一种相干激光雷达和水流流速探测方法技术

本申请公开了一种相干激光雷达和水流流速探测方法，其提出了基于频率下转换的水流流速相干探测技术方案，即采用对水流具有穿透能力的可见光波段激光对各水层水流和湍流进行探测以得到回波信号，再将本振信号和回波信号分别与泵浦激光混频，并利用非线性波导进行频率下转换得到易于相干探测的近红外波段或红外波段的待测信号以进行相干拍频。本申请公开的技术方案可用于精细化探测各水层的水流流速以及垂直方向上湍流流速，进而还可提高系统的集成度，以利于搭载于各类平台上。

A coherent lidar and flow velocity detection method

【技术实现步骤摘要】
一种相干激光雷达和水流流速探测方法
本专利技术涉及激光雷达领域，具体涉及一种相干激光雷达和水流流速探测方法。
技术介绍
海流又称洋流，是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动，它是海水的普遍运动形式之一，各水层中的洋流运动的方向和速度是海洋学的重要参数。洋流的运动与海上安全、海洋工程、海洋战争等都密切相关。传统的海表面流测量方法有现场观测、立体摄影以及雷达探测。现场观测在一定的时间内得到一片小区域的数据，无法全面反映所测海域的真实海况，并且现场设备很难维护。同时，立体摄影获取海流信息的方法受限于仪器的载体并且受到环境的限制，黑夜或者有雾、有云的情况下，这种方法无法实施，而且立体摄影的后续处理手续十分复杂。利用微波雷达观测海洋信息能克服以上方法的不足，但其存在微波系统庞大，并且由于海面波导效应，微波信号从上往下传输过程中，很难穿过海气界面，从而难以提供垂直剖面的流速信息。基于多普勒原理的测风相干激光雷达已用于大气风场的探测，使用相干测风激光雷达测量大气风拨时，通过本振信号与大气回波信号拍频，将激光雷达频率减低至兆赫兹的射频，从而大大减低了频率检测的难度。相干探测相比于直接探测(例如基于法布里-帕罗干涉仪的直接探测)，其不需要鉴频器，也就不需要将激光器的中心频率锁定在鉴频器的陡峭边缘，因此光路简单。相干激光雷达为了提高相干效率，对待测信号要求苛刻。目前相干激光雷达的待测信号波长已经从刚开始的1064纳米发展到了目前相对成熟的1.5微米甚至2.0微米，即一般利用红外波段的激光进行相干探测。而在探测海洋洋流或其他水流的流速时，由于水分子对红外激光的吸收和散射强，对可见光波段激光吸收相对较弱。因此，为探测各水层的洋流或水流的流速，通常选用对水穿透能力强的可见光波段，而不是红外激光。但是短波长的可见光波段激光进行相干探测时，对面型精度要求高，空间光路容易受到周围温度、压强和湿度变化的影响，稳定性差，因此短波长的激光不利于相干探测。这就造成现有技术中，至今没人提出通过相干探测法探测洋流或水流流速的构思。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服
技术介绍
中存在的上述缺陷或问题，提供一种相干激光雷达和水流流速探测方法，其利用相干探测法探测水流流速。为达成上述目的，采用如下技术方案：第一技术方案涉及一种相干激光雷达(100)，用于探测水流流速，其包括：第一激光器(1)，其产生第一激光；第一分束器(2)，其将第一激光分成两部分，其中一部分作为本振信号；第二激光器(3)，其产生第二激光，所述第二激光为泵浦激光；第二分束器(4)，其将第二激光分成两部分；脉冲调制模块(5)，其将第一激光的另一部分进行脉冲调制，并生成与本振信号具有频差且达到发射要求的探测信号；发射接收模块(6)，其发射探测信号并接收回波信号；第一波分复用器(7)，其将本振信号与第二激光的一部分耦合成第一混频信号；第二波分复用器(8)，其将回波信号与第二激光另一部分耦合成第二混频信号；频率转换模块(9)，其对第一混频信号和第二混频信号进行频率下转换及滤波处理并相应地输出第一待测信号和第二待测信号；3dB分束器(10)，其对第一待测信号和第二待测信号进行混频处理；相干探测器(11)，其对混频后的第一待测信号和第二待测信号进行相干拍频并输出电信号；和数据处理模块(12)，其将所述电信号转换成数字信号并进行处理得到水流流速。第二技术方案基于第一技术方案，其中，所述脉冲调制模块(5)包括：脉冲调制器(51)，其将连续的第一激光斩成脉冲激光；声光频移器(52)，其对脉冲激光进行频移处理；和放大器(53)，其对声光频移器(52)输出的信号进行放大形成所述的探测信号。第三技术方案基于第一技术方案，其中，所述的发射接收模块(6)采用收发分离结构或收发同轴结构；当采用收发分离结构时，所述发射接收模块(6)包括发射望远镜(61)和接收望远镜(62)；所述发射望远镜(61)用于接收脉冲调制模块(5)发送的探测信号并发射；所述接收望远镜(62)用于接收回波信号并发送到第二波分复用器(8)；当采用收发同轴结构时，所述发射接收模块(6)包括环形器(63)和收发望远镜(64)；环形器(63)的第一通道用于接收脉冲调制模块(5)发送的探测信号，并发送至收发望远镜(64)；环形器(63)的第二通道用于接收收发望远镜(64)发送的回波信号，并发送至第二波分复用器(8)；所述收发望远镜(64)用于发射探测信号和接收回波信号。第四技术方案基于第一技术方案，其中，所述频率转换模块(9)包括：非线性波导(91)，其用于对第一混频信号和第二混频信号进行频率下转换并相应输出第一换频信号和第二换频信号；第一滤波器(92)，其用于对第一换频信号进行滤波处理并输出第一待测信号；和第二滤波器(93)，其用于对第二换频信号进行滤波处理并输出第二待测信号。第五技术方案基于第四技术方案，其中，所述非线性波导(91)选用带温度调节装置的双通道周期极化铌酸锂波导。第六技术方案基于第一技术方案，其中，所述3dB分束器(10)设有两个输出端；所述相干探测器(11)为平衡探测器；所述3dB分束器(10)的两个输出端分别连接所述平衡探测器的两个输入端。第七技术方案涉及一种水流流速探测方法，其包括：将第一激光的一部分作为本振信号与第二激光的一部分混频形成第一混频信号；将第一激光另一部分进行脉冲调制并最后形成探测信号发射至水面；接收水面回波信号并与第二激光的另一部分混频形成第二混频信号；第一混频信号和第二混频信号经频率下转换和滤波得到第一待测信号和第二待测信号；对第一待测信号和第二待测信号进行相干探测并转换成电信号；基于所述电信号进行数据处理并获得水流流速；其中，第一激光波长位于对水穿透能力强的波段；第二激光为泵浦激光；第一待测信号波长和第二待测信号波长位于易进行相干探测的波段。第八技术方案基于第七技术方案，其中，所述第一激光位于可见光波段；所述第二激光为波长1064纳米的泵浦激光；所述第一待测信号和第二待测信号波长为1500纳米。第九技术方案基于第七技术方案，其中，当探测垂直方向上的湍流流速时，探测信号相对水平面入射角等于或接近零度；当探测不同水层的水流流速时，探测信号相对水平面入射角大于零度小于九十度。第十技术方案基于第七技术方案，其中，对第一激光另一部分进行脉冲调制包括对其进行脉冲编码；在数据处理时对所述脉冲编码进行解码。相对于现有技术，上述方案具有的如下有益效果：第一技术方案中，通过将第一激光和第二激光混频后进行频率下转换，使基于波长较短的第一激光的本振信号和回波信号转换为波长较长的第一待测信号和第二待测信号，从而有利于进行相干拍频。因此，第一技术方案中公开的相干激光雷达，能够用基于波长较短的可见光的探测信号探测各水层水流流速，还能够将本振信号和回波信号转换为基于波长较长的红外光的第一待测信号和第二待测信号进行相干拍频，从而实现了利用相干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相干激光雷达(100)，用于探测水流流速，其特征是，包括：/n第一激光器(1)，其产生第一激光；/n第一分束器(2)，其将第一激光分成两部分，其中一部分作为本振信号；/n第二激光器(3)，其产生第二激光，所述第二激光为泵浦激光；/n第二分束器(4)，其将第二激光分成两部分；/n脉冲调制模块(5)，其将第一激光的另一部分进行脉冲调制，并生成与本振信号具有频差且达到发射要求的探测信号；/n发射接收模块(6)，其发射探测信号并接收回波信号；/n第一波分复用器(7)，其将本振信号与第二激光的一部分耦合成第一混频信号；/n第二波分复用器(8)，其将回波信号与第二激光另一部分耦合成第二混频信号；/n频率转换模块(9)，其对第一混频信号和第二混频信号进行频率下转换及滤波处理并相应地输出第一待测信号和第二待测信号；/n3dB分束器(10)，其对第一待测信号和第二待测信号进行混频处理；/n相干探测器(11)，其对混频后的第一待测信号和第二待测信号进行相干拍频并输出电信号；和/n数据处理模块(12)，其将所述电信号转换成数字信号并进行处理得到水流流速。/n

【技术特征摘要】
1.一种相干激光雷达(100)，用于探测水流流速，其特征是，包括：
第一激光器(1)，其产生第一激光；
第一分束器(2)，其将第一激光分成两部分，其中一部分作为本振信号；
第二激光器(3)，其产生第二激光，所述第二激光为泵浦激光；
第二分束器(4)，其将第二激光分成两部分；
脉冲调制模块(5)，其将第一激光的另一部分进行脉冲调制，并生成与本振信号具有频差且达到发射要求的探测信号；
发射接收模块(6)，其发射探测信号并接收回波信号；
第一波分复用器(7)，其将本振信号与第二激光的一部分耦合成第一混频信号；
第二波分复用器(8)，其将回波信号与第二激光另一部分耦合成第二混频信号；
频率转换模块(9)，其对第一混频信号和第二混频信号进行频率下转换及滤波处理并相应地输出第一待测信号和第二待测信号；
3dB分束器(10)，其对第一待测信号和第二待测信号进行混频处理；
相干探测器(11)，其对混频后的第一待测信号和第二待测信号进行相干拍频并输出电信号；和
数据处理模块(12)，其将所述电信号转换成数字信号并进行处理得到水流流速。


2.如权利要求1所述的一种相干激光雷达(100)，其特征是，所述脉冲调制模块(5)包括：脉冲调制器(51)，其将连续的第一激光斩成脉冲激光；
声光频移器(52)，其对脉冲激光进行频移处理；和
放大器(53)，其对声光频移器(52)输出的信号进行放大形成所述的探测信号。


3.如权利要求1所述的一种相干激光雷达(100)，其特征是：
所述的发射接收模块(6)采用收发分离结构或收发同轴结构；
当采用收发分离结构时，所述发射接收模块(6)包括发射望远镜(61)和接收望远镜(62)；
所述发射望远镜(61)用于接收脉冲调制模块(5)发送的探测信号并发射；所述接收望远镜(62)用于接收回波信号并发送到第二波分复用器(8)；
当采用收发同轴结构时，所述发射接收模块(6)包括环形器(63)和收发望远镜(64)；
环形器(63)的第一通道用于接收脉冲调制模块(5)发送的探测信号，并发送至收发望远镜(64)；环形器(63)的第二通道用于接收收发望远镜(64)发送的回波信号，并发送至第二波分复用器(8)；所述收发望远镜(64)用于发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官明佳，李忠平，商少凌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35