专利名称：多普勒测风激光雷达光学接收系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及多普勒测风激光雷达光学接收系统。
背景技术：
瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长， 没有频率位移的弹性光散射。瑞利散射测风激光雷达是一种大气风场的探测方式，采用直接测量方式实现，其原理是通过大气分子的群速来反映大气的风速。发射机向大气中发射激光，激光遇到大气分子产生后向散射，后向散射的激光信号被接收机接收，如果大气分子因风产生运动，那么接收机接收到的瑞利散射信号就会产生多普勒频移，利用光学鉴频器检测出激光因大气分子运动而产生的多普勒频移，就可以反演出风速的大小，再利用多波束原理可以得到矢量风场。瑞利散射的直接探测方法是测量高空大气的多普勒频移的最佳途径，所谓直接探测方法，是测量大气回波的能量信号，并利用光学器件对接收到的光信号进行多普勒频率检测，目前，国际上采用较多的光学检测元件是？？尔油^寸吐时，法布里-珀罗)标准具，该 FP标准具利用标准具的透过率随频率变化的关系，检测大气回波信号的多普勒频率改变， 从而获得大气回波信号的径向速度。目前，国际上采用的FP标准具的双边缘技术，通过望远镜1接收到的信号通过光学分束镜分别送到边缘标准具的三个通道，三个通道包括两个信号通道和一个锁定通道， 由于锁定通道中的光信号，来自后向散射光在望远镜附近反射回来的光，即将部分后向散射光信号分配到锁定通道，这样导致后向散射光信号的损失，进而导致光路接收装置的接收效率下降；由于FP标准具中三个通道的口径相同且分布在标准具的一个基板上，这样FP 标准具的尺寸较大，不利于FP标准具的加工，且增加了加工成本；而且，FP标准具中三个通道的口径相同且分布在一个FP标准具基板上，光路在空间交叉较大，使得光路系统比较复杂，不利于光路的调整。

发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种多普勒测风激光雷达光学接收系统，减小了 FP标准具的面积、提高了锁定通道信号的信噪比及系统的测量精度，技术方案如下一种多普勒测风激光雷达光学接收系统，包括接收光路系统、FP标准具、探测采集系统及控制系统，其中所述FP标准具包括两个信号通道和一个锁定通道，两个信号通道并列位于该FP 标准具口径的中心线上，所述锁定通道位于所述信号通道的上方，且该锁定通道的直径小于所述信号通道的直径；接收光路系统包括锁定通道光路和信号通道两个相对独立的光路，以及光信号探测部，其中
激光器出射的小部分激光，经过所述锁定通道光路中的第一光耦合器、第一分光镜，进入所述FP标准具中的锁定通道；大气后向散射光经过信号通道光路中的第二光耦合器、第二分光镜及第三分光镜，分别耦合进所述FP标准具的两个信号通道；光信号探测部通过多个光电探测器探测得到经过所述FP标准具各个通道的光信号，提供给所述探测采集系统；所述探测采集系统，通过光子采集卡采集所述光子探测器探测得到的所述信号通道的光信号，提供给所述控制系统，通过模拟采集卡采集所述锁定通道的光信号，提供给所述控制系统；所述控制系统，根据两个信号通道的光信号强度反演出大气多普勒频率移动；根据锁定通道的光信号，计算得到锁定通道的透过率，并根据所述透过率调整所述FP标准具的腔长，使得所述激光器出射激光频率位于所述FP标准具的两个信号通道的透过率曲线的交叉位置。优选的，所述接收光路系统具体包括激光器出射的小部分光信号经过第一光耦合器耦合进光纤，经过第一准直镜扩束成平行光束，由干涉滤光片过滤背景光，经过第一分光镜的出射光束被第一反射镜反射进所述锁定通道，从所述锁定通道出射的光束，经过第二反射镜反射进第一聚焦透镜后被第一模拟探测器探测；所述第一分光镜的反射光束被第三反射镜反射进第二聚焦透镜被第二模拟探测器探测；大气后向散射光经过第二光耦合器耦合进光纤，通过第二准直镜扩束成平行光束，经过滤光片过滤背景光后，经过第二分光镜后的反射光束经第三分光镜后的反射光束， 经过第四反射镜进入所述FP标准具的第一信号通道，再经过第五反射镜被第三聚焦透镜， 被第一光子探测器探测；经过第三分光镜后的透射光束，经过第六反射镜及第七反射镜进入所述FP标准具的第二信号通道，再经过第八反射镜进入第四聚焦透镜被第二光子探测器探测；经过第二分光镜后的透射光束，经过第九反射镜进入第五聚焦透镜被第三光子探测器探测。优选的，所述FP标准具包括两个平行设置的玻璃平板，通过在玻璃平板上镀上相应厚度的介质膜改变FP标准具的腔长，第一信号通道的介质膜比锁定通道的介质膜厚度大，第二信号通道未镀介质膜。优选的，所述探测采集系统包括光子采集卡和模拟采集卡，所述光子采集卡包括与所述第一光子探测器相连第一光子采集卡、与第二光子探测器相连的第二光子采集卡，以及与第三光子探测器相连的第三光子采集卡；所述模拟采集卡的两输入端分别与所述第一模拟探测器及第二模拟探测器相连， 输出端通过PCI总线与所述控制系统相连。优选的，所述控制系统包括控制器模块；与所述控制器模块相连的门控电路，用于触发第一光子探测器、第二光子探测器、 第三光子探测器、光子采集卡及模拟采集卡工作；
通过RS232串行接口与所述控制器模块相连的标准具控制箱；所述控制器模块根据，模拟采集卡提供的锁定通道的透过率，计算出所述FP标准具腔长相应变化的步长，并通过所述标准具控制箱调节所述FP标准具的腔长。优选的，所述FP标准具内部通过压电晶体调节腔长。优选的，所述光子采集卡为MCS-PCI采集卡。综上所述，所述多普勒测风激光雷达光学接收系统，FP标准具的信号通道和锁定通道分别采用了两个独立的光路，即通过第一耦合器采集激光器出射的小部分光，经过分光镜、反光镜等光学元件进入所述FP标准具的锁定通道，通过第二耦合器采集大气后向散射光，经过分光镜、反光镜等光学元件进入所述FP标准具的信号通道。由于锁定通道的光是激光器出光口处的散射光，减少了信号通道的光信号损失，又由于这部分散射光的强度比大气后向散射光的强度大，提高了频率锁定效率，提高了大气风场测量精度，同时，由于 FP标准具的锁定通道的光强度比较大，因此可以减小FP标准具的锁定通道的口径，从而减小了 FP标准具的口径，进而大大降低了 FP标准具的加工成本。而且，由于采用一路单独的光路通向FP标准具的锁定通道，且锁定通道的口径较小，光路行走中干涉部分较小，因此， 光路系统较简单，且有利于光路的调节。


为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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他的附图。图1为采用本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达光学接收系统的整个测风激光雷达系统的结构示意图；图2为本申请实施例提供的光路接收系统的结构示意图；图3a为本申请实施例一种FP标准具的主视结构示意图；图北为本申请实施例一种FP标准具的侧视结构示意图；图3c为本申请实施例一种FP标准具的俯视接收示意图；图3d为图3c中A的放大示意图；图4为本申请实施例一种探测采集系统及控制系统的结构示意图；图5为瑞利散射和三通道标准具透过率频谱分布图；图6a为利用多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达中测得的风速与气球的对比廓线；图6b为利用多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达中测得的风向与气球的对比廓线；图7a为利用本接收机系统在激光雷达系统中测得风廓线图和风廓线雷达在 00:20AM on 25Nov 2009测得风场廓线图的对比图；图7b为利用本接收机系统在激光雷达系统中测得风廓线图和风廓线雷达在 00:40AM on 25Nov 2009测得风场廓线图的对比图。
具体实施例方式为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本申请作进一步详细的说明。请参见图1，图1为本申请实施例一种多普勒测风激光雷达光学接收系统的结构示意图，该系统包括接收光路系统100、FP标准具200、探测采集系统300，以及控制系统400，其中FP标准具200包括三个通道，即第一信号通道El、第二信号通道E2以及锁定通道 L，其中第一信号通道El和第二信号通道E2并列位于FP标准具口径的中心线上，锁定通道L位于第一信号通道El和第二信号通道E2的上方，这样能够充分利用FP标准具的口径， 从而减小了 FP标准具的口径。接收光路系统100包括锁定通道光路、信号通道光路及信号探测部，其中激光器10出射的大部分光经过扫描系统射向大气中，只有一小部分光经过锁定通道光路中的第一光耦合器101接收，经过第一分光镜102后的反射光经过第一分光镜102 发射后，其反射光进入FP标准具200的锁定通道L，从锁定通道L射出的光经过信号探测部中的信号探测器107提供给探测采集系统300。射向大气的激光，当遇到大气分子时会产生后向散射，大气后向散射光经过第二光耦合器103，耦合进光纤中，经过第二分光镜104后的透射光进入FP标准具200的第一信号通道E1，从第一信号通道El射出的光经过光电探测部中的光子探测器106提供给探测采集系统300。经过第二分光镜104后的反射光经过第三分光镜105后的反射光进入FP标准具 200的第二信号通道E2，经过光子探测器108提供给探测采集系统300。第三分光镜105的出射光经过光电探测部中的光子探测器109提供给探测采集系统300。探测采集系统300包括光子采集卡和模拟采集卡，用于采集探测器得到的光信号，其中经过第一分光镜102后的透射光经信号探测器110探测后，被模拟采集卡采集得到，从锁定通道L射出的光信号经过信号探测器107探测后，被模拟采集卡采集得到。从第一信号通道El出射的光经光电探测器106探测后，被光子采集卡采集得到， 从第二信号通道E2出射的光经光子探测器108探测后，被光子采集卡采集得到，。控制系统400，根据所述光子采集卡采集得到信号，得到大气后向散射信号产生的多普勒频移，进而反演出大气径向风速的大小。同时该控制系统还根据接收到的经过锁定通道L前后的光信号，计算得到锁定通道L的透过率，根据该透过率调整FP标准具200的腔长，来锁定FP标准具与激光器发射的激光频率的频谱位置。由于发热和环境温度的影响， 激光器发射的激光频率会产生频率漂移，如果FP标准具200的频率始终保持不变，无法保证激光器发射的激光稳定的处于相应的位置，因此测出的多普勒频移数据存在不确定性和误差。控制系统400可以根据模拟采集卡302采集得到的数据计算出锁定通道的透过率值， 从而根据公式反演确定发射激光的相对频率，并确定FP标准具对应改变的步长，调整FP标准具200的腔长，始终使激光器发射的激光频率锁定在FP标准具两个信号通道透过率交叉点的位置，从而提高了测量精度。本实施例提供的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其中，光路接收系统中，通过两个分离、独立的光路结构为FP标准具提供光信号，即其中一个光路使激光器发射的小部分激光信号进入FP标准具的锁定通道，另一个光路使大气后向散射信号进入FP标准具的信号通道。因为，进入锁定通道的散射光的强度比大气后向散射光的强度大，提高了频率锁定效率，提高了测量精度，同时，由于锁定通道的光信号强度大，故可以减小FP标准具的锁定通道的口径，进而减小FP标准具的口径，降低了 FP标准具的加工成本。而且，由于一路单独的光路通向FP标准具的锁定通道，且锁定通道的口径较小，光路行走中干涉部分较小，因此，光路系统较简单，有利于光路的调节。请参见图2，图2为本申请实施例提供的光路接收系统的结构示意图，光路接收系统主要用于接收大气后向散射光信号，并使大气后向散射光信号按照要求经过频率鉴频器后被探测器探测。具体的，激光器发射的激光大部分进入大气，只有小部分被第一光耦合器1耦合进光纤2中，然后经过第一准直镜3扩束成平行光束，光束经过第一滤光片4过滤后的出射光，经过第一分光镜5分成出射光和反射光两束光，其中，出射光束，被第一反射镜6反射进 FP标准具的锁定通道L，从锁定通道L出射的光束，经过第二反射镜7反射进第一聚焦透镜 8聚焦，进而被第一模拟探测器9探测；经过第一分光镜5分光后的反射光，被第三反光镜10反射进第二聚焦透镜11聚焦，进而被第二模拟探测器12探测。激光器发射向大气的激光，遇到大气分子产生后向散射，大气后向散射光经过第二光耦合器13耦合进光纤14中，经过第二准直镜15扩束成平行光束，光束经过第二滤光片16过滤后的出射光经过第二分光镜17后分成出射光和反射光两束光，其中反射光经过第三分光镜18后的反射光经过第四反光镜19进入FP标准具的第一信号通道El，经过第一信号通道El后的出射光经过第五反射镜20进入第三聚焦透镜21聚焦，进而被第一光子探测器22探测；经过第三分光镜18后的出射光经第六反射镜23及第七反射镜M进入FP标准具的第二信号通道E2，从所述第二信号通道E2出射的光信号经过第八反射镜25进入第四聚焦透镜26，被第二光子探测器27探测；经过第二分光镜17后的出射光，经过第九反射镜28进入第五聚焦透镜四聚焦， 进而被第三光子探测器30探测。通过本实施例提供的光路接收系统，实现了通向FP标准具的锁定通道和信号通道的两个光路之间的分离独立，而且，由于锁定通道的光信号是来自激光器的光，这部分光信号的强度比大气后向散射光信号强度强得多。请参见图3a-图3d，图3a为本申请实施例，图北为本申请实施例一种FP标准具的侧视结构示意图，图3c为本申请实施例一种FP标准具的俯视接收示意图，图3d为图3c 中A的放大示意图，FP标准具包括两个平行放置的剥离平板，通过在剥离平板上相应厚度的介质膜改变FP标准具的腔长，其中第一信号通道El和第二信号通道E2位于FP标准具口径的中心线上，锁定通道L位于第一信号通道El和第二信号通道E2的上方，且锁定通道的口径小于第一信号通道El和第二信号通道E2的口径，在达到探测精度的条件下尽量减少了整个标准具的口径，降低了 FP标准具的成本。
由图北-图3d，可以看出第一信号通道El所在处的介质膜的厚度大于锁定通道 L所在处的介质膜，第二信号通道E2所在处未镀介质膜，这样，将信号通道与锁定通道分离开，减少了信号的损失，提高了探测信号的信噪比，同时，能够在风场测量时监测FP标准具相对于激光频率的位置，达到时时锁频的效果，提高了探测精度。其中FP标准具三个通道透过率曲线如图5所示，Edge 1 filter代表FP标准具的信号通道1的透过率示意曲线，Edge 2 filter代表FP标准具的信号通道2的透过率示意曲线，Locking filter代表FP标准具的锁定通道L的透过率示意曲线，laser代表激光器发射激光曲线，Aerosol spectrum和Rayleigh spectrum代表大气后向散射的回波曲线， 这个曲线代表了风速测量的基本原理。请参见图4，图4为本申请实施例，探测采集系统包括光子采集卡301、模拟采集卡302 ；控制系统主要包括控制器模块401、门控电路402、标准具控制箱403。具体的，光子采集卡301可以通过MCS-PCI采集卡实现，可以包括与第一光子探测器22相连的第一光子采集卡、与第二光子探测器27相连的第二光子采集卡，以及与第三光子探测器30相连的第三光子采集卡，三个采集卡的输出端均与控制器模块401相连，用于将采集得到的光信号提供给控制器模块401。模拟采集卡302，包括分别于第一模拟探测器、第二模拟探测器相连的两个输入通道，用于采集第一模拟探测器、第二模拟探测器探测得到的光信号转换成数字信号提供给控制器模块401。门控电路402，用于在控制器模块401的控制作用下产生触发脉冲，触发第一光电探测器22、第二光电探测器27、第三光电探测器30、光子采集卡301及模拟采集卡进入工作状态。控制器模块401根据模拟采集卡302提供的锁定通道的透过率，计算得到FP标准具腔长相应变化的步长，并通过标准具控制箱403调节所述FP标准具的腔长，即调整FP标准具三个通道对应激光频率的位置，使得激光器发射的激光，始终在FP标准具的两个信号通道透过率曲线的交叉位置。同时，控制器模块401根据通过光子采集卡301得到数据是两个信号通道的光子数形式的数据，但是因光多普勒因素这两个通道光子强度是变化的，利用光子强度的变化来反演出大气的多普勒频率移动量，进而反演出径向风速。所述标准具控制箱403通过RS232串行接口与控制器模块401相连，所述FP标准具通过压电晶体调节标准具的腔长。利用本申请实施例提供的多普勒测风激光雷达光学接收系统，能够得到的大气风场廓线，图6a为利用多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达中测得的风速与气球的对比廓线示意图，图中DWL(doppler wind lidar，多普勒测风激光雷达)为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达系统中测得的风速数据；balloon为气球测得的风速数据，由图可以很清楚的看到两者能够很好的符合。图6b为利用多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达系统中测得的风向与气球的对比轮廓线示意图，DffL为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达系统中测得的风向数据；balloon为气球测得的风向数据，由图可以很清楚的看到两者能够很好的符合。图7a和图7b是在激光能量较小的情况下及不同时间段，利用本接收机系统在激激光雷达系统中测得的风廓线图和风廓线雷达系统测得的风场廓线图的对比，图7a是 00:20AM on 25Nov 2009测得的数据，图7b是在0040AMon 25Nov 2009测得的数据，两图中DffL为利用本申请提供的多普勒测风激光雷达接收系统在激光雷达系统中测得的风速数据，WPR(wind profile radar，微波风廓线雷达)为利用风廓线雷达测得的风场速度数据。从两图中可以看出两种测量方式得到的廓线基本一致，说明本申请提供的多普勒测风激光雷达光学接收系统也可以测量大气低层以气溶胶散射为主的后向散射信号。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。以上所述仅是本申请的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
权利要求
1.一种多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，包括接收光路系统、FP标准具、探测采集系统及控制系统，其中所述FP标准具包括两个信号通道和一个锁定通道，两个信号通道并列位于该FP标准具口径的中心线上，所述锁定通道位于所述信号通道的上方，且该锁定通道的直径小于所述信号通道的直径；所述接收光路系统包括锁定通道光路和信号通道两个相对独立的光路，以及光信号探测部，其中激光器出射的小部分激光，经过所述锁定通道光路中的第一光耦合器、第一分光镜，进入所述FP标准具中的锁定通道；大气后向散射光经过信号通道光路中的第二光耦合器、第二分光镜及第三分光镜，分别耦合进所述FP标准具的两个信号通道；光信号探测部通过多个光电探测器探测得到经过所述FP标准具各个通道的光信号， 提供给所述探测采集系统；所述探测采集系统，通过光子采集卡采集所述光子探测器探测得到的所述信号通道的光信号，提供给所述控制系统，通过模拟采集卡采集所述锁定通道的光信号，提供给所述控制系统；所述控制系统，根据两个信号通道的光信号强度反演出大气多普勒频率移动；根据锁定通道的光信号，计算得到锁定通道的透过率，并根据所述透过率调整所述FP标准具的腔长，使得所述激光器出射激光频率位于所述FP标准具的两个信号通道的透过率曲线的交叉位置。
2.根据权利要求1所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述接收光路系统具体包括激光器出射的小部分光信号经过第一光耦合器耦合进光纤，经过第一准直镜扩束成平行光束，由干涉滤光片过滤背景光，经过第一分光镜的出射光束被第一反射镜反射进所述锁定通道，从所述锁定通道出射的光束，经过第二反射镜反射进第一聚焦透镜后被第一模拟探测器探测；所述第一分光镜的反射光束被第三反射镜反射进第二聚焦透镜被第二模拟探测器探测；大气后向散射光经过第二光耦合器耦合进光纤，通过第二准直镜扩束成平行光束，经过滤光片过滤背景光后，经过第二分光镜后的反射光束经第三分光镜后的反射光束，经过第四反射镜进入所述FP标准具的第一信号通道，再经过第五反射镜被第三聚焦透镜，被第一光子探测器探测；经过第三分光镜后的透射光束，经过第六反射镜及第七反射镜进入所述FP标准具的第二信号通道，再经过第八反射镜进入第四聚焦透镜被第二光子探测器探测；经过第二分光镜后的透射光束，经过第九反射镜进入第五聚焦透镜被第三光子探测器探测。
3.根据权利要求2所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述FP标准具包括两个平行设置的玻璃平板，通过在玻璃平板上镀上相应厚度的介质膜改变FP标准具的腔长，第一信号通道的介质膜比锁定通道的介质膜厚度大，第二信号通道未镀介质膜。
4.根据权利要求2所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述探测采集系统包括光子采集卡和模拟采集卡，其中所述光子采集卡包括与所述第一光子探测器相连第一光子采集卡、与第二光子探测器相连的第二光子采集卡，以及与第三光子探测器相连的第三光子采集卡；所述模拟采集卡的两输入端分别与所述第一模拟探测器及第二模拟探测器相连，输出端通过PCI总线与所述控制系统相连。
5.根据权利要求4所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器模块；与所述控制器模块相连的门控电路，用于触发第一光子探测器、第二光子探测器、第三光子探测器、光子采集卡及模拟采集卡工作；通过RS232串行接口与所述控制器模块相连的标准具控制箱；所述控制器模块根据模拟采集卡提供的锁定通道的透过率，计算出所述FP标准具腔长相应变化的步长，并通过所述标准具控制箱调节所述FP标准具的腔长。
6.根据权利要求5所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述FP标准具内部通过压电晶体调节腔长。
7.根据权利要求6所述的多普勒测风激光雷达光学接收系统，其特征在于，所述光子采集卡为MCS-PCI采集卡。
全文摘要
本申请公开了一种多普勒测风激光雷达光学接收系统，采用两个独立的光路，即通过第一耦合器采集激光器出射的小部分光，经过分光镜、反光镜等光学元件进入所述FP标准具的锁定通道；通过第二耦合器采集大气后向散射光，经过分光镜、反光镜等光学元件进入所述FP标准具的两个信号通道，因为锁定通道的光信号来自激光器出光口处的散射光，减少了信号通道的光信号损失，而且这部分散射光的强度比大气后向散射光的强度大，提高了频率锁定效率，提高了大气风场测量精度，同时，可以减小FP标准具的锁定通道的口径，大大降低了FP标准具的加工成本，且光路系统较简单，有利于光路的调节。
文档编号G01S17/95GK102226842SQ20111007452
公开日2011年10月26日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者夏海云, 孙东松, 窦贤康, 舒志峰, 薛向辉, 陈廷娣 申请人:中国科学技术大学