【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于大气风场探测，具体涉及可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，还涉及可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法。
技术介绍
1、大气风场信息是重要的环境和气象参数，精确的风场数据在气象气候、环境检测、天气预报和航空安全领域有着非常重要的应用，对气候变化、大气污染物的扩散及航空器的飞行与起降安全等具有重要的影响，精细大尺度的风场探测技术受到各国政府及气象环境科学家广泛关注，因此开展大气风场实时探测，对民航飞行路线以及军事环境都提供了强有力的保障。较早发展的相干探测主要利用的是大气气溶胶所产生的散射回波进行工作，然而气溶胶主要存在于低层大气，因此对高层大气探测是相干探测的难点，且要求发射激光具有良好的相干性、严格的发射和接收光学系统质量，受空气湍流影响较大；分立式非相干探测光学系统则机械结构体积重量大，系统复杂，保密性差且生产成本昂贵；激光频率的稳定性是多普勒激光雷达能否正常工作及保证探测精度的关键指标，所以前期大多测风系统都包含激光稳频系统(碘分子吸收池)，无疑又增加了系统复杂程度。为了实现高灵敏度宽动态范围大高度范围测风，对激光雷达进行重新设计，采用可见光波段无稳频全光纤非相干技术对大气风速进行探测。
技术实现思路
1、本专利技术的第一个目的是提供可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，能够实现高灵敏度大高度范围风场探测。
2、本专利技术的第二个目的是提供可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法。
3、本专利技术所采用的第一个
4、光纤激光发射系统发射出的激光参考信号分成两路，小部分激光参考信号进入光纤鉴频系统；大部分激光参考信号经光纤环形器进入望远镜系统，并以一定角度做圆周扫描射向大气；
5、望远镜接收系统，接收经光纤环形器传递来的光纤激光发射系统发射出的大部分激光参考信号；然后，接收大气后向散射信号，耦合进光纤，经光纤环形器进入光纤鉴频系统的输入端；
6、光纤鉴频系统，接收经望远镜接收系统传递的大气后向散射信号，干涉输出为能量变化；
7、光电探测及数据处理系统，接收光纤鉴频系统传递的光信号，探测通过光纤鉴频系统接收到的信号强度。
8、本专利技术的特征还在于：
9、光纤激光发射系统包括有脉冲单频光纤激光器、光纤激光放大器及耦合器；
10、由脉冲单频光纤激光器发出532nm的水平激光依次经光纤激光放大器及耦合器后分成两路激光参考信号，1％的激光参考信号进入光纤鉴频系统；99％的激光参考信号经光纤环形器进入望远镜系统，并以一定角度做圆周扫描射向大气。
11、望远镜接收系统包括有望远镜，望远镜上方设置有转动电机，转动电机上安装有楔形棱镜；
12、99％的激光参考信号经光纤环形器进入到望远镜中，望远镜将激光参考信号传递给楔形棱镜，楔形棱镜使得原本垂直出射的光产生一个α的仰角，通过设置楔形棱镜的角度和折射率，使得仰角发生α度改变；转动电机控制楔形棱镜旋转，采用相同间隔方位角和固定天顶角的方式做360°圆周扫描；
13、大气后向散射光信号经楔形棱镜后被接收望远镜接收，通过光纤环形器进入光纤传输至光纤鉴频系统；
14、光纤鉴频系统包括有第一耦合器及第二耦合器；第一耦合器与第二耦合器之间通过第一光纤及第二光纤连接；第一光纤的长度不等于第二光纤的长度；其中，第一光纤或第二光纤的纤体上套有加热膜；加热膜内设置有pt100铂热电阻；还包括有pid控制器，pt100铂热电阻、pid控制器及加热膜依次连接；
15、pt100铂热电阻用于监测套有加热膜的光纤的温度并反馈给pid控制器，通过不断调整pid控制器的输出，使得被控制的温度始终保持在设置值±0.01k附近；
16、经耦合器后分出的1％的激光参考信号及大气后向散射激光参考信号分别由第一耦合器接收，因传输距离不同两者在时间上互不干扰；
17、第二耦合器将第一光纤与第二光纤传递的光信号进行干涉分两路输出由光电探测及数据处理系统接收。
18、本专利技术所采用的第二个技术方案是，可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法，具体按照以下步骤实施：
19、步骤1、将上述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统初始化；
20、步骤2、使用光纤激光发射系统发射出激光信号，发射的激光参考信号分成两路，小部分激光参考信号进入光纤鉴频系统；大部分激光参考信号经光纤环形器进入望远镜系统，并以一定角度做圆周扫描射向大气，并由望远镜接收系统接收大气后向散射信号，通过光纤环形器进入光纤鉴频系统并由光电探测器采集；
21、步骤3、对采集到的大气后向散射信号结合米散射、瑞利散射特点和多普勒效应获得多普勒频移与能量变化的关系；
22、步骤4、通过实时监测激光参考信号实现稳频校正以及光纤鉴频系统响应函数的定标及校正；
23、步骤5、通过收集各高度的多普勒频移，三波束vad反演得到各高度的三维大气风场，最终实现高灵敏度大范围风速探测。
24、本专利技术的特征还在于：
25、步骤3具体按照以下步骤实施：
26、步骤3.1、通过光电探测器pmt0及光电探测器pmt1对应的两通道分别接收到信号强度u1(t)、信号强度u2(t)，具体表达式为：
27、
28、
29、式中e0为激光脉冲能量，h为普朗克常量，ν为脉冲激光的频率，a为望远镜接收面积，t为探测时间，c为光速，η1为光电探测器的量子效率，η2为望远镜与光纤之间的耦合效率，σ为回波信号的光波数，δt为光纤激光器脉冲宽度，βα为气溶胶后向散射系数，βm为大气分子后向散射系数，α为消光系数，g为pmt增益；
30、步骤3.2、确定风速响应函数q(t)，具体表达式如下：
31、
32、步骤3.3、经风速响应函数反演得到风速v为：
33、
34、式中γ为谱线展宽，σ0为激光发射光波数，n0为室温下光纤折射率，l0为室温下两光纤长度差，nt为温度改变时光纤折射率，lt为温度改变时两光纤长度差，ε为小于σ0(n0l0+ntlt)的最大整数；
35、步骤3.4、通过计算获得第一光纤和第二光纤的长度，并在具体实验中根据实际情况用温度对其中一根光纤的长度进行精准调节，使信号强度u1(t)及信号强度u2(t)对应的初始幅值大小保持一致。
36、步骤4具体按照以下步骤实施：
37、步骤4.1、对其中一根光纤进行温度控制，温度的变化会使第一光纤及第二光纤的臂长差发生变化，实现锁频，使光纤鉴频系统的输出能量相等；
38、步骤4.2、确定温度对相位的影响具体表示为：
39、
40本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，包括有光纤激光发射系统、光纤环形器(4)、望远镜接收系统、光纤鉴频系统和光电探测及数据处理系统；
2.根据权利要求1所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光纤激光发射系统包括有脉冲单频光纤激光器(1)、光纤激光放大器(2)及耦合器(3)；
3.根据权利要求2所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜接收系统包括有望远镜(5)，望远镜(5)上方设置有转动电机(7)，转动电机(7)上安装有楔形棱镜(6)；
4.根据权利要求3所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光纤鉴频系统包括有第一耦合器(8)及第二耦合器(13)；第一耦合器(8)与第二耦合器(13)之间通过第一光纤(9)及第二光纤(11)连接；第一光纤(9)的长度不等于第二光纤(11)的长度；其中，第一光纤(9)或第二光纤(11)的纤体上套有加热膜(10)；加热膜(10)内设置有PT100铂热电阻；还包括有PID控制器(12)，PT100铂热电
5.根据权利要求4所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测及数据处理系统包括有光电探测器PMT0(14)、光电探测器PMT1(15)及数字示波器(16)；光电探测器PMT0(14)及光电探测器PMT1(15)分别接收第二耦合器(13)干涉出的两路光信号，经光电探测器PMT0(14)及光电探测器PMT1(15)传递的光信号由数字示波器(16)采集存储。
6.可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
7.根据权利要求6所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：
8.根据权利要求7所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法，其特征在于，步骤4具体按照以下步骤实施：
9.根据权利要求8所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达方法，其特征在于，步骤5具体按照以下步骤实施：
...【技术特征摘要】
1.可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，包括有光纤激光发射系统、光纤环形器(4)、望远镜接收系统、光纤鉴频系统和光电探测及数据处理系统；
2.根据权利要求1所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光纤激光发射系统包括有脉冲单频光纤激光器(1)、光纤激光放大器(2)及耦合器(3)；
3.根据权利要求2所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜接收系统包括有望远镜(5)，望远镜(5)上方设置有转动电机(7)，转动电机(7)上安装有楔形棱镜(6)；
4.根据权利要求3所述的可见光波段无稳频全光纤非相干测风激光雷达系统，其特征在于，所述光纤鉴频系统包括有第一耦合器(8)及第二耦合器(13)；第一耦合器(8)与第二耦合器(13)之间通过第一光纤(9)及第二光纤(11)连接；第一光纤(9)的长度不等于第二光纤(11)的长度；其中，第一光纤(9)或第二光纤(11)的纤体上套有加热膜(10)；加热膜(10)内设置有pt100铂热电阻；还包括有p...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪丽，张永浩，闫宇琛，张思妍，高飞，华灯鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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