专利名称：多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统及其标定方法
技术领域：
本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系 统，本发明还涉及采用该标定系统进行标定的方法。
背景技术：
大气风场的测量有助于研究行星尺度动力学、天气尺度动力学以及中小尺度天气 系统动力学。精确地观测大气风场对于提高天气预报、风暴预报的准确性、改善气候模型的 准确性具有重要的意义。同时，精确地观测大气风场对于军事气象和环境预报、提高航空航 天保障也具有十分重要的意义。激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、 气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。近些年来，测风激光雷达在国内外得到了飞速的 发展。测风激光雷达可以实时监测大气湍流场的变化，探测强切变风场，不仅可以准确提供 风廓线数据，还可以改进现有风预报的精度。多普勒测风激光雷达的工作方式主要可分为相干(外差检测)和非相干(直接检 测)测量。相干测量主要利用气溶胶或大粒子的散射信号，适用于低层大气风廓线探测，而 在气溶胶浓度很低的清洁大气和中高空很难获得大气风速信息。非相干探测方法可以同时利用大气气溶胶和分子散射信号，属于能量检测，其适 用范围较广，适合对流层到平流层的风廓线探测。通常，非相干多普勒测风雷达主要采用的 多普勒鉴频技术包括fabry-Perot (F-P)边缘检测及原子滤波器鉴频(单边缘或双边缘) 技术以及干涉条纹图像检测技术等。但是，对于多普勒测风激光雷达系统而言，由于风速瞬时变化很快，且不同区域 的风速也不相同，因此其时空变化非常复杂和迅速。因此，对测风激光雷达系统进行标定 时，无论采用传统的无线电探空气球、风廓线雷达、声雷达，还是其他测风手段进行比对，都 无法获得与激光雷达系统同步的实时风场信息，这就使得测风激光雷达的系统标定比较困难。

发明内容
本发明的目的是提供一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，解决了现有的测 风激光雷达系统标定困难，无法获得与激光雷达系统同步的实时风场信息的问题。本发明的另一目的是提供一种上述系统的标定方法。本发明所采用的技术方案是，一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，包括脉 冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜 a、光纤、透镜b、透镜C、旋转体，旋转体上设置有速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反 射镜b、透镜d ；分束镜a的另一条光路上依次设置有反射镜a、反射镜b及透镜d。本发明所采用的另一技术方案是，一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，采 用一种标定系统，该系统的结构是包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜a、光纤、透镜b、透镜C、旋转体，旋转体上设置有 速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反射镜b、透镜d ；分束镜a的另一条光路上依次设 置有反射镜a、反射镜b及透镜d，
具体按照以下步骤实施
步骤1 脉冲激光器射出激光束，经过分束镜a分成两束，其中一路光束通过透镜a后， 耦合进入光纤，传输至透镜b会聚后，沿切线方向入射到旋转体上，旋转体的入射边沿处产 生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光 信号经过透镜c后由反射镜b反 射，被透镜d聚焦后耦合进分光系统，该路光束为标定光；
另一路光束通过反射镜a反射后，反射光穿过反射镜b的中心小孔后，被透镜d聚焦后 耦合进分光系统，该路光束为参考光；
步骤2 根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体的速度反演便得到 多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定。本发明的特点还在于，
其中的步骤2根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体的速度便反 演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定，采用 一种分光装置，包括依次设置的透镜e及分束镜b，分束镜b的一路依次设置有分光系统、透 镜f、光电探测部件a及数据采集系统，分束镜b的另一路依次设置有透镜g、光电探测器件 b及数据采集系统，具体按照以下步骤实施
a.步骤1得到的由旋转体产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜e会 聚后，被分束镜分成两路光束，一路光束经分光系统分光处理，并被透镜f会聚，由光电探 测部件a接收，光电探测部件a输出电信号给数据采集系统，此为通道a ；另一路光束被透 镜g会聚，被光电探测部件b检测，光电探测部件b输出电信号给数据采集系统，此为通道 b ；
b.数据采集系统分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道b上的 光信号强度Λ、/2，标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、1\及旋转体的速度&，反演 得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度。其中的步骤b数据采集系统分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通 道a、通道b上的光信号强度I山标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、厂2及旋转体 的速度^，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，具体按照以下步骤实施参考 光在通道a、通道b上的光信号强度Ιλ、Ι2的比值为
Zj^(V0) = 1 0' ， h
包含多普勒频移Δ V信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、厂2的比值为 ΙΜ(ν +Αν) = ~~γ——，
多普勒频移Δ V，Jn的变化Δ Jn表示为<formula>formula see original document page 6</formula>
已知旋转体的速度^，以及/ρ&Λ、厂2，根据下式，得到多普勒测风激光雷达系统的 速度灵敏度
<formula>formula see original document page 6</formula>
本发明的有益效果是，提出一种对多普勒测风激光雷达进行准确标定的系统，该标定 系统主要作用为模拟产生包含多普勒频移信息的光信号，其不仅能对相干多普勒测风激光 雷达系统进行标定，而且对基于Fabry-Perot (F_P)标准具或者原子滤波器、采用边缘检测 (单边缘或双边缘)技术进行分光的非相干多普勒测风激光雷达系统，均能进行标定。该系 统简单易行，适用于实验室环境下的标定。


图1是本发明标定系统的结构示意图2是本发明标定系统中旋转体的工作原理图； 图3是本发明标定方法采用的分光装置的结构示意图； 图4是本发明多普勒频移与分光系统的透过率曲线之间的关系； 图5是本发明中标定光及参照光在通道b输出的信号强度分布； 图6是本发明中标定光及参照光在通道a输出的信号强度分布； 图7是本发明方法利用单边缘技术检测多普勒频移的测风原理。图中，1.脉冲激光器，2.分束镜a，3.反射镜a，4.透镜a，5.透镜c，6.旋转体， 7.速度传感器，8.透镜b，9.反射镜b，10.透镜d，ll.光纤，12.透镜e，13.分束镜b，14.分 光系统，15.透镜f，16.光电探测部件a，17.光电探测器件b，18.透镜g，19.数据采集系 统。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统的结构，如图1所示，包括脉冲激光 器1，脉冲激光器1的出射光侧设置有分束镜a2，分束镜a2的一条光路上依次设置有透镜 a4、光纤11、透镜b8、透镜c5、旋转体6，旋转体6上设置有速度传感器7，透镜c5的另一侧 依次设置有反射镜b9、透镜dlO ；分束镜a2的另一条光路上依次设置有反射镜a3、反射镜 b9及透镜dlO。采用本发明多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统进行标定的方法，具体按照以下 步骤实施
步骤1 脉冲激光器1射出激光束，经过分束镜a2被分成两束，其中一路光束通过透镜 a4后，耦合进入一段较长的光纤11，传输至透镜b8会聚后，沿切线方向入射到连续旋转的旋转体6上，由于旋转体6按照一定的方向及速度旋转，因此，在旋转体6的入射边沿处，将 产生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光信号经过透镜c5准直、反射镜 b9反射后，被透镜dlO耦合进光纤，传输送入分光装置，该路光束为标定光；
另一路光束被反射镜a3反射后，反射光穿过反射镜b9的中心小孔后，被透镜dlO耦合 进光纤，传输送入分光装置，该路光束为参考光。步骤2 根据标定光和参考光的信号强度反演得到多普勒测风激光雷达系统的速 度灵敏度，从而利用旋转体6的速度实现对多普勒测风雷达系统的标定。采用一种分光装 置，如图3所示，包括依次设置的透镜el2及分束镜bl3，分束镜bl3的一路依次设置有分光 系统14、透镜Π5、光电探测部件al6及数据采集系统19，分束镜bl3的另一路依次设置有 透镜gl8、光电探测器件bl7及数据采集系统19，具体按照以下步骤实施
a.步骤1得到的由旋转体6产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜 el2会聚后，被分束镜13分成两路光束，其中一路光束经分光系统14处理后，并被透镜Π5 会聚后，由光电探测部件al6接收，光电探测部件al6输出的电信号送入数据采集系统19， 此为通道a ；另一路光束并被透镜gl8会聚后，直接被光电探测部件bl7检测，光电探测部 件bl7输出的电信号，送入数据采集系统19，此为通道b。b.数据采集系统19根据上步得到的参考光在通道a、通道b上的光信号强度厂、 /2，标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、厂2及旋转体6的速度&，按照以下算法反演 得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度
参考光在通道a、通道b上的光信号强度IX、I2的比值为
W'。) = —(1)
h
同理，包含多普勒频移Δ ν信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度、厂2的比
值为
I (vn +A ν) Ι^ν,+Αν) = ^^.——(2)
-2
由于多普勒频移Δ ν，Jn的变化Δ Jn可以表示为
I、(Vn +ixv) Ifu') Mn = IM(v0 +Au)- Im (V0) =--〒(3 )
当已知旋转体的速度^，以及J1V2V1V2时，便可以根据下式，得到多普勒测风激光 雷达系统的速度灵敏度为
/'(v0+ A ν) Z1(V0)
Θ=丄 ^l =丄—^(4)
vr Itlf vrA(vO)
* ‘
本发明方法的原理为如图7所示，大气径向风速^引起的多普勒频移为△ K，可以将 激光发射频率％锁定在分光器件的透过率函数的陡峭边缘上，由于其斜率很大，因此微小的多普勒频移Δ κ将引起分光器件的透过率产生明显变化，即光信号强度(或能量)发生相 对变化，通过检测这种相对变化，就可以测量出多普勒频移，从而反演出风速。后向散射多 普勒频移和速度之间的关系为
<formula>formula see original document page 8</formula>(5)式中，6是径向风速，2。是激光波长，Δ κ是多普勒频移。
设归一化的米或者瑞利散射光谱函数为/(>0，分光系统的透过函数为力(>0，则 分光系统的透过率厂(K)可以用卷积表示如下
<formula>formula see original document page 8</formula>(6)
因此，通道a的光信号强度/ ( >0可以表示如下 Z1(V) = C1Z0^Cy)(7)
式中，Z0是入射光的光强，C11为探测通道a的常数。
通道b的光信号强度可以表示如下
<formula>formula see original document page 8</formula>(8 )
式中，G为探测通道b的常数。则通道a、通道b的信号强度IX、I2的比值为
<formula>formula see original document page 8</formula>(9)
式中，c=c;/c2，为系统常数。由于多普勒频移Δ ν的存在，将使两个通道的信号强度发生变化。因此，通过检 测通道a、通道b的信号强度的变化，便可根据下式反演出径向风速
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，Δ/Ν/7Ν为由于多普勒频移而引起的通道a、通道b的信号强度的相对变化，Θ为 分光系统的速度灵敏度，其含义为单位速度引起的分光系统的透过率函数厂(“的相对变 化，或者是单位速度引起的通过分光系统的光强/( y)的相对变化，即
<formula>formula see original document page 8</formula>(11)
反之，如果已知速度^，以及两个通道的信号强度的相对变化量Δ//7，便可以根据下 式对 进行精确地标定
<formula>formula see original document page 8</formula>(12)
如图2所示，当旋转体6边沿以一定的线速度逆时针旋转时，入射光沿切线的方向入射到旋转体6的边沿上，此时，由于多普勒效应，在入射边沿点处，将产生包含多普勒频移信 息的散射光信号，设旋转体6的入射边沿点的线速度为&，入射光的频率为之，则散射光的 频率为
(13) <formula>formula see original document page 9</formula>
式中，先=COS P1，夂=COS ，八为入射光与反射光之间的夹角、 为散射光与速度之 间的夹角，对于后向散射光， =180° μ 入射光波长。旋转体6的线速度&可以通过 速度传感器7测量。因此当^为已知值时，利用该速度值便可以对分光系统的速度灵敏度 进行标定。由于标定光需要通过一段较长的光纤11进行传输，并被旋转体6散射后，才被送 入多普勒测风激光雷达的分光系统，而参考光则是直接被送入分光系统。因此，当光纤11 取一定长度时(如长度可以取50-100m)，则在进入分光系统前，标定光相对于参考光，在时 间上将产生一定的延迟。此时，多普勒频移与分光系统的透过率曲线之间的关系如图4所示，可以看出，当 参考光通过分光系统处理后，透过率为厂(％)；而带有多普勒频移Δ κ的标定光通过分光 系统的处理后，其透过率为厂(％+Δ ν)。此外，通道a、b探测的包含多普勒频移信息的标定光信号、参照光信号的强度分 布分别如图5、图6所示，图中，标定光的时间比参照光延迟时间Δ 。
权利要求
一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)的出射光侧设置有分束镜a(2)，分束镜a(2)的一条光路上依次设置有透镜a(4)、光纤(11)、透镜b(8)、透镜c(5)、旋转体(6)，旋转体(6)上设置有速度传感器(7)，透镜c(5)的另一侧依次设置有反射镜b(9)、透镜d(10)；分束镜a(2)的另一条光路上依次设置有反射镜a(3)、反射镜b(9)及透镜d(10)。
2.一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，采用一种标定系统，该系统 的结构是包括脉冲激光器(1 )，脉冲激光器(1)的出射光侧设置有分束镜a (2)，分束镜a (2)的一条光路上依次设置有透镜a (4)、光纤(11)、透镜b (8)、透镜c (5)、旋转体(6)， 旋转体(6)上设置有速度传感器(7)，透镜c (5)的另一侧依次设置有反射镜b (9)、透镜d (10);分束镜a (2)的另一条光路上依次设置有反射镜a (3)、反射镜b (9)及透镜d (10)，具体按照以下步骤实施步骤1 脉冲激光器(1)射出激光束，经过分束镜a (2)分成两束，其中一路光束通过 透镜a (4)后，耦合进入光纤(11)，传输至透镜b (8)会聚后，沿切线方向入射到旋转体(6) 上，旋转体(6)的入射边沿处产生包含多普勒频移信息的后向散射光信号，该后向散射光信 号经过透镜c (5)后由反射镜b (9)反射，被透镜d (10)聚焦后耦合进分光系统，该路光 束为标定光；另一路光束通过反射镜a (3)反射后，反射光穿过反射镜b (9)的中心小孔后，被透镜 d (10)聚焦后耦合进分光系统，该路光束为参考光；步骤2 根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体(6)的速度反演便 得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定。
3.根据权利要求2所述的多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，所述的 步骤2根据步骤1得到的标定光和参考光的信号强度，结合旋转体(6)的速度便反演得到 多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，完成对多普勒测风雷达系统的标定，采用一种分 光装置，包括依次设置的透镜e (12)及分束镜b (13)，分束镜b (13)的一路依次设置有分 光系统(14)、透镜f (15)、光电探测部件a (16)及数据采集系统(19)，分束镜b (13)的另 一路依次设置有透镜g (18)、光电探测器件b (17)及数据采集系统(19)，具体按照以下步 骤实施a.步骤1得到的由旋转体(6)产生的包含多普勒频移信息的标定光及参考光经过透镜 e (12)会聚后，被分束镜(13)分成两路光束，一路光束经分光系统(14)分光处理，并被透 镜f (15)会聚，由光电探测部件a (16)接收，光电探测部件a (16)输出电信号给数据采 集系统(19)，此为通道a;另一路光束被透镜g (18)会聚，被光电探测部件b (17)检测，光 电探测部件b (17)输出电信号给数据采集系统(19)，此为通道b ；b.数据采集系统(19)分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道 b上的光信号强度厂、/2，标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、1\及旋转体(6)的速 度^，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度。
4.根据权利要求3所述的多普勒测风激光雷达灵敏度标定方法，其特征在于，所述的 步骤b数据采集系统(19)分析得到的通道a、通道b的电信号，得到参考光在通道a、通道 b上的光信号强度I” 12，标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、1\及旋转体(6)的速 度^，反演得到多普勒测风激光雷达系统的速度灵敏度，具体按照以下步骤实施参考光在通道a、通道b上的光信号强度1”12的比值为包含多普勒频移A v信息的标定光在通道a、通道b的光信号强度/\、厂2的比值为<formula>formula see original document page 3</formula>多普勒频移A v，/N的变化A/n表示为<formula>formula see original document page 3</formula>已知旋转体的速度6，以及/p/y/^、厂2，根据下式，得到多普勒测风激光雷达系统的 速度灵敏度
全文摘要
本发明公开的一种多普勒测风激光雷达灵敏度标定系统，包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧设置有分束镜a，分束镜a的一条光路上依次设置有透镜a、光纤、透镜b、透镜c、旋转体，旋转体上设置有速度传感器，透镜c的另一侧依次设置有反射镜b、透镜d；分束镜a的另一条光路上依次设置有反射镜a、反射镜b及透镜d。本发明还公开了上述标定系统的标定方法，模拟产生包含多普勒频移信息的光信号，其不仅能对相干多普勒测风激光雷达系统进行标定，而且对基于Fabry-Perot标准具或者原子滤波器、采用边缘检测技术进行分光的的非相干多普勒测风激光雷达系统，均能进行标定。该系统简单易行，适用于实验室环境下的标定。
文档编号G01S7/497GK101833089SQ20101016078
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者华灯鑫, 巩鑫, 毛建东, 汪丽, 王玉峰 申请人:西安理工大学