空间相结合的方式对光信号进行传输，光学接收机所选择的单模光纤NA为0.1，芯径为10 um，最终Fabry-Perot标准具第一通道20的出射光被第一聚焦透镜22耦合进第一信号通道探测器24进行探测，Fabry-Perot标准具第二通道21的出射光被第二聚焦透镜23耦合进第二信号通道探测器25进行探测。

步骤4，非扫描四波束切换，具体包括：利用给相位延迟器施加半波电压与无电压驱动时的控制组合，按照分时复用方式隔开发射光路通道，通过偏振分光棱镜可以实现非扫描四波束径向风速测量，结构简易，微秒级别的超快响应时间。

步骤5，采集数据处理，具体包括：接收到不同径向支路的后向散射光信号通过Fabry-Perot标准具第一通道20和Fabry-Perot标准具第二通道21，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。通过两信号通道的透过率之比即可计算散射光和出射光的频率差值，控制不同相位延迟器的驱动电压，实时测量四个两两相互正交方向的径向风速，经矢量合成实现探测区域内的大气水平风场信息。

Claims (9)

1.一种瑞利散射测风激光雷达，其特征在于，所述雷达包括：激光发射模块、信号接收模块与光开关控制模块；其中，

激光发射模块具有四个两两正交方向的发射支路，用于不同的径向风速探测，激光发射模块包括：从右往左依次设置为脉冲激光器激光发射及扩束系统、第一相位延迟器、第一偏振分光棱镜、第二相位延迟器、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第三相位延迟器、第三偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二反射镜与四个望远系统；

信号接收模块的输入由激光发射模块中望远系统接收，信号接收模块包括依次设置的第三四分之一波片、第三反射镜、窄带干涉滤光片、偏振分束棱镜组、双通道Fabry-Perot标准具装置、第一和第二聚焦透镜、第一和第二信号通道探测器；

光开关控制模块由第一、第二、第三相位延迟器与第一、第二、第三偏振分光棱镜联合组成；用于非扫描四波束的径向测量通道转换；

双通道Fabry-Perot标准具与第一与第二信号通道探测器结合，作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，当没有多普勒频移时，即零多普勒频移，两信号通道得到的透过率曲线相同，当回波信号相对出射激光产生频移时，两信号通道的透过率曲线不再相等，通过两通道的透过率之比从而计算出多普勒频移，由此反演出大气风速；

利用相位延迟器作为一种薄型透射元件，使用控制驱动器进行电调谐，通过电压控制晶体分子的折射率来完成对光的相位延迟，不同时间控制相位延迟器的驱动电压，改变出射激光的线偏振态，实现临近空间区域大气风场非扫描四波束的径向测量通道转换。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，脉冲激光器激光发射及扩束系统用于周期性地发射对应波长的线偏振激光束，同时进行激光扩束以便压缩光束发散角。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，采用双通道高光谱分辨率双通道Fabry-Perot标准具装置作为光学鉴频器，聚焦透镜用于将接收后向散射回波信号耦合至信号通道探测器。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，Fabry-Perot标准具由两块互相平行的平板玻璃构成，两块平板玻璃朝里的表面各镀有高反射率的部分透射膜，两平板玻璃之间形成一平行平面空气腔，不同频率的信号光有着不一样的透过率。

5.一种瑞利散射测风激光雷达的工作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

步骤1，脉冲激光器输出532nm可调谐的线偏振激光脉冲，

步骤2，出射激光发射光路，

步骤3，光电信号接收，

步骤4，非扫描四波束切换，

步骤5，采集数据处理；

步骤2具体包括：

第一相位延迟器对出射偏振光的偏振态进行调整，偏振分光棱镜把偏振光束分为垂直和平行偏振光即P偏振光和S偏振光，S偏振光束反射，与入射光束方向成90°角，而P偏振态光束则可透过偏振分光棱镜，激光器发出532nm的P偏振光，出射激光发射光路分为四个发射支路；

第一发射支路：控制第一相位延迟器和第二相位延迟器不改变出射光的P偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜被透射进入第一发射支路，再经过第二偏振分光棱镜依然是P偏振光，然后经过第一四分之一波片，将线偏振光变成圆偏振光，通过第一反射镜后改变圆偏振光方向，再原路经过第一四分之一波片后为S偏振光，再次进入第二偏振分光棱镜被反射，最后经过第一望远系统发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；

第二发射支路：控制第一相位延迟器不改变出射光的P偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜被透射到第二发射支路，然后控制第二相位延迟器改变出射光的P偏振态为S偏振态，S偏振光再经过第二偏振分光棱镜反射至第二望远系统，最后经过第二望远系统直接发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；

第三发射支路：控制第一相位延迟器改变出射光的P偏振态为S偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜被反射进入第三发射支路，然后控制第三相位延迟器不改变出射光的P偏振态，P透射光再经过第三偏振分光棱镜依然是P偏振光，然后经过第二四分之一波片，将线偏振光变成圆偏振光，通过第二反射镜后改变圆偏振光方向，再原路经过第二四分之一波片后为S偏振光，再次进入第三偏振分光棱镜被反射，最后经过第三望远系统发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；

第四发射支路：控制第一相位延迟器和第二相位延迟器改变出射光的P偏振态为S偏振态，发射光路经过第一偏振分光棱镜被反射进入第四发射支路，S偏振光再经过第三偏振分光棱镜被反射至第四望远系统，最后经过第四望远系统发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1具体包括：

采用1064nm可调谐的脉冲光纤激光器，经过二倍频转换后输出532nm的可调谐的线偏振激光脉冲，激光器出射532nm的线偏振光，经过扩束镜扩束且压缩发散角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3具体包括：

大气后向散射信号进入接收光路到达第一偏振分光棱镜和第三四分之一波片后变为圆偏振光，然后经过干涉滤光片滤除背景光后导入偏振分束棱镜组，再将偏振光束按50:50的比例分成两束，分别进入Fabry-Perot标准具第一信号通道和Fabry-Perot标准具第二信号通道，第一信号通道的出射光被第一聚焦透镜耦合进第一信号通道光电探测器进行探测，第二信号通道的出射光被第二聚焦透镜耦合进第二信号通道光电探测器进行探测。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4具体包括：

利用给相位延迟器施加半波电压与无电压驱动时的控制组合，按照分时复用方式隔开发射光路通道，通过偏振分光棱镜实现非扫描四波束径向风速测量。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4具体包括：

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，通过两信号通道的透过率之比即可计算散射光和出射光的频率差值，控制不同相位延迟器的驱动电压，实时测量四个两两相互正交方向的径向风速，经矢量合成实现探测区域内的大气水平风场信息。