专利名称：眼安全机场风切变激光雷达系统装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是属于一种激光雷达探测系统，采用对人眼安全的355nm波长，利用 双F-P标准具的多普勒频移测风原理，探测机场低空风切变的激光雷达系统装置。
背景技术：
低空风切变持续时间短，范围小，很难探测和预报，是较难解决的航空气象问题。 我国民航机场仅有部分机场安装了多普勒微波气象雷达，可以探测雨天风场情况；无雨天 气的低空风切变因为没有任何征候，对飞行安全威胁更大，目前却无法探测和预报。而激 光探测低空风切变被证明最为有效。相干探测技术要求的光学质量非常高，工程实现难度 也很大，而且相干测风激光雷达只适用于边界层或具有一定气溶胶密度的环境下的风场观 眼安全机场风切变激光雷达系统采用直接探测方式，355nm是最佳的眼安全波段 适合于机场、水平风观测等危害人眼安全的条件下使用。该系统采用精密设计的双F-P标 准具带有恒温装置，同时采用监测回路控制标准具的压电陶瓷来调节标准具腔长确保锁定 激光器的频率，具有较高的时间和空间分辨率、测量精度高、空间覆盖范围也大。眼安全机 场风切变激光雷达系统为机场飞机起飞与着陆提供可靠的风场观测数据，提升了民航气象 探测水平和安全飞行能力。

发明内容本实用新型的目的是为了改善和弥补我国机场风场观测手段的不足，从而提供一 种眼安全机场风切变激光雷达系统，基于双F-P标准具的多普勒频移测风原理，采用双边 缘直接探测技术对机场上空对流层的风切变进行实时探测与预警。 —种眼安全机场风切变激光雷达系统装置，它由四个子系统装置组成，包括发射 系统、发射接收光学系统、接收系统、控制系统；发射系统、发射接收光学系统、接收系统均 设置在光学平台上，发射系统和接收系统之间，发射接收光学系统与接收系统之间均通过 光纤连接，控制系统与其它系统之间通过信号线连接。 发射波长采用种子注入式二极管泵浦的Nd: YAG激光器，经三倍频后输出的355nm 波长，处于人眼安全最佳波段。 发射系统由一台激光器和扩束导光系统组成，激光器采用种子注入式二极管泵浦 Nd:YAG激光器。 发射接收光学系统由望远镜系统和二维扫描系统组成，二维扫描系统安装在方舱 顶，用两个与水平成45。角并镀有355nm波长全反介质膜的平面反射镜，分别安装在水平 旋转机构，能旋转0-360°和垂直旋转机构，能旋转0-180°组成大口径光学潜望式结构， 两个旋转机构分别通过涡轮蜗杆传动机构传动。 望远镜系统设在二维扫描单元的正下方，是卡塞格林反射式结构，有效通光口径 为300mm，主镜镀有355nm波长反射率达99%的介质膜。[0010] 接收系统由准直镜、反射镜、分光镜、分束棱镜、聚焦镜和双F-P标准具、滤光片两 个模拟探测器，三个光子计数探测器和一个A/D采集卡及两个光子采集卡组成，并都放置 于接收机组合中，采集卡则安装在工控机主机的PCI插槽中。 控制系统的主体为一台工控计算机，通过RS232串口控制二维扫描控制器、双F-P 标准具控制器及激光器，时序电路用于触发各个探测器，光子计数卡安装在工控机主机的 PCI插槽中，这些部件及激光器电源均安装在一个19#标准机柜上。 望远镜的镜筒焦点处安装有光纤接收端口，望远镜接收的大气后向散射回波信号 通过光纤导入到接收系统。 双F-P标准具采用四通道结构，由两个信号通道和二个参考锁定通道组成。 眼安全机场风切变激光雷达系统装置采用的技术方案是采用种子注入式二极管 泵浦的Nd:YAG激光器，经三倍频后输出355nm、脉冲频率为1000Hz的激光束。将该光束分为 二束，其中一束激光经过扩束镜和与水平方向呈45度角、镀355nm波长全反介质膜的平面 反射镜组组成的二维扫描单元射向天空，该二维扫描单元可以做水平旋转和垂直旋转。望 远镜镜筒的焦点处安装有光纤接收端口 ，望远镜接收的大气后向散射回波信号通过光纤导 入到准直镜成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由透反比为一定比例的分束片 分成两部分，反射信号作为能量探测，透射信号经过一个前表面透反比为50/50的分束棱 镜分成两路光分别进入标准具的两个信号通道作为信号探测，这时由于透过率的不一样可 得到强度不等的两个光信号，能量和信号由三个相应的光子计数探测器接收；从激光器分 出的另外一束光由光纤导入到准直镜成为平行光，经过窄带滤光片后，由透反比为一定比 例的分束片分成两部分，反射信号作为能量探测，透射信号则进入标准具的频率参考通道， 这两路信号由两个相应的模拟探测器接收。五个探测器分别将光信号转换为电信号后输入 到相应的计数卡内，最后由工控机系统控制程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显 示切变风的风向和风速随时间的分布图。 眼安全机场风切变激光雷达系统从整体上主要包括四个子系统发射系统、接收 系统、发射接收光学系统和控制系统。 为了保证系统的光学稳定性，发射系统、接收系统、发射接收光学系统均放置在光 学平台上。发射系统主要包括一台激光器和扩束导光系统，采用种子注入式二极管泵浦的 Nd:YAG激光器，经三倍频后输出355nm的波长，处于人眼最安全的波段，适合于星载、机载 或地基系统，脉冲频率为1000Hz，可以快速捕捉风切变提高探测准确度。 发射接收光学系统主要包括望远镜系统和二维扫描系统，二维扫描系统安装在方 舱顶，采用两个与水平成45。角镀有355nm波长全反介质膜的平面反射镜，分别安装在水 平旋转机构(旋转0。到360° )和垂直旋转机构(旋转0°到180° )上组成大口径光学 潜望式结构。两个旋转机构均采用蜗轮蜗杆传动机构传动，通过软件控制实现全方位快速 扫描。接收望远镜在二维扫描单元的正下方，采用卡塞格林反射式结构，有效通光口径为 300mm，主镜为非球面镜，镀355nm波长、反射率为99%的介质膜。 接收系统是整个系统最关键的部分由准直镜、滤光片、反射镜、分光镜、分束棱 镜、聚焦镜、双F-P标准具、两个模拟探测器、三个光子计数探测器、一个A/D采集卡及二个 光子采集卡组成。探测器具有门控功能，聚焦后的信号直接导入探测器的光敏面上，而对应 的采集卡均安装在工控机主机的PCI插槽中。[0019] 控制系统的主体为一台工控计算机，系统运行控制软件通过RS232串口控制二维 扫描控制器、双F-P标准具控制器CS100及激光器。各部件及其激光器电源均安装在19#标 准机柜内。 发射和接收系统之间、发射接收光学系统与接收系统之间通过光纤连接；控制系 统与其它系统之间通过信号线连接。发射系统采用种子注入式二极管泵浦的Nd:YAG激光 器经三倍频后输出355nm的波长。 系统采用仰角近水平，方位角连续改变的快速扫描方式，将每次扫描探测的径向 风速用PPI方式显示出来。眼安全风切变激光雷达测风原理 该系统关键是采用高分辨率的双F-P标准具，它是在一对基板上通过镀膜或沉积 方式形成两组面积和大小相同的两对标准具，根据镀膜的厚度可以使标准具的两组通道频 谱中心分离，形成透过率响应曲线的交叠。由于它们固定在一个基板上，双F-P标准具两 组通道的中心频率的相对位置受温度的漂移变化相同，保证标准具的频谱中心间隔大小恒 定。出射激光频率位于两个标准具频谱的交叉点处，由于大气风的作用或大气粒子的运动， 由望远镜接收的气溶胶和分子散射回波信号，都产生相对于发射激光频率的多普勒频移， 但是分子散射谱相对于多普勒频移和气溶胶谱宽很多，在测量的动态范围内可以看成一种 均匀的背景噪声信号，气溶胶后向散射信号通过标准具后输出信号强度就会不同，比较它
们之间的大小就可以得到多普勒频移，从而得到径向风速。两者的关系是F:^Av式中，V
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是径向风速，A是激光波长，Av是多普勒频移。 本实用新型的有益效果是风切变激光雷达采用快速扫描工作方式，而种子注入 式二极管泵浦的Nd:YAG激光器重复频率高、脉冲能量大，使得单次径向风速测量有足够的 脉冲累积数以达到足够高的信噪比，满足了系统风速测量精度的要求，同时根据人眼的最 大可承受光照的美国国家标准，Nd:YAG激光器三倍频后输出355nm的激光处于人眼安全最 佳的波段，扩大了本系统的使用环境。 眼安全机场风切变激光雷达系统在双F-P标准具多普勒原理测风的基础上采用 直接接收方式探测风切变，具有简单的光学系统，在无人职守的情况下可以24小时连续运 转。

图1眼安全机场风切变激光雷达系统结构示意图； 图中l-发射系统、1. l-激光器、1.2-扩束导光系统装置、2-发射接收光学系统、
2. 1-望远镜系统装置、2. 2-二维扫描系统装置、3-接收系统、3. l-F-P标准具、3. 2-滤光片、
3. 2b-滤光片、3. 3a-光子计数探测器、3. 3b_光子计数探测器、3. 3c_模拟探测器、3. 3d-光 子计数探测器、3. 3e-模拟探测器、4-控制系统、4. 1-工控计算机、4. 2- 二维扫描控制器、
4. 3-双F-P标准具控制器、4. 4-时序电路、4. 5-光子计数卡、4. 6-激光器电源。
具体实施方式本实用新型所述的眼安全机场风切变激光雷达系统装置实施方式结合附图对其 系统结构作进一步说明
5[0028] 该系统装置包括四个子系统装置，发射系统1、发射接收光学系统2、接收系统3、 控制系统4组成，发射系统1、接收光学系统2、接收系统3均设置在光学平台上，以保证系 统的光学稳定性，其中，发射系统1主要包括一台激光器1. 1和扩束导光系统装置1. 2，激 光器1. 1采用种子注入式二极管泵浦的Nd:YAG激光器，保证激光器的频率稳定性，经三倍 频后输出355nm波长，处于人眼最安全的波段，适合于星载、机载或地基系统，脉冲频率为 lkHz，可快速捕捉风切变，提高探测准确度。发射接收光学系统2主要包括望远镜系统2. 1 和二维扫描系统2. 2，二维扫描系统2. 2安装在方舱顶，采用两个与水平成45°角，并镀有 355nm波长全反介质膜的平面反射镜，分别安装在水平旋转机构(旋转(T -360° )和垂 直旋转机构(旋转0。 -180° )上组成大口径光学潜望式结构，两个旋转机构分别通过涡 轮蜗杆传动机构传动，通过软件自动控制或手动控制，实现全方位快速扫描，接收望远镜系 统2. 1设在二维扫描单元的正下方，采用卡塞格林反射式结构，有效通光口径为300mm，主 镜镀有355nm波长反射率达99X的介质膜，接收系统3由准直镜、反射镜、分光镜、分束棱 镜、聚焦镜和双F-P标准具3. l，滤光片3. 2a、3. 2b，两个模拟探测器3. 3c、3. 3e，三个光子 计数探测器3. 3d、3. 3a、3. 3b， 一个A/D采集卡及二个光子采集卡组成，并都放置于接收机 组合中。探测器带有门控可调节探测距离的远近，聚焦后的信号直接导入探测器的光敏面 上，对应的采集卡均安装在工控机主机的PCI插槽中，控制系统4的主体为一台工.控计算 机4. l，通过RS 232串口控制二维扫描控制器4. 2、双F-P标准具控制器4. 3及激光器，时 序电路4. 4用于触发各个探测器，光子计数卡4. 5安装在工控机主机的PCI插槽中，这些部 件及激光器电源4. 6均安装在一个19#标准机柜上。望远镜系统2. 1的镜筒焦点处安装有 光纤接收端口，望远镜2. l接收的大气后向散射回波信号通过光纤导入到接收系统，经接 收系统3中双F-P标准具3. 3的两个信号通道来分析大气后向散射信号的频率，锁定通道 则探测发射激光频率，同时使标准具跟踪锁定发射激光频率。发射系统1和接收系统3之 间，发射接收光学系统2与接收系统3之间均通过光纤连接，控制系统4与其它系统之间通 过信号线连接。
权利要求一种眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是它由四个子系统装置组成，包括发射系统(1)、发射接收光学系统(2)、接收系统(3)、控制系统(4)；发射系统(1)、发射接收光学系统(2)、接收系统(3)均设置在光学平台上，发射系统(1)和接收系统(3)之间，发射接收光学系统(2)与接收系统(3)之间均通过光纤连接，控制系统(4)与其它系统之间通过信号线连接。
2. 根据权利要求1的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是发射波长采用 种子注入式二极管泵浦的Nd: YAG激光器，经三倍频后输出的355nm波长，处于人眼安全最 佳波段。
3. 根据权利要求1的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是发射系统(1) 由一台激光器(1. 1)和扩束导光系统(1. 2)组成，激光器(1. 1)采用种子注入式二极管泵 浦Nd:YAG激光器。
4. 根据权利要求1的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是发射接收光学 系统(2)由望远镜系统(2. 1)和二维扫描系统(2. 2)组成，二维扫描系统(2. 2)安装在方舱 顶，用两个与水平成45。角并镀有355nm波长全反介质膜的平面反射镜，分别安装在水平 旋转机构，能旋转0-360°和垂直旋转机构，能旋转0-180°组成大口径光学潜望式结构， 两个旋转机构分别通过涡轮蜗杆传动机构传动。
5. 根据权利要求4的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是望远镜系统 (2. 1)设在二维扫描单元的正下方，是卡塞格林反射式结构，有效通光口径为300mm，主镜 镀有355nm波长反射率达99%的介质膜。
6. 根据权利要求l的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是接收系统 (3)由准直镜、反射镜、分光镜、分束棱镜、聚焦镜和双F-P标准具(3. 1)、滤光片(3.2a)、 (3. 2b)、两个模拟探测器(3. 3c) 、 (3. 3e)，三个光子计数探测器(3. 3a) 、 (3. 3b) 、 (3. 3d)和 一个A/D采集卡及两个光子采集卡组成，并都放置于接收机组合中，采集卡则安装在工控 机主机的PCI插槽中。
7. 根据权利要求1的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是控制系统(4) 的主体为一台工控计算机(4. 1)，通过RS232串口控制二维扫描控制器(4. 2)、双F-P标准 具控制器(4. 3)及激光器，时序电路(4. 4)用于触发各个探测器，光子计数卡(4. 5)安装在 工控机主机的PCI插槽中，这些部件及激光器电源(4. 6)均安装在一个19#标准机柜上。
8. 根据权利要求4的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是望远镜(2. 1) 的镜筒焦点处安装有光纤接收端口，望远镜(2. 1)接收的大气后向散射回波信号通过光纤 导入到接收系统。
9. 根据权利要求1的眼安全机场风切变激光雷达系统装置，其特征是双F-P标准具 (3. 1)采用四通道结构，由两个信号通道和二个参考锁定通道组成。
专利摘要一种眼安全机场风切变激光雷达系统装置，它由四个子系统装置组成，包括发射系统、发射接收光学系统、接收系统、控制系统；发射系统、发射接收光学系统、接收系统均设置在光学平台上。采用种子注入式二极管泵浦Nd:YAG激光器重复频率高，脉冲能量大，使得单次径向风速测量有足够的脉冲累积数以达到足够高的信噪比，满足风速测量的精度要求，激光器经三倍频后输出355nm的激光处于人眼安全最佳波段，扩大了本系统的使用环境，采用四通道双F-P标准具直接接收方式探测风切变光学系统简单，可在无人职守下24小时连续运转。
文档编号G01S17/95GK201503495SQ20092012547
公开日2010年6月9日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者卢宽玉, 吉明娟, 张德远 申请人:贵州航天凯宏科技有限责任公司