一种多普勒激光测速雷达装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多普勒激光测速雷达的装置及方法。通过声光调制器同时产生脉冲信号和与之对应的调制的本振光信号，调节本振光信号的延时，使端面反射光信号脉冲上升沿与本振光下降沿对齐，从而外差干涉得到幅值较小的端面反射中频信号，避免由于端面反射中频信号较大导致的紧随其后的持续几十纳秒的由大到小的衰减信号，消除由于该衰减信号造成的频谱低频区域噪声值升高对频率估计的影响，提高速度测量的准确性和可靠性。此外，通过提取幅值较小的端面反射中频信号的初始相位，用于大气回波中频信号的相位对齐，实现大气回波中频信号的相干累加，提高系统信噪比。提高系统信噪比。提高系统信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种多普勒激光测速雷达装置及方法


[0001]本专利技术属于激光雷达
，具体涉及一种多普勒激光测速雷达装置及方法。

技术介绍

[0002]多普勒脉冲式激光测速雷达应用于近距离速度测量时，如测量飞机真空速等大气数据以及获取风力发电装置近距离风速风向时，由于作用距离短，使得气溶胶粒子产生的回波光信号对应的中频信号与雷达光学天线等端面反射信号产生的中频信号在时间上相连甚至部分重叠。此外由于端面反射中频信号幅值可达几伏，远大于毫伏级回波信号，可使探测器进入饱和状态，也超出了AD采集的电压范围。在采集电路采集到的数字信号中经常会出现幅值很高的端面反射中频信号，而后紧接着响应幅值很低的回波中频信号。由于探测及采集电路有一定的电容特性，使得紧随端面反射中频信号后会产生持续几十纳秒的幅值由大到小的衰减信号，如图1所示。该衰减信号在频谱上表现为低频噪声，频率范围覆盖一赫兹至几十兆赫兹，将显著增加频谱噪声幅值水平，甚至将实际的多普勒信号淹没，严重影响多普勒速度信号的频率估计，如图2所示。
[0003]此外，若产生的端面反射中频光信号不至于使探测器工作在饱和区以及端面反射中频电信号不至于超出AD采集的电压范围，则可以通过提取端面反射中频信号的频率及相位信息，实现回波中频信号的相位对齐，类似于无线电的全相参雷达，实现激光雷达的大气回波脉冲中频信号的时域相干累加。
[0004]此外，对回波信号进行频谱分析后，得到峰值频率，然后减去固定的声光频移量，可以计算出多普勒频移，然而声光频移量是由加载到声光调制器上的电路产生的射频信号频率、声光晶体和换能器特性共同决定，随温度变化会产生微小变化，因此这将带来多普勒频移及速度的解算误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的：提供一种适用于近距离测量的多普勒激光测速雷达的装置及方法。通过控制雷达系统端面反射中频信号的幅值，降低甚至消除端面反射中频信号后产生的持续几十纳秒的由大到小的衰减信号，从而消除该衰减信号对频谱估计的影响。此外，可以通过提取端面反射中频信号的初始相位，用于接收的大气回波脉冲中频信号的相位对齐，实现脉冲时域内的相干累加。此外，端面反射中频信号的频率代表信号光相对本振光的频移量，通过分析该幅值较小的端面反射中频信号的频谱，提取峰值频率，可以作为雷达系统光路频移量的参考值用于解算多普勒频移，减小变温环境下频移量变化情况下仍采用固定频移量解算导致的测量误差。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]根据本专利技术的第一方面，提出一种多普勒激光测速雷达装置，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器1、声光调制器2、光纤放大器模块4、环形器模块5和光学天线模块6；
[0008]所述声光调制器2还与光衰减器7、光延时线8、耦合器模块9、平衡光电探测器模块
10依次光纤连接；所述环形器模块5还与耦合器模块9光纤连接；
[0009]所述信号处理模块11分别与所述声光调制器2、所述平衡光电探测器模块10电连接；
[0010]所述信号处理模块11用于对所述平衡光电探测器模块10发送的信号进行数字采集，对得到的脉冲数字中频信号进行分段处理，并对端面反射中频信号后的信号进行频率估计，获得激光视线方向速度。
[0011]在一个可能的实施例中，所述的声光调制器2包括：输入光纤21、声光晶体22、换能器23、第一耦合透镜24、本振光输出光纤25、第二耦合透镜26、信号光输出光纤27；声光晶体22与输入光纤21、本振光输出光纤25、信号光输出光纤27分别通过光学元件耦合连接，或者直接光纤耦合连接；换能器23与声光晶体22紧贴粘接；
[0012]输入光纤21传输的光信号进入声光晶体22会产生声光衍射，产生0级输出光和1级输出光，0级输出光和1级输出光分别进入本振光输出光纤25和信号光输出光纤27。
[0013]在一个可能的实施例中，还包括强度调制器3，所述强度调制器3设置于所述声光调制器2与所述光纤放大器模块4之间，并通过光纤分别与所述声光调制器2与所述光纤放大器模块4相连接；所述信号处理模块11与所述强度调制器3电连接。
[0014]在一个可能的实施例中，还包括相位调制器模块9，所述相位调制器模块9连接于光延时线8与耦合器模块10之间，或者连接于声光调制器2至光延时线8至耦合器模块10所形成的光路上的任意两个相邻模块之间，或者连接于声光调制器2至环形器模块5至耦合器模块10所形成的光路上的任意两个相邻模块之间。在一个可能的实施例中，所述的光延时线8选用具有一定长度的光纤，或者为反射镜组构成的空间折返光路。
[0015]在一个可能的实施例中，所述光纤放大器模块4包括一个光纤放大器、所述环形器模块5包括一个环形器、所述光学天线模块6包括一个光学天线、所述相位调制器模块9包括一个相位调制器、所述耦合器模块10包括一个耦合器、所述平衡光电探测器模块11包括一个平衡光电探测器。
[0016]在一个可能的实施例中，所述装置还包括第一分束器41和第二分束器42；
[0017]强度调制器3与光纤放大器模块4之间通过光纤连接有第一分束器41；光延时线8与耦合器模块9之间通过光纤连接有第二分束器42；
[0018]光纤放大器模块4包括多个光纤放大器、环形器模块5包括多个环形器、光学天线模块6包括多个光学天线、相位调制器模块9包括多个相位调制器、耦合器模块10包括多个耦合器、平衡光电探测器模块11包括多个平衡光电探测器；
[0019]多个光纤放大器、多个环形器、多个光学天线依次一一对应连接；
[0020]多个相位调制器与多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接；
[0021]多个环形器与多个耦合器、多个平衡光电探测器依次一一对应连接。
[0022]根据本专利技术的第二方面，提出一种多普勒激光测速方法，采用上述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述方法包括：
[0023]种子激光器射出激光经过声光调制器后产生声光衍射，产生本振光与信号光；本振光依次进入光衰减器、光延时线和耦合器模块，信号光依次进入强度调制器、光纤放大器模块、环形器模块，通过光学天线模块发射到空气中，光学天线模块同时接收大气气溶胶粒子散射回的回波信号光，回波信号光经环形器模块进入耦合器模块，与本振光外差干涉，由
平衡探测器模块探测外差干涉信号，产生中频电信号；信号处理模块采集探测到的中频电信号，量化后得到数字中频信号，提取大气回波数字中频信号进行频率估计，可以进一步计算出激光视线方向的速度，测量多个激光视线方向速度可以计算出三轴速度以及速度方向。
[0024]根据本专利技术的第三方面，提出一种实现相干累加的方法，采用上述一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，包括如下步骤：
[0025]种子激光器出射激光经过声光调制器后产生调制及声光衍射，0级光不产生移频，1级光产生与加载的射频信号频率相同的频移量，由于声光衍射的开关特性，0级光与1级光为形状互补的调制光信号，即0级光信号脉冲宽度加上1级光信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述装置包括：依次光纤连接的种子激光器(1)、声光调制器(2)、光纤放大器模块(4)、环形器模块(5)和光学天线模块(6)；所述声光调制器(2)还与光衰减器(7)、光延时线(8)、耦合器模块(10)、平衡光电探测器模块(11)依次光纤连接；所述环形器模块(5)还与耦合器模块(10)光纤连接；所述信号处理模块(12)分别与所述声光调制器(2)、所述平衡光电探测器模块(11)电连接；所述信号处理模块(12)用于对所述平衡光电探测器模块(11)发送的信号进行数字采集，对得到的脉冲数字中频信号进行分段处理，并对端面反射中频信号后的信号进行频率估计，获得激光视线方向速度。2.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述的声光调制器(2)包括：输入光纤(21)、声光晶体(22)、换能器(23)、第一耦合透镜(24)、本振光输出光纤(25)、第二耦合透镜(26)、信号光输出光纤(27)；声光晶体(22)与输入光纤(21)、本振光输出光纤(25)、信号光输出光纤(27)分别通过光学元件耦合连接，或者直接光纤耦合连接；换能器(23)与声光晶体(22)紧贴粘接；输入光纤(21)传输的光信号进入声光晶体(22)会产生声光衍射，产生0级输出光和1级输出光，0级输出光和1级输出光分别进入本振光输出光纤(25)和信号光输出光纤(27)。3.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，还包括强度调制器(3)，所述强度调制器(3)设置于所述声光调制器(2)与所述光纤放大器模块(4)之间，并通过光纤分别与所述声光调制器(2)与所述光纤放大器模块(4)相连接；所述信号处理模块(12)与所述强度调制器(3)电连接。4.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，还包括相位调制器模块(9)，所述相位调制器模块(9)设置于所述光延时线(8)与所述耦合器模块(10)之间，并通过光纤分别与所述光延时线(8)与所述耦合器模块(10)相连接；所述信号处理模块(12)与所述相位调制器模块(9)电连接；所述相位调制器模块(9)也可以连接于所述声光调制器(2)至光延时线(8)至耦合器模块(10)所形成的光路上的任意两个相邻模块之间，或者连接于声光调制器(2)至环形器模块(5)至耦合器模块(10)所形成的光路上的任意两个相邻模块之间。5.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述的光延时线(8)选用具有一定长度的光纤，或者为反射镜组构成的空间折返光路。6.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述光纤放大器模块(4)包括一个光纤放大器、所述环形器模块(5)包括一个环形器、所述光学天线模块(6)包括一个光学天线、所述相位调制器模块(9)包括一个相位调制器、所述耦合器模块(10)包括一个耦合器、所述平衡光电探测器模块(11)包括一个平衡光电探测器。7.根据权利要求1所述的一种多普勒激光测速雷达装置，其特征在于，所述装置还包括第一分束器(41)和第二分束器(42)；强度调制器(3)与光纤放大器模块(4)之间通过光纤连接有第一分束器(41)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬，雷宏杰，岳亚洲，周原，乔金良，张艺馨，靳文华，田哲铭，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：