基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达。

背景技术

大气探测激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已广泛应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。大气探测激光雷达通过发射激光脉冲至大气中，通过探测大气回波信号，从而反演大气的能见度、大气成分、密度、风速、温度等信息。

测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型、提高军事环境预报等有重大意义。因此，大气风场的测量受到越来越多的关注，国际民航机构、世界气象组织、世界各国航空航天的研究机构等组织都正在积极地开展风场探测系统的研究与开发。

多普勒测风激光雷达根据探测原理的不同可分为相干探测和直接探测。相干探测通过激光大气回波信号与本振激光相干的方式探测风速探测。直接探测则利用鉴频器将多普勒频移信息转化为能量的相对变化以探测大气风速。这两种激光雷达中，相干测风激光雷达具高精度、高时间分辨率的特点，但其也存在一些短板：1)对激光线宽要求严格，激光线宽决定相干长度，相干长度影响激光雷达的探测距离；2)容易受电磁环境干扰，激光脉冲的调制和中频信号的产生由声光调制器完成，中频信号一般在30MHz到300MHz之间，这刚好是广播电台、无线通信设备所使用的波段，该波段覆盖范围广、使用密集。因此，一方面，中频信号的使用，使相干激光雷达容易受电磁环境的干扰；另一方面，激光雷达在正常工作时辐射的电磁信号将对其它电子设备造成干扰。3)距离分辨率和风速动态范围受限于探测器带宽，目前性能最好的相干测风激光雷达的距离分辨率为15m。

直接探测测风激光雷达的探测精度较低，但在距离分辨率、对激光线宽要求、抗电磁干扰等方面优于相干测风激光雷达。直接探测激光雷达可分为条纹技术和边缘技术。

其中，条纹技术采用Fabry-Perot干涉仪或Fizeau干涉仪产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气散射信号的多普勒频移，但是条纹技术需配合多像素探测器使用，而多像素探测方式结构复杂，且无法克服探测器的串扰问题。

边缘技术利用具有陡峭响应曲线的滤波器，通过检测透过率的变化测量多普勒频移量。边缘技术中，除采用上述两种干涉仪外，还可以采用分子吸收线、Michelson干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪等高分辨鉴频率器；然而边缘探测技术可测量的风速动态范围局限于鉴频器的滤波边缘。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达，具有人眼安全、结构紧凑、适用于各种平台(机载、舰载、星载)等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达，其特征在于，包括：

激光脉冲产生单元10、收发望远镜单元20、背景噪声滤除单元40、光谱扫描单元50、单光子探测单元60、数据采集单元70和后续数据反演和显示单元80；其中：

激光脉冲产生单元10输出探测信号与参考信号；其中的探测信号经收发望远镜单元20扩束后指向探测大气，并由收发望远镜单元20接收回波信号；所述回波信号先经背景噪声滤除单元40滤除背景噪声；所述光谱扫描单元50对滤除背景噪声后的回波信号以及参考信号进行提取，提取的光学信号由单光子探测单元60进行探测，探测得到的电信号通过数据采集单元70进行采集记录，最后通过后续数据反演和显示单元80反演和显示大气风速。

进一步的，反演时通过直接对气溶胶谱进行谱分析，能同时反演谱宽和谱中心位置信息，而谱中心位置的改变对应大气多普勒频移信息，即风速信息。

该大动态风场探测激光雷达还包括：

激光扫描单元30，用于当收发望远镜单元20将脉冲光扩束并指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。

所述激光脉冲产生单元10包括：激光光源11、脉冲发生器12、光纤分束器13、激光放大器14以及可调衰减器15；其中，激光光源11出射的激光由脉冲发生器12调制成脉冲，调制的脉冲经光纤分束器13一分为二，其中一路由所述光纤分束器13的b端口经可调 衰减器15处理后作为参考信号传输至光谱扫描单元50，另一路由所述光纤分束器13的a端口经激光放大器14处理后作为探测信号传输至收发望远镜单元20；

或者，所述激光脉冲产生单元10包括：激光光源11、脉冲发生器12、光纤分束器13、激光放大器14、光纤环形器16和延时光纤17；其中，激光光源11出射的激光由脉冲发生器12调制成脉冲，调制的脉冲经光纤分束器13一分为二，其中一路由所述光纤分束器13的b端口经光纤环形器16和延时光纤17处理后作为参考信号传输至光谱扫描单元50，另一路由所述光纤分束器13的a端口经激光放大器14处理后作为探测信号传输至收发望远镜单元20。

所述激光光源11为1.5μm激光器，脉冲发生器13为电光调制器EOM或声光调制器AOM，激光放大器14为掺铒光纤放大器EDFA。

所述收发望远镜单元20的包括：发射单元21、接收单元22和延时光纤23，发射单元21用于对探测信号进行扩束后指向探测大气；所述接收单元22用于接收回波信号；所述延时光纤23用于在时域上将参考信号和回波信号分开；

其中，所述收发望远镜为收发同轴结构，或者收发离轴结构。

所述的背景噪声滤除单元40用于滤除大气背景噪声，其包括光纤环形器41和光纤布拉格光栅42，其中光纤布拉格光栅42的中心波长与探测信号中心波长一致。

所述光谱扫描单元50包括：光纤分束器51、光纤环形器52、扫描式光纤F-P干涉仪53、光纤F-P干涉仪控制器54与恒温恒压装置55；所述参考信号在时域上先到达光纤分束器51，从光纤分束器51出射的信号先经过光纤环形器52的a端口到达扫描式光纤F-P干涉仪53，其中扫描式光纤F-P干涉仪53的透射信号直接进入单光子探测单元60，扫描式光纤F-P干涉仪53的反射信号返回光纤环形器52后从b端口出射后进入单光子探测单元60；所述恒温恒压装置55用于确保扫描式光纤F-P干涉仪53在恒温恒压下工作；

其中，在测风前，通过控制光纤F-P干涉仪控制器54的输出电压使激光频率位于扫描式光纤F-P干涉仪53自由谱间距的中心位置，从而通过鉴别大气气溶胶谱相对参考激光谱的位置确定大气多普勒频移的符号。

所述单光子探测单元60包括两个单光子探测器，分别接收扫描式光纤F-P干涉仪53的透射信号与反射信号；

所述单光子探测器可为超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器或铟镓砷单光子探测器。

所述数据采集单元70包括两个数据采集器，分别独立连接一单光子探测器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出：1)采用1.5μm激光，该波长具有人眼最大允许曝光功率最大、大气透过率高、通信波段光纤器件成熟等优点，因此研制的全光纤测风激光雷达具有低成本、小型化、智能化和高效稳定等优点。2)采用扫描式光纤F-P干涉仪，相比于基于1.5μm的相干测风激光雷达系统，其具有探测距离远、风速探测范围大，可分辨多普勒符号和距离分辨率高等的优点。在相干激光雷达中，其探测距离受限于相干长度，其风速探测范围受限于探测器的带宽，并且需通过声光调制器辅助才能完成多普勒符号的甄别。3)采用单光子探测技术，即采用直接探测技术进行大气风场的探测，通过单光子探测技术可实现对微弱大气回波信号的探测。4)基于扫描F—P干涉仪的全光纤测风激光雷达，特别适用于大风速动态范围的探测，其风速探测范围由扫描式F-P干涉仪的自由谱间距(FSR)决定，当参考光频率位于光纤F-P干涉仪FSR的中心位置时，其多普勒探测范围为-FSR/2～FSR/2。5)采用参考光进行零频标定的，通过甄别后向散射谱位于参考谱的哪一侧，从而方便高效的提取多普勒的符号。6)共同利用了光纤F-P干涉仪的透射信号和反射信号，避免了扫描过程中能量浪费。7)一方面通过确定扫描获得的谱线的中心位置可用于反演大气风场，另外一方面通过拟合谱线的半宽可用于研究大气湍流。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达的光路示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达的光路示意图；

图3为本发明实施例提供的光谱扫描单元仅处理扫描式光纤F-P干涉仪透射信号的示意图；

图4为本发明实施例提供的光谱扫描单元仅处理扫描式光纤F-P干涉仪反射信号的示意图；

图5为本发明实施例提供的光谱扫描单元同时处理扫描式光纤F-P干涉仪透射信号与反射信号的示意图；

图6为本发明实施例提供的基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达的测量实例。

具体实施方式

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。

如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的大动态风场探测激光雷达的光路示意图；其主要包括：

激光脉冲产生单元10、收发望远镜单元20、背景噪声滤除单元40、光谱扫描单元50、单光子探测单元60、数据采集单元70和后续数据反演和显示单元80；其中：

激光脉冲产生单元10输出探测信号与参考信号；其中的探测信号经收发望远镜单元20扩束后指向探测大气，并由收发望远镜单元20接收回波信号；所述回波信号先经背景噪声滤除单元40滤除背景噪声；所述光谱扫描单元50对滤除背景噪声后的回波信号以及参考信号进行提取，提取的光学信号由单光子探测单元60进行探测，探测得到的电信号通过数据采集单元70进行采集记录，最后通过后续数据反演和显示单元80反演和显示大气风速。

反演时通过直接对气溶胶谱进行谱分析，能同时反演谱宽和谱中心位置信息，而谱中心位置的改变对应大气多普勒频移信息，即风速信息。

优选的，还可以包括：激光扫描单元30，用于当收发望远镜单元20将脉冲光扩束并指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。

如图1所示，所述激光脉冲产生单元10主要包括：激光光源11、脉冲发生器12、光纤分束器13、激光放大器14以及可调衰减器15；其中，激光光源11出射的激光由脉冲发生器12调制成脉冲，调制的脉冲经光纤分束器13一分为二，其中一路由所述光纤分束器13 的b端口经可调衰减器15处理后作为参考信号传输至光谱扫描单元50，另一路由所述光纤分束器13的a端口经激光放大器14处理后作为探测信号传输至收发望远镜单元20；所述可调衰减器15可以防止强的激光损坏单光子探测器。

或者，针对短脉宽的情况，如图2所示，所述激光脉冲产生单元10主要包括：激光光源11、脉冲发生器12、光纤分束器13、激光放大器14、光纤环形器16和延时光纤17；其中，激光光源11出射的激光由脉冲发生器12调制成脉冲，调制的脉冲经光纤分束器13一分为二，其中一路由所述光纤分束器13的b端口经光纤环形器16和延时光纤17处理后作为参考信号传输至光谱扫描单元50，另一路由所述光纤分束器13的a端口经激光放大器14处理后作为探测信号传输至收发望远镜单元20；所述的参考信号为光纤瑞利后向散射信号，通过采集准连续的光纤瑞利后向散射信号可增加采集的Bin数，提高信噪比。

示例性的，所述激光光源11可以为1.5μm激光器，脉冲发生器13可以为电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)，激光放大器14可以为掺铒光纤放大器(EDFA)。

本发明实施例中，所述收发望远镜单元20的包括：发射单元21、接收单元22和延时光纤23，发射单元21用于对探测信号进行扩束后指向探测大气；所述接收单元22用于接收回波信号；所述延时光纤23用于在时域上将参考信号和回波信号分开；

其中，所述收发望远镜为收发同轴结构，或者收发离轴结构。

本发明实施例中，所述的背景噪声滤除单元40用于滤除大气背景噪声，其包括光纤环形器41和光纤布拉格光栅42，其中光纤布拉格光栅42的中心波长与探测信号中心波长一致。

本发明实施例中，所述光谱扫描单元50包括：光纤分束器51、光纤环形器52、扫描式光纤F-P干涉仪53、光纤F-P干涉仪控制器54与恒温恒压装置55；所述参考信号在时域上先到达光纤分束器51，从光纤分束器51出射的信号先经过光纤环形器52的a端口到达扫描式光纤F-P干涉仪53，其中扫描式光纤F-P干涉仪53的透射信号直接进入单光子探测单元60，扫描式光纤F-P干涉仪53的反射信号返回光纤环形器52后从b端口出射后进入单光子探测单元60；所述恒温恒压装置55用于确保扫描式光纤F-P干涉仪53在恒温恒压下工作；

其中，在测风前，通过控制光纤F-P干涉仪控制器54的输出电压使激光频率位于扫描式光纤F-P干涉仪53自由谱间距的中心位置，从而通过鉴别大气气溶胶谱相对参考激光谱的位置确定大气多普勒频移的符号。

此外，除了上文同时采用光纤F-P干涉仪的透射和反射信号外，还可以仅采用采用光纤F-P干涉仪的透射信号，或者光纤F-P干涉仪的反射信号。

本发明实施例中，所述单光子探测单元60包括两个单光子探测器，分别接收扫描式光纤F-P干涉仪53的透射信号与反射信号；

所述单光子探测器为超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器或铟镓砷单光子探测器。

本发明实施例中，所述数据采集单元70包括两个数据采集器，分别独立连接一单光子探测器。

为了便于理解本发明，下面介绍一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的高光谱分辨大动态风场探测激光雷达的原理。

请参见图2所示，本发明采用扫描式光纤F-P干涉仪53进行气溶胶后向散射谱的扫描，扫描式光纤F-P干涉仪控制器54通过调节的输入电压实现F-P干涉仪的扫描，输入电压改变使得F-P干涉仪的腔长变化，频率增量Δυ和腔长增量Δl的关系为

$\frac{\Delta \upsilon }{\Delta l}=-\frac{{\upsilon }_0}{l}$

式中，υ₀为入射光的频率；l为法布里－帕罗干涉仪的腔长；“-”号表示当要求频率上移时，法布里－帕罗干涉仪的腔长需要缩短。

当采用光纤F-P干涉仪控制器54扫描所述扫描式光纤F-P干涉仪53时，将获得如图3a所示的透过率曲线，其中两个峰之间的距离为扫描式光纤F-P干涉仪53的自由谱间距。在图3(a)基础上，通过设置偏置电压V_offset时，可使出射激光谱的位置位于光纤F-P干涉仪FSR的中心位置，该处为零多普勒频移的位置。如果用此F-P干涉仪同时分析参考光和大气回波信号，并且大气回波信号的多普勒频率增加时，扫描获得的回波信号谱将偏离参考谱，如图3(c)所示，当多普勒频率降低时，扫描获得的回波信号谱将位于参考谱的另外一边。通过分析参考谱和回波信号谱的中心频率偏移可获得多普勒频移的大小，而通过甄别回波信号谱是位于参考谱的哪一侧从而获得多普勒频率的符号信息。

根据如上所述，当参考光频率位于F-P干涉仪的自由谱间距的中心位置时，其可分辨多普勒频率的符号，其风速测量范围为-FSR/2～FSR/2(如果仅测量个方向的多普勒频 移，其测量范围为0～FSR)。假设FSR＝1GHz时，当波长为1.5μm时，其对应的风速测量动态范围为-375m/s～375m/s(单方向多普勒频移动时为0m/s～775m/s)。

参见图4所示，扫描谱线可为光纤F-P干涉仪的反射谱，其原理类似。

参见图5所示，也可同时扫描获得光纤F-P干涉仪的透射谱和反射谱，本发明优选同时采用透射谱和反射谱，从而增加能量的利用率。

参见图6所示为实测的数据，图6所示的扫描电压曲线为F-P干涉仪控制器的扫描电压曲线，其扫描电压范围为-3.2V至-2.2V，扫描步数为40步，每一步停留时间为3s，每一步接收回的透射信号与反射信号如图6所示，其横轴为探测距离，纵轴为接收回的光子数。扫描40步获得的透射谱与反射谱如图6所示，其X轴为扫描步数，Y轴为探测距离，Z轴为接收的光子数。对透射谱和反射谱求Q＝(aT-R)/(aT+R)后可获得的如图6所示的Q值谱分布，其中前面一段为激光参考谱，后一段为气溶胶散射谱，通过计算回波谱的中心频移可即可反演大气风速信息。

所述的一种基于全光纤扫描F-P干涉仪的高光谱分辨大动态风场探测激光雷达具有如下优点：

1、本发明采用1.5μm激光，该波长具有人眼最大允许曝光功率最大、大气透过率高、通信波段光纤器件成熟等优点，因此研制的全光纤测风激光雷达具有低成本、小型化、智能化和高效稳定等优点。

2、本发明提出的测风激光雷达采用扫描式光纤F-P干涉仪，相比于基于1.5μm的相干测风激光雷达系统，其具有探测距离远、风速探测范围大，可分辨多普勒符号和距离分辨率高等的优点。在相干激光雷达中，其探测距离受限于相干长度，其风速探测范围受限于探测器的带宽，并且需通过声光调制器辅助才能完成多普勒符号的甄别。

3、本发明采用单光子探测技术，即采用直接探测技术进行大气风场的探测，通过单光子探测技术可实现对微弱大气回波信号的探测。

4、本发明提出的基于扫描F—P干涉仪的全光纤测风激光雷达，特别适用于大风速动态范围的探测，其风速探测范围由扫描式F-P干涉仪的自由谱间距(FSR)决定，当参考光频率位于光纤F-P干涉仪FSR的中心位置时，其多普勒探测范围为-FSR/2～FSR/2。

5、本发明提出了采用参考光进行零频标定的，通过甄别后向散射谱位于参考谱的哪一侧，从而方便高效的提取多普勒的符号。

6、本发明共同利用了光纤F-P干涉仪的透射信号和反射信号，避免了扫描过程中能量浪费。

7、本发明提出的高光谱分辨测风激光雷达，一方面，通过确定扫描获得的谱线的中心位置可用于反演大气风场，另一方面，通过拟合谱线的半宽可用于研究大气湍流。

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。