基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其利用偏振复用技术将F‑P干涉仪的反射信号的偏振态调制为与反射信号的偏振态正交；当反射信号再经过F‑P干涉仪时，由于F‑P干涉仪的偏振特性，反射信号的透过率曲线与透射信号的透过率曲线存在频移差，从而形成双边缘。将激光频率锁定在这两个透过率曲线的交叉点处，当大气回波信号发生多普勒频移时，将引起其中一个信号的能量增强，而另外一个信号能量的减弱，通过这两个能量的相对变化提取大气风速信息。该方案能够充分利用能量资源，同时，具有抑制太阳背景噪声、结构紧凑和造价低的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达。
技术介绍
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、非接触探测等优点，已应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、气溶胶光学特性探测等领域。其中，多普勒测风激光雷达对提高长期天气预报的准确性、改进气候研究模型和提高军事环境预报具有重大意义。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拍频的方式探测风速。直接探测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。直接探测可分为条纹技术和边缘技术。条纹技术采用F-P干涉仪(Fabry–Perot Interferometer)或菲佐干涉仪(Fizeau Interferometer)产生干涉条纹，通过条纹重心的偏移测定大气后向散射信号的多普勒频移。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、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer)、光栅、棱镜、马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)等高分辨鉴频率器。采用边缘技术的测风激光雷达中，F-P干涉仪具有陡峭的边缘，高的速度灵敏度，针对不同探测目标和工作波长可优化设定等优点，是直接探测测风激光雷达中应用最广泛的鉴频器。国外开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的研究单位主要有法国的OHP观测站、美国NASA、欧空局(European Space Agency，ESA)、德国、英国、挪威、联合建设的北极激光雷达观测站(ALOMAR，Arctic Lidar Observatory of Middle Atmosphere Research)，同时，丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展基于直接探测测风激光雷达的研究单位主要有中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学。目前，基于光纤F-P干涉仪的1.5μm双边缘探测测风激光雷达主要有如下三种实现方案：1)基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，该设备利用光纤F-P干涉仪中光纤的偏振模色散，通过调节入射到F-P干涉仪的激光偏振态，使F-P干涉仪的透过率曲线形成双峰结构，再通过偏振分束器将不同偏振态的激光分离开来，从而形成双边缘，利用该双边缘进行频移的探测。2)基于偏振复用的直接探测测风激光雷达。该方案通过偏振调制使参考光和信号光的偏振态正交，这两偏振态的激光经F-P干涉仪后的透过率曲线相互错开，通过偏振分离完成对参考光和信号光的同时探测。3)单腔F-P干涉仪单探测器实现透反式双边缘的测风激光雷达。该方案采用F-P干涉仪的透射谱和反射谱形成双边缘，利用时分复用技术使透射信号和反射信号在时域上分开，从而实现单个探测器完成透射信号和反射信号的探测。第一种方案和第二种方案的缺点在于，未利用F-P干涉仪的反射信号，造成了能量的浪费；同时，需采用多个探测器，难以避免各探测器相互之间不稳定引入的系统误差。第三种方案的缺点在于，由于采用F-P干涉仪的反射谱，从而降低了F-P干涉仪对太阳背景噪声的抑制，减低了信噪比，减小了探测距离。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，能够充分利用大气回波信号，同时，具有抑制太阳背景噪声、结构紧凑和造价低的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、光学滤波单元300、光学鉴频单元400、探测器单元500、数据采集单元600；其中：激光脉冲产生单元100出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元200，经收发望远镜单元200扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元200接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元300滤除背景噪声，再经光学鉴频单元400根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元500进行探测，探测到的电
信号通过数据采集单元600进行采集和记录，并进行风速的反演计算。所述激光脉冲产生单元100包括：激光种子光源101、脉冲调制器102、脉冲光经光纤分束器103、掺铒光纤放大器104与衰减器105；其中：激光种子光源101出射的激光信号由脉冲调制器102制成脉冲光，再经脉冲光经光纤分束器103分成两路；其中一路经衰减器105衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元400，其用于激光频率的标定；另外一路经掺铒光纤放大器104放大后入射到收发望远镜单元200，用于大气风场的探测。所述收发望远镜单元200采用双轴系统。所述光学鉴频单元400包括：光纤耦合器401、光开关402、光纤环形器403、光纤F-P干涉仪404、光纤F-P干涉仪的控制器405、延时光纤406、偏振控制器407和光纤F-P干涉仪的温控装置408；其中：滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号经光纤耦合器401分时进入光学鉴频单元400，每一种光信号均经光纤耦合器401后进入光开关402的a端口，再经过光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其中的光纤F-P干涉仪404中的透射信号由探测单元500探测，而光纤F-P干涉仪404中的反射信号经光纤环形器403的2端口和3端口后，经过延时光纤406延时，使其与反射信号在时域上分开，经延时的信号通过偏振控制器407调节至其偏振态与透射信号的偏振态垂直，然后进入光开关的b端口，再经光纤环形器403的1端口和2端口到达光纤F-P干涉仪404的入射端，其透射信号由探测单元500探测；所述的光纤F-P干涉仪404放置在所述光纤F-P干涉仪的温控装置408中，所述的光纤F-P干涉仪的控制器405与光纤F-P干涉仪404相连，用于控制光纤F-P干涉仪404的工作过程。所述探测器单元500包括：上转换单光子探测器、超导单光子探测器或者铟镓砷雪崩光电二极管。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，利用偏振复用技术将F-P干涉仪的反射信号的偏振态调制为与反射信号的偏振态正交；当反射信号再经过F-P干涉仪时，由于F-P干涉仪的偏振特性，反射信号的透过率曲线与透射信号的透过率曲线存在频移差，从而形成双边缘。将激光频率锁定在这两个透过率曲线的交叉点处，当大气回波信号发生多普
勒频移时，将引起其中一个信号的能量增强，而另外一个信号能量的减弱，通过这两个能量的相对变化提取大气风速信息；其主要具有如下优点：1)采用时分复用技术使F-P干涉仪的透射信号和反射信号在时域上分开探测，从而保证了双边缘测风激光雷达的单像素探测器实现；单像素探测消除了激光器功率抖动和探测器不稳定引入的系统误差。2)利用光纤F-P干涉仪的偏振特性，即由于光纤的偏振模色散，当偏振态正交的两束激光入射到F-P干涉仪时光程不同，从而导致透过率曲线存在频率差。本专利技术利用这两个透过率曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(100)、收发望远镜单元(200)、光学滤波单元(300)、光学鉴频单元(400)、探测器单元(500)、数据采集单元(600)；其中：激光脉冲产生单元(100)出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元(400)；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元(200)，经收发望远镜单元(200)扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元(200)接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元(300)滤除背景噪声，再经光学鉴频单元(400)根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元(500)进行探测，探测到的电信号通过数据采集单元(600)进行采集和记录，并进行风速的反演计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(100)、收发望远镜单元(200)、光学滤波单元(300)、光学鉴频单元(400)、探测器单元(500)、数据采集单元(600)；其中：激光脉冲产生单元(100)出射两路脉冲激光，一路衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元(400)；另外一路经放大后入射到收发望远镜单元(200)，经收发望远镜单元(200)扩束后发射到大气，再由收发望远镜单元(200)接收相应的回波信号，并输入至光学滤波单元(300)滤除背景噪声，再经光学鉴频单元(400)根据滤除背景噪声后的回波信号与参考光信号进行多普勒频移信息的提取，提取到的信号由探测单元(500)进行探测，探测到的电信号通过数据采集单元(600)进行采集和记录，并进行风速的反演计算。2.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述激光脉冲产生单元(100)包括：激光种子光源(101)、脉冲调制器(102)、脉冲光经光纤分束器(103)、掺铒光纤放大器(104)与衰减器(105)；其中：激光种子光源(101)出射的激光信号由脉冲调制器(102)制成脉冲光，再经脉冲光经光纤分束器(103)分成两路；其中一路经衰减器(105)衰减到单光子水平作为参考光入射到光学鉴频单元(400)，其用于激光频率的标定；另外一路经掺铒光纤放大器(104)放大后入射到收发望远镜单元(200)，用于大气风场的探测。3.根据权利要求1所述的一种基于偏振双边缘的单像素探测测风激光雷达，其特征在于，所述收发望远镜单元(200)采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官明佳，夏海云，窦贤康，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