用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置，它包括种子激光器、分路/隔离器、射频驱动器、声光调制器、激光放大模块、光纤环形器、可调光纤衰减器、已标定的光纤延时线、耦合器、平衡光电探测器、数据采集及信号处理模块。由于光纤延时线不占场地，可操作性、可生产性较强，有利于提高激光雷达批量生产效率；光纤延时线长度固定个，因此标定的距离精确，有利于提高激光雷达探测距离精度；光纤延时线状态稳定，回光信号不饱和，可以准确标定出激光雷达中频值，有利于提高激光雷达测速精度。利于提高激光雷达测速精度。利于提高激光雷达测速精度。

【技术实现步骤摘要】
用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法


[0001]本专利技术属于激光雷达领域，具体是一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法。

技术介绍

[0002]相干多普勒激光测风雷达利用气溶胶后向散射信号和本振光拍频，通过采集拍频信号进行数字解调及算法处理后，可得到不同距离待测目标的风场信息。雷达中存在多个反射面的叠加(例如光纤端面、望远镜镜片等)，与本振光拍频得到端面信号中心作为参考起始时间，通过采集待测目标与端面信号之间的时间间隔，来标定出待测目标的距离。由于受声光驱动器、调制器响应特性的影响，实际的脉冲端面信号相对TTL触发信号而言存在一个延时，因此，需要标定出实际的脉冲端面信号发射时刻，才能准确地标定出激光雷达探测距离；且在窄脉冲的情况下，脉冲波形受到调制后，中频发生变化，因此也需要标定出激光雷达的中频f
IF
。
[0003]现有激光雷达端面信号发射时刻标定方法有硬靶标定或者根据采集到的端面信号直接算法算出端面信号中心、中频的方法是用硬靶来标定的：(1)用硬靶距标定距离修定出雷达端面信号发射时刻。因为激光雷达有一定盲区，所以硬靶的位置至少放在盲区之外的距离才可以标定出硬靶的距离，一般盲区距离为L＝τ*c/2(其中τ为激光雷达脉冲宽度,c为光速一般为3*108m/s)。因此硬靶标定距离的方法受场地环境因素的限制，不利于激光雷达在大批量生产时进行标定。(2)用硬靶标定中频。根据公式v＝|f
‑
f
IF
|*λ/2(其中f为激光雷达所采集到的待测目标返回的频率，f
IF
为激光雷达中频，λ为激光波长)，当已知硬靶速度即可标定出中频，所以用硬靶标定时需要准确地测量出硬靶的移动速度，才能准确地标定出激光雷达的中频。因此，硬靶标定中频的方法受硬靶移动速度的准确性影响及周围环境影响，不能精准标定中频。(3)由于接收端动态范围有限，激光雷达正常开启时，端面信号强度较大使得探测器饱和，算法处理得到的时域的端面信号出现饱和、失真现象，由此计算出来的端面信号发射时刻、中频不够准确，不利于激光雷达对待测风场的距离和速度进行测量。针对端面信号饱和、失真的现象，现有方法会采用降低出光功率的方法来解决，但此时标定出的脉冲信号发射时间较激光器全部开启时的时间有一定误差，也会导致端面信号标定不准确，进而也不利于激光雷达的精确探测。
[0004]相干多普勒测风激光雷达的工作原理是：种子激光器输出的连续激光通过分束器分为两路，一路是连续激光经过可调衰减器后作为本振光输入到耦合/分束器；另一路连续激光经过声光调制器后被调制成脉冲激光并产生移频量f
IF
,脉冲激光经光纤放大器放大后，经过光纤环形器和望远镜发射到大气中。脉冲激光与大气中运动的气溶胶粒子相互作用，气溶胶的后向散射信号产生多普勒频移f
D
，然后进入耦合/分束器与本振光相干拍频。相干拍频后的信号又经过平衡光电探测器转换成模拟射频信号，用A/D采集卡将模拟信号转换成数字信号，然后通过算法处理计算出信号的频率f＝f
IF
+f
D
，因为已知f
IF
，通过公式v
＝f
D
*λ/2(其中f
D
为气溶胶后向散射信号产生的多普勒移频量，λ为激光波长，v为光探测方向上的风速)和脉冲激光飞行时间ΔT计算出不同距离D＝(ΔT*c)/2的风速(c＝3*108m/s，为光速)。
[0005]图1给出了一个硬靶标定端面信号中心和中频原理图，包括：
[0006]1‑
种子激光器：用于输出连续激光。
[0007]2‑
分路/隔离器：将种子激光器1的输出光分为两束，一束用作本振光，一束用于脉冲放大；防止回光回到种子激光器1，保护种子激光器1。
[0008]3‑
射频驱动器：输出信号施加到声光调制器4上。
[0009]4‑
声光调制器：将隔离器2输出的一束连续激光调制成脉冲激光并产生一定的移频量。
[0010]5‑
激光放大模块：将声光调制器4输出的脉冲激光放大至适当功率，其中包括第一级放大器5
‑
1和第二级放大器5
‑
2。
[0011]6‑
光纤环形器：一端口接收光纤放大器5的输出功率，二端口发射脉冲激光至硬靶，三端口接收硬靶散射信号。
[0012]7‑
耦合器：将隔离器2输出的一束本振光和保偏光纤环形器6三端口接受的气溶胶后向散射信号耦合、进行相干拍频，并平分为两束输入平衡光电探测器8中。
[0013]8‑
平衡光电探测器：将相干拍频后的光信号转换成电信号，并输出差频信号。
[0014]9‑
数据采集及信号处理模块：将平衡光电探测器8输出的连续的模拟信号转换成离散的数字信号，进行数据处理，并得到信号的时域及频域图。
[0015]10
‑
透镜：将发射的脉冲激光聚焦到速度可调转轮11边缘。
[0016]11
‑
速度可调转轮：作为硬靶，散射回光信号，进行标定，速度由步进电机控制。
[0017]具体测试方法如下：
[0018]种子激光器1输出连续激光，连续激光经过分路/隔离器2，此分路/隔离器2将连续激光分为两路，一路本振光和一路信号光，并防止后向回光进入种子激光1造成损伤；信号光一路经过声光调制器4，雷达系统给射频驱动器3输入同步的调制信号，由射频驱动器3输出到声光调制器4，信号光被声光调制器4调制成脉冲激光并产生一定的移频量f
IF
；调制后的脉冲激光经过激光放大模块5被放大至探测所需功率；放大后的脉冲激光从光纤环形器6的端口一输入，从光纤环形器6的端口二发射至透镜10，由透镜10将脉冲激光聚焦到距离雷达发射端面L米(此距离需大于盲区)处的速度可调转轮11的边缘，通过调节步进电机来控制转轮以固定速度v转动，从转轮边缘散射的回光信号被环形器6三端口接收；回光信号和分路/隔离器2的一路本振光耦合至耦合器7中，进行相干拍频并分为两束；两束相干拍频后的光信号输入平衡光电探测器8，由平衡光电探测器8将光信号转换为电信号，输入到数据采集及信号处理模块9。
[0019]观察数据采集及信号处理模块9输出的时域信号，此时时域信号中出现了如图2所示的时域信号，第一个脉冲信号为端面信号，第二个脉冲信号为硬靶的反射信号，两个脉冲信号均出现了饱和失真的现象。此时降低模块5放大倍数直至时域信号中的信号的幅值正好在数据采集模块可测量范围内。经过数据采集及信号处理模块9处理得到硬靶回光信号的时间t1，根据公式D＝Δt*c/2(其中两脉冲之间的时间间隔Δt＝t1‑
t0，c为光速),已知t1和距离D(即L米)，即可标定出端面信号在时域上的位置t0，则激光雷达可根据标定出的t0，
得到待测目标与t0之间的时间间隔，然后计算出待测目标的距离。再本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置，其特征在于它包括种子激光器(10)、分路/隔离器(11)、射频驱动器(12)、声光调制器(13)、激光放大模块(14)、光纤环形器(15)、可调光纤衰减器(16)、已标定的光纤延时线(17)、耦合器(18)、平衡光电探测器(19)、数据采集及信号处理模块(20)；种子激光器(10)连接分路/隔离器(11)后分为两路输出，第一路连接声光调制器(13)的输入端，第二路连接耦合器(18)作为其第一路输入；射频驱动器(12)输出调制信号至声光调制器(13)；声光调制器(13)的输出端通过激光放大模块(14)连接光纤环形器(15)的一端口，光纤环形器(15)的二端口输出激光至可调光纤衰减器(16)的输入端，光纤环形器(15)的三端口接收回光信号并连接耦合器(18)作为其第二路输入；可调光纤衰减器(16)的输出端连接已标定的光纤延时线(17)；耦合器(18)将第一路输入的本振光和第二路输入的回光信号进行相干拍频，并平分为两束传输至平衡光电探测器(19)；平衡光电探测器(19)将光信号转换为电信号后输入至数据采集及信号处理模块(20)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于光纤延时线(17)通过标定装置完成标定，所述标定装置包括：标定用种子激光器(1)、标定用隔离器(2)、标定用射频驱动器(3)、标定用声光调制器(4)、标定用分路器(5)、待标定的光纤延时线(17)、标定用耦合器(7)、标定用光电探测器(8)、标定用数据采集及分析模块(9)；标定用种子激光器(1)通过标定用隔离器(2)连接标定用声光调制器(4)；标定用射频驱动器(3)输出射频电信号至声光调制器(4)；声光调制器(4)的输出信号连接标定用分路器(5)，一路输出信号通过待标定的光纤延时线(17)作为第一输入信号连接标定用耦合器(7)；另一路输出信号直接作为第二输入信号连接标定用耦合器(7)；标定用耦合器(7)将延时线输出断面的光信号与激光器实际输出端面的光信号耦合；标定用光电探测器(8)将光信号转换为电信号后输入至标定用数据采集及分析模块(9)。3.一种用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定的方法，其特征在于它包括以下步骤：S1、对光纤延时线(17)进行标定：基于光纤延时线(17)的标定装置获取光信号的时域图，从中读取延时光信号的时间t2和未延时光信号的时间t1时间差Δt1＝t2
‑
t1；S2、种子激光器(10)端面信号发射时刻标定：获取光信号的时域信号图，基于下式计算得到端面信号发射时刻t1'：t1'＝t2'
‑
Δt式中，t2'表示第二个未饱和时延信号的时间；Δt表示总的时间差，Δt＝Δt1+Δt
衰减器
；Δt
衰减器
表示光纤衰减器(16)的时间差，通过下式获得：Δt
衰减器

【专利技术属性】
技术研发人员：乔乃燕，周军，罗浩，肖增利，朱海龙，李智，
申请(专利权)人：南京牧镭激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：