【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，具体涉及一种相干测风激光雷达回波信号标定系统及设计方法。
技术介绍
1、相干多普勒激光雷达通过探测运动目标（如大气气溶胶、云、硬目标等）回波信号的多普勒频移，能够在高时间和空间分辨率下提供精确的大气运动速度探测。目前已被广泛用于航空安全保障、风力发电、大气污染监测预报等领域。
2、相干多普勒激光雷达采用气溶胶作为风速探测的示踪物，因此其回波信号可用于反演气溶胶光学参数。为了准确反演气溶胶光学参数，需要对相干多普勒激光雷达的相干效率进行精确标定。相干效率本质上是本振光和后向散射光模式场的匹配程度，与激光光束、口径等系统参数有关，因此是距离的函数。目前，多数理论分析解析表达式都基于理想的高斯光束，而这并不总是适用的。有研究者通过一些间接方法来获取相干效率曲线，例如利用相干激光雷达在不同距离处对同一目标的回波、基于气溶胶水平均匀分布假设的水平探测数据反演、与其他气溶胶激光雷达回波曲线的对比等。这些方法都基于一定的假设，不是对相干效率的直接测量，而且忽略了大气湍流对相干效率的影响，结果的精度较低。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种相干测风激光雷达回波信号标定系统及设计方法通过对相干多普勒测风激光雷达相干效率曲线的直接测量，将有助于更准确地反演气溶胶光学参数，并研究分析大气湍流和系统口径、焦距等参数对其的影响。
2、技术方案：本专利技术所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，包括：种子激光器、声光调制器、光纤放大器
3、所述种子激光器的输出端与声光调制器的输入端连接，声光调制器的输出端与光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端与光学收发望远镜的发射端连接，光学收发望远镜的接收端与分束器的输入端连接，分束器的输出端a与单模光纤耦合器连接，单模光纤耦合器的输出端与第一滤波器连接，第一滤波器与第一探测器连接，第一探测器与第一采集卡连接；分束器的输出端b、多模光纤耦合器、第二滤波器、第二探测器、第二采集卡依次连接。
4、进一步的，所述种子激光器发射激光波长为1550nm。
5、进一步的，所述分束器为3db分束器，将回波信号等分为50:50的两束。
6、进一步的，所述单模光纤耦合器纤芯直径为8-10微米。
7、进一步的，所述多模光纤耦合器纤芯直径为50-62.5微米。
8、进一步的，所述第一探测器、第二探测器为双通道单光子探测器。
9、进一步的，第一滤波器、第二滤波器为干涉滤波片，带宽为0.1nm。
10、进一步的，所述声光调制器将连续激光调制为脉冲光，脉冲宽度为100ns~800ns，同时具有80mhz频移。
11、本专利技术所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统的设计方法，包括以下步骤：
12、s1种子激光器输出连续激光，经过声光调制器被调制为脉冲光后，由光纤放大器放大，最后经过光学收发望远镜的发射端向大气中出射；
13、s2不同距离处的大气回波信号通过光学收发望远镜的接收端接收后，经过分束器被分成两束，分别通过单模/多模耦合器耦合进入单模/多模光纤，经滤波片过滤背景光噪声后，由探测器进行光电转换并由采集卡采集电信号；
14、s3将大量脉冲的回波信号进行累积平均，分别得到单模光纤通道和多模光纤通道的平均大气回波信号强度，分别记为和；
15、s4计算单模/多模光纤回波信号的比值，即得到单模光纤耦合效率，根据相干效率与单模光纤耦合效率的等价关系得到相干激光雷达相干效率随距离的变化曲线。
16、进一步的，所述步骤s4中，根据脉冲激光雷达方程，单模/多模光纤通道回波信号公式如下：
17、；
18、其中，表示单模/多模光纤通道，是有效接收面积，是发射脉冲能量，是几何重叠因子，是光纤耦合效率，是量子效率，是气溶胶体积后向散射系数，是往返大气传输透过率，h是普朗克常数，v是光频率，c是光速；
19、光纤耦合效率为耦合到接收光纤中的平均功率与耦合器孔径平面中的平均功率之比，根据多模光纤接收信号的面积大于单模光纤，则耦合效率为：，得到的单模光纤耦合效率公式如下：
20、；
21、根据单模光纤耦合效率与相干效率的理论计算公式证明：
22、；
23、则得到相干效率随距离的变化曲线：
24、。
25、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：基于相干效率与单模光纤耦合效率的等价关系，通过同时测量单模光纤回波信号强度和多模光纤回波信号强度，得到耦合效率，进而实现相干效率的测量和相干多普勒测风激光雷达回波信号的标定方法，具有精度高的优点。
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1.一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，包括：种子激光器（1）、声光调制器（2）、光纤放大器（3）、光学收发望远镜（4）、分束器（5）、单模光纤耦合器（6）、多模光纤耦合器（7）、第一滤波器（8）、第二滤波器（9）、第一探测器（10）、第二探测器（11）、第一采集卡（12）、第二采集卡（13）；
2.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述种子激光器（1）发射激光波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述分束器（5）为3dB分束器，将回波信号等分为50:50的两束。
4.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述单模光纤耦合器（6）纤芯直径为8-10微米。
5.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述多模光纤耦合器（7）纤芯直径为50-62.5微米。
6.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述第一探测器（10）、第二
7.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，第一滤波器（8）、第二滤波器（9）为干涉滤波片，带宽为0.1nm。
8.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述声光调制器（2）将连续激光调制为脉冲光，脉冲宽度为100ns~800ns，同时具有80MHz频移。
9.一种相干测风激光雷达回波信号标定系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据脉冲激光雷达方程，单模/多模光纤通道回波信号公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，包括：种子激光器（1）、声光调制器（2）、光纤放大器（3）、光学收发望远镜（4）、分束器（5）、单模光纤耦合器（6）、多模光纤耦合器（7）、第一滤波器（8）、第二滤波器（9）、第一探测器（10）、第二探测器（11）、第一采集卡（12）、第二采集卡（13）；
2.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述种子激光器（1）发射激光波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述分束器（5）为3db分束器，将回波信号等分为50:50的两束。
4.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在于，所述单模光纤耦合器（6）纤芯直径为8-10微米。
5.根据权利要求1所述的一种相干测风激光雷达回波信号标定系统，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏天问，胡海南，汪梦雅，夏海云，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：
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