一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块。本发明专利技术采用快慢轴转换元件将S偏振态信号光转化为P偏振态信号光，只需单一P偏振态本振光便可实现与不同偏振态回波信号的拍频；使用保偏延时光纤，将不同偏振态的信号在时域上分开，从而实现使用一个光电探测器对不同偏振态回波信号的探测，相对于两个光电探测器分别探测不同偏振态混频信号，本发明专利技术减小了由于探测器响应不同导致的误差，精简了激光雷达的接收机系统。

【技术实现步骤摘要】
一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达
本专利技术涉及激光雷达技术，尤其涉及一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。
技术介绍
精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。相干测风激光雷达基本结构如图1：连续波激光器产生中心频率为υ0的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υM的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υd，则回波信号中心频率为υ0+υM+υd，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υM+υd的IF电信号，再经数据采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。偏振激光雷达通过测量不同线偏振态的回波信号，可以反演线性退偏振比。退偏比与大气气溶胶成分相关。在不规则颗粒物含量较少的干洁大气中，退偏比接近0，在含有较多盐粒结晶的海洋表面，其会显著上升，在空气严重污染和沙尘暴等情况下，其值为0.2-0.3，极端情况下可达0.4。因此通过测量退偏比，可以确定大气气溶胶种类和判断大气污染情况。在直接探测测风激光雷达领域，自Scholand和Sassen在1971年发表了利用偏振激光雷达对云进行探测研究的文章之后，直接探测偏振激光雷达用于大气探测已经有40多年历史。近些年来，为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间分布和时间演变资料的需求，全球先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网(如EARLINET、AD-Net等)、全球大气气溶胶激光雷达观测网(GALION)和星载激光雷达(CALIPSO)。根据2008年世界气象组织(WMO)发布的GAWReportNo.178文件中明确指出，Mie散射激光雷达，偏振激光雷达和多波长Raman激光雷达可以用于气溶胶种类的反演。其中，偏振Mie散射激光雷达已经有成熟商业化产品，如国际上的微脉冲激光雷达网(MPLNET)、亚洲沙尘网(AD-Net)和星载激光雷达CALIOP，平流层气溶胶的测量目前也主要依靠Mie散射激光雷达。在相干探测测风激光雷达领域，1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。但是，以上传统相干测风激光雷达都只能测量与本振光偏振态一致的单一偏振态回波信号，无法测量大气退偏振比，因此目前国际和国内还没有使用相干测风激光雷达测量大气退偏振比研究的报道。本专利技术的专利技术人经过研究发现：传统相干测风激光雷达至少存在以下问题：(1)在相干测风激光雷达系统中，相干拍频的必要条件之一为信号光和本振光处于同一偏振态，但由于气溶胶退偏振效应，回波信号不再是线偏振光，从而导致传统相干测风激光雷达的部分回波信号的偏振态与本振激光偏振态不同，所以造成回波信号的损失。(2)因为退偏振比与气溶胶的情况有关，所以传统相干测风激光雷达信号无法反映出气溶胶情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。通过测量不同偏振态的信号，实现气溶胶退偏振比的测量，同时，能够根据不同偏振态的信号测量大气风速。另外，本专利技术基于时分复用技术，使用单个光电探测器实现不同偏振态信号的探测，结构简单，且避免了因探测器性能波动导致的系统误差，提高了相干测风激光雷达的性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块；其中，连续波激光器的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器用于将连续波激光器输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器的第二输出端输出；光纤分束器的第一输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与激光放大器的输入端连接，发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接；光纤分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；接收望远镜与偏振分束元件连接，偏振分束元件用于将所述接收望远镜接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件的第二输出端输出，偏振分束元件的第一输出端与快慢轴转换元件的输入端连接，所述快慢轴转换元件用于改变线偏振光的偏振态；快慢轴转换元件的输出端与光电开关的第一输入端连接，偏振分束元件的第二输出端与保偏延时元件的第一端连接，保偏延时元件的第二端与光电开关的第二输入端连接；所述光电开关的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与光电探测器连接，光电探测器的输出端与所述数据采集卡、数字信号处理模块依次连接。所述连续波激光器为光纤激光器。进一步地，所述光电探测器为平衡探测器。进一步地，所述连续波激光器、光纤分束器、光调制器和发射望远镜之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、耦合器和光电探测器之间采用保偏光纤连接。可选地，所述光调制器为声光调制器或电光调制器。本专利技术还提供了一种基于上述时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法，包括：连续波激光器输出激光至光纤分束器；光纤分束器将输入的激光分为两路，一路用作信号光，另外一路用作本振光；信号光输入光调制器调制为脉冲光，脉冲光经激光放大器放大后由发射望远镜出射；本振光输入耦合器；接收望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号；偏振分束元件将接收望远镜接收的回波信号分为S偏振光和P偏振光，P偏振光经保偏延时元件延时后输入光电开关，S偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、光电开关(10)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；其中，连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)用于将连续波激光器(1)输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器(2)的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器(2)的第二输出端输出；光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；快慢轴转换元件(9)的输出端与光电开关(10)的第一输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与光电开关(10)的第二输入端连接；所述光电开关(10)的输出端与耦合器(11)的第二输入端连接，耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。...

【技术特征摘要】
1.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、光电开关(10)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；其中，连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)用于将连续波激光器(1)输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器(2)的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器(2)的第二输出端输出；光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；快慢轴转换元件(9)的输出端与光电开关(10)的第一输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与光电开关(10)的第二输入端连接；所述光电开关(10)的输出端与耦合器(11)的第二输入端连接，耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)连接，光电探测器(12)的输出端与所述数据采集卡(13)、数字信号处理模块(14)依次连接。2.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述连续波激光器(1)为光纤激光器。3.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述光电探测器(12)为平衡探测器。4.根据权利要求1或2所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)和发射望远镜(5)之间采用保偏光纤连接；所述接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、耦合器(11)和光电探测器(12)之间采用保偏光纤连接。5.根据权利要求1或2所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，所述光调制器(3)为声光调制器或电光调制器。6.根据权利要求1所述的时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，所述第一线偏振光为S线偏振光，所述第二线偏振光为P线偏振光。7.一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、发射望远镜(5)、接收望远镜(6)、偏振分束元件(7)、保偏延时元件(8)、快慢轴转换元件(9)、光电开关(10)、耦合器(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和数字信号处理模块(14)；其中，连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的输入端连接，光纤分束器(2)用于将连续波激光器(1)输出的光信号分为两路光信号，第一路光信号经光纤分束器(2)的第一输出端输出，第二路光信号经光纤分束器(2)的第二输出端输出；光纤分束器(2)的第一输出端与光调制器(3)的输入端连接，光调制器(3)的输出端与激光放大器(4)的输入端连接，发射望远镜(5)的输入端与激光放大器(4)的输出端连接；光纤分束器(2)的第二输出端与耦合器(11)的第一输入端连接；接收望远镜(6)与偏振分束元件(7)连接，偏振分束元件(7)用于将所述接收望远镜(6)接收的光信号分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分束元件(7)的第一输出端输出，第二线偏振光经偏振分束元件(7)的第二输出端输出，偏振分束元件(7)的第一输出端与快慢轴转换元件(9)的输入端连接，所述快慢轴转换元件(9)用于改变线偏振光的偏振态；快慢轴转换元件(9)的输出端与保偏延时元件(8)的第一端连接，保偏延时元件(8)的第二端与光电开关(10)的第一输入端连接，偏振分束元件(7)的第二输出端与光电开关(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仁俊，赵自豪，
申请(专利权)人：南京红露麟激光雷达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32