一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达。该发明专利技术采用双波长激光作为光源，通过相干拍频以检测双波长多普勒频移的差异反演速度；同时，采用微波信号提取多普勒频移信息，降低了探测目标不平整和大气湍流引起的散斑噪声。此外，采用EOM调制单频连续波的方法产生两个边频，利用滤波器滤除中心光频和滤出两个边频的方法产生双频激光，该双频激光的产生方法提高了双频间距的稳定性，且双频间距可通过调节调制器的触发信号灵活控制。该方案采用单频连续波EOM调制双波长激光，通过微波的方式提取速度，从而反演大气风速信息，其提高了双频间距稳定性，具有探测精度高、抗电磁干扰、结构紧凑等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光雷达测风领域，尤其涉及一种基于激光调制的双频连续光相干测风激光雷达。
技术介绍
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，已广泛应用于测风、测距、成像、污染物监测、测风、测温等领域。在传统的相干测风激光雷达中，单频激光一分为二，一路发射到探测目标，另外一路作为本振光，通过目标物后向散射信号与本振光拍频实现目标物的速度探测。理想情况下，当目标物的速度一定时，获得的光谱为窄线宽，速度信息则从多普勒频移中提取。但在实际情况中，由于目标物表面不平整、大气湍流引起的散斑噪声和激光的相干性引起的相位噪声将引起多普勒频移谱线的展宽，从而导致测量的速度精度降低、探测距离减小。而传统的微波雷达中，因微波波长与激光相比较长，受大气湍流影响较小，但是空间分辨率也因此低于激光雷达。为了减小散斑噪声的影响，提高探测精度，基于双频激光的相干测风激光雷达被提出，它集成了相干激光雷达和传统微波雷达的优点，在一个激光雷达系统中采用双频激光束作为载波，将频差控制在微波范围内，使系统具有空间分辨率高，抗大气湍流能力强，信号处理技术发达等优点。双频激光雷达发射的激光包含两个频率，探测到的目标物后向散射信号的两个光频率都有多普勒频移，导致拍频频移，根据公式Δf＝V·f/2c(式中Δf为多普勒频移，V为探测目标速度，f为入射光频率，c为光速)，当目标物的速度V一定时，多普勒频移Δf与出射频率f成正比，速度信息则通过检测双频激光多普勒频移的差值获得。因此，双频相干测风激光雷达探测目标为双频激光的多普勒频率差，即微波信号。多普勒测量仅取决于光频差，而不是光频本身，因此可精确测风的目标距离取决于微波稳定性，而不是光频稳定性，任何光学噪声(如光放大器的ASE噪声、沿光束路径的衰减和散射过程)若只改变激光谱线宽度而不改变微波谱线宽度，就不会影响系统性能。微波波长远大于激光，抑制了散斑噪声造成的多普勒频移谱线展宽，这大大降低了大气湍流和目标物表面不平整引起的散斑噪声对速度探测的影响，并将激光雷达的相干信号处理环节从光路部分转移到技术发展成熟的电路部分，同时保留激光雷达高空间分辨率的优点，从而扬长避短，很大程度上提升雷达系统的整体性能，缩短研发周期。双频相干测风激光雷达中，检测的为双频激光的频率差，一般为几十GHz，假设频率间距为40GHz，则1m/s的风速引起的频差为267Hz。因此，该类型激光雷达对两个激光频率间距的稳定性要求苛刻，激光相干性引起的相位噪声会导致多普勒频移谱线展宽，限制了其发展。微波拍频信号的相干性和稳定性可以通过锁相来增强，然而将两束激光锁相是困难的。目前，双频相干激光雷达采用的激光器有锁模激光器和种子注入半导体激光器。为了获得双频率激光输出，锁模激光器需配备波长选择开关或者Fabry-Perot干涉仪，而种子注入半导体激光器需配备主激光器和从激光器使用，因此，基于该两种激光器的激光雷达系统的光路复杂、成本高昂。此外，双频激光源还可由重叠两个频差已知的激光束或基于激光腔外调制得到，前者显然不能改善激光相干性低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达，具有精度高、稳定性好、且造价相对较低等优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达，包括：连续光激光器1、电光调制器EOM2、信号发生器3、第一滤波器4、激光放大器5、第二滤波器6、分束器7、环形器8、光学收发装置9、连续可调衰减器11、分束器12、平衡探测器13、A/D采集卡14、DSP数据处理系统15与计算机16，各个器件的连接关系如下：连续光激光器1的输出端与EOM2的输入端连接，EOM2输出端与第一滤波器4的输入端连接，信号发生器3的控制信号输入端与EOM2的控制信号输出端连接，第一滤波器4的输出端与激光放大器5的输入端连接，激光放大器5的输出端与第二滤波器6的输入端连接，第二滤波器6的输出端与分束器7的输入端连接；所述分束器7用于将双频激光分成两分，其中输出端A输出为信号光，输出端B输出的为本振光；分束器7的输出端A与环形器8的A端口连接，分束器7的输出端B与连续可调衰减器11的输入端连接，环形器8的C端与分束器12的A端口连接；环形器8的B端口与光学收发装置9连接，光学收发装置9出射的光束照射在探测目标物10上，探测目标物10后向散射回的信号经光学收发装置9收集，再先后经环形器8的B端和C端，传输至分束器12；连续可调衰减器11的输出端与分束器12的B端口连接，本振光与后向散射回的信号通过分束器12混合后接入平衡探测器13，平衡探测器13的输出端与A/D采集卡14的输入端连接，A/D采集卡14的输出端与DSP数据处理系统15的输入端连接，DSP数据处理系统15的输出端与计算机16连接。进一步的，若所述探测目标物10为大气气溶胶，则该激光雷达用于探测大气风速。进一步的，所述EOM2用于产生边频，其包括：振幅调制器、相位调制器和频率调制器。进一步的，所述第一滤波器4包括：光纤布拉格光栅、Fabry-Perot干涉仪、M-Z干涉仪、原子与分子吸收腔、Sagnac环和多层介质膜干涉滤光片。进一步的，所述信号发生器3用于提供EOM2的调制信号，其中信号发生器3输出的调制信号频率决定了双频间距的大小。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，其不仅可测量硬目标的移动速度，而且可以测量大气风速。本专利技术通过连续光调制的方法产生双频激光，通过微波的方式提取多普勒频移信息，通过DSP数据处理，实现了探测目标速度实时显示，双频探测方式降低了探测目标不平整和大气湍流引起的散斑噪声，具有探测精度高、抗电磁干扰、结构紧凑等优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例提供的一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的双波长激光器的原理图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达，其特征在于，包括：连续光激光器(1)、电光调制器EOM(2)、信号发生器(3)、第一滤波器(4)、激光放大器(5)、第二滤波器(6)、分束器(7)、环形器(8)、光学收发装置(9)、连续可调衰减器(11)、分束器(12)、平衡探测器(13)、A/D采集卡(14)、DSP数据处理系统(15)与计算机(16)，各个器件的连接关系如下：连续光激光器(1)的输出端与EOM(2)的输入端连接，EOM(2)输出端与第一滤波器(4)的输入端连接，信号发生器(3)的控制信号输入端与EOM(2)的控制信号输出端连接，第一滤波器(4)的输出端与激光放大器(5)的输入端连接，激光放大器(5)的输出端与第二滤波器(6)的输入端连接，第二滤波器(6)的输出端与分束器(7)的输入端连接；所述分束器(7)用于将双频激光分成两分，其中输出端A输出为信号光，输出端B输出的为本振光；分束器(7)的输出端A与环形器(8)的A端口连接，分束器(7)的输出端B与连续可调衰减器(11)的输入端连接，环形器(8)的C端与分束器(12)的A端口连接；环形器(8)的B端口与光学收发装置(9)连接，光学收发装置(9)出射的光束照射在探测目标物(10)上，探测目标物(10)后向散射回的信号经光学收发装置(9)收集，再先后经环形器(8)的B端和C端，传输至分束器(12)；连续可调衰减器(11)的输出端与分束器(12)的B端口连接，本振光与后向散射回的信号通过分束器(12)混合后接入平衡探测器(13)，平衡探测器(13)的输出端与A/D采集卡(14)的输入端连接，A/D采集卡(14)的输出端与DSP数据处理系统(15)的输入端连接，DSP数据处理系统(15)的输出端与计算机(16)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单频连续光EOM调制的双频相干测风激光雷达，其特征在于，包括：
连续光激光器(1)、电光调制器EOM(2)、信号发生器(3)、第一滤波器
(4)、激光放大器(5)、第二滤波器(6)、分束器(7)、环形器(8)、光学收发装
置(9)、连续可调衰减器(11)、分束器(12)、平衡探测器(13)、A/D采集卡
(14)、DSP数据处理系统(15)与计算机(16)，各个器件的连接关系如下：
连续光激光器(1)的输出端与EOM(2)的输入端连接，EOM(2)输出端与第一
滤波器(4)的输入端连接，信号发生器(3)的控制信号输入端与EOM(2)的控制信号
输出端连接，第一滤波器(4)的输出端与激光放大器(5)的输入端连接，激光放大器
(5)的输出端与第二滤波器(6)的输入端连接，第二滤波器(6)的输出端与分束器
(7)的输入端连接；
所述分束器(7)用于将双频激光分成两分，其中输出端A输出为信号光，输出端B输
出的为本振光；分束器(7)的输出端A与环形器(8)的A端口连接，分束器(7)的输
出端B与连续可调衰减器(11)的输入端连接，
环形器(8)的C端与分束器(12)的A端口连接；环形器(8)的B端口与光学收发
装置(9)连接，光学收发装置(9)出射的光束照射在探测目标物(10)上，探测目标
物(10)后向散射回的信号经光学收发装置(9)收集，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，上官明佳，窦贤康，王璐，薛向辉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34