一種多光束非掃描相干探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，特別是一種收發(fā)合置、同時(shí) 收發(fā)多路探測(cè)光束，對(duì)空間風(fēng)矢量進(jìn)行探測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著激光技術(shù)和光纖技術(shù)的迅猛發(fā)展，多普勒雷達(dá)系統(tǒng)向著高可靠度、輕小型 化、多功能、長(zhǎng)使用壽命等目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)。近年來(lái)，全光纖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)倍受青睞。光纖 激光器、光環(huán)路器等光纖器件的引入使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布局上靈活多變，外形尺寸減小，系統(tǒng)具 有良好的抗沖擊振動(dòng)、溫度變化干擾的能力、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)只能測(cè)量視線方向風(fēng)速，要想獲得風(fēng)矢方向，至少需要同時(shí)進(jìn)行 三個(gè)方向的探測(cè)。目前，風(fēng)矢測(cè)量方式主要有兩種：凝視探測(cè)或掃描模式，其中，凝視探測(cè)模 式需要多套信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，體積龐大；掃描模式測(cè)量主要依靠掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)做錐 形或垂直平面掃描，從而完成風(fēng)矢測(cè)量，但上述機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)的引入不利于雷達(dá)系統(tǒng)的輕 小型化，并且，由于各個(gè)方向的機(jī)械掃描均需一定的時(shí)間，因此在風(fēng)場(chǎng)變化較快的情況下， 難以完成實(shí)時(shí)探測(cè)任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué) 系統(tǒng)，本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)中四路不同方向的視場(chǎng)信號(hào)收發(fā)共用一個(gè)光學(xué)鏡頭，這樣就能夠同 時(shí)收發(fā)多路探測(cè)光束，進(jìn)而對(duì)空間風(fēng)場(chǎng)矢量進(jìn)行探測(cè)。
[0005]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0006] (1)、本發(fā)明多路信號(hào)收發(fā)同體，能同時(shí)收發(fā)四路探測(cè)光束，對(duì)空間風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)， 單個(gè)系統(tǒng)單次探測(cè)就能完成風(fēng)場(chǎng)三維測(cè)量。
[0007] (2)本發(fā)明回波信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收直接耦合進(jìn)光纖，耦合效率在65%以上。
[0008] (3)本發(fā)明不僅克服了傳統(tǒng)雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)不能同時(shí)收發(fā)多路信號(hào)光的缺點(diǎn)，有利 于雷達(dá)系統(tǒng)的輕小型化，具有誘人的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是非掃描型相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)矢測(cè)量原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明的某一探測(cè)通道原理示意圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明光學(xué)天線多路光束收發(fā)原理示意圖。
[0012] 圖4是光學(xué)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0013] 圖5是光學(xué)天線各視場(chǎng)點(diǎn)列圖。
[0014]圖6是光學(xué)天線各視場(chǎng)波像差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017] 圖1是非掃描型相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)矢測(cè)量原理圖，如圖1所示，約定正東方向?yàn)?零度方位角，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)榻嵌鹊恼较颉Ｒ蕴祉斀?，方位角表示探測(cè)光束空間位置。測(cè)風(fēng) 激光雷達(dá)系統(tǒng)分別以（0°，〇° )、（12.5°，0° )、（10°，135° )和（10°，225° )四個(gè)方 向向空間風(fēng)場(chǎng)發(fā)射激光光束，各方向?qū)?yīng)圖1中所標(biāo)出的①、②、③、④四路探測(cè)通道。理論 上，測(cè)得三個(gè)方向的徑向風(fēng)速便可以反演三維風(fēng)場(chǎng)信息。在本發(fā)明一實(shí)施例中，為提高探 測(cè)精度，增加了一路天頂角為0°的探測(cè)通道，這樣與四個(gè)探測(cè)通道對(duì)應(yīng)的光纖為四根，各 光纖纖芯直徑為10ym，數(shù)值孔徑NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于對(duì)應(yīng)視場(chǎng)的主光 線。本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)四路不同方向視場(chǎng)信號(hào)收發(fā)共用一個(gè)光學(xué)鏡頭，能同時(shí)收發(fā)多路探測(cè) 光束，對(duì)空間風(fēng)場(chǎng)矢量進(jìn)行探測(cè)。
[0018] 本發(fā)明測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué)天線、多路探測(cè)光纖、光纖轉(zhuǎn)換器、耦合 器、激光器、光纖環(huán)路器和探測(cè)器，其中，光纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測(cè)器 通過(guò)選通操作與光學(xué)天線、多路探測(cè)光纖形成多路探測(cè)通道，各路探測(cè)通道分別完成對(duì)特 定方向徑向風(fēng)速的探測(cè)，如圖2所示，對(duì)于某一路探測(cè)通道而言：
[0019] 所述激光器用于發(fā)出激光，并通過(guò)耦合器進(jìn)入所述光纖環(huán)路器；
[0020] 其中，所述激光的軸向光強(qiáng)可近似認(rèn)為服從高斯分布，其光波電磁場(chǎng)表示為：
[0021]
(1)
[0022] 其中，p為放大后的激光功率，v為激光頻率，（}>定義為激光初始相位。
[0023] 所述光纖環(huán)路器用于將接收到的激光器發(fā)出的激光光波通過(guò)光纖傳輸?shù)焦饫w轉(zhuǎn) 換器中；
[0024] 其中，所述激光光波經(jīng)過(guò)光纖環(huán)路器后分為兩路：信號(hào)光S(t)和本振光Rjt)，其 中，本振光
由光纖端面后向反射產(chǎn)生，其中，P為光纖端 面反射率，乳為本振光傳播到探測(cè)器光敏面時(shí)的相位值，就目前的工藝水平而言，可以通 過(guò)在光纖端面鍍膜或者修切光纖端面角度來(lái)調(diào)整本振的光強(qiáng)；信號(hào)光經(jīng) 光學(xué)天線后出射，由于大氣中氣溶膠等粒子的散射，部分后向散射信號(hào)光重新被光學(xué)天線 接收，所述被光學(xué)天線接收的后向散射信號(hào)光可表示為：
[0025]
(2)
[0026] 其中，t為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，Av為多普勒頻移，烤為第i個(gè)氣溶膠粒子散射引 入的相位因子。
[0027] 考慮單個(gè)氣溶膠粒子后向散射的情況，此時(shí)后向散射信號(hào)光表不為：
[0028] ㈧
[0029] 其中，朽為氣溶膠粒子后向散射信號(hào)光傳播到探測(cè)器光敏面時(shí)的相位值。
[0030] 所述光纖轉(zhuǎn)換器用于分時(shí)選通多個(gè)探測(cè)通道，某時(shí)間段內(nèi)被選通的探測(cè)通道激光 經(jīng)相應(yīng)的通道光纖和光學(xué)天線出射到探測(cè)空域；
[0031] 探測(cè)光束經(jīng)大氣氣溶膠顆粒散射，后向散射光重新被光學(xué)天線接收并耦合進(jìn)對(duì)應(yīng) 光纖中并經(jīng)光纖環(huán)路器傳輸?shù)教綔y(cè)器上，后向散射信號(hào)光與本振光在探測(cè)器光敏面上相干 置加；
[0032] 所述探測(cè)器用于將其光敏面上變化的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘赐瑯右?guī)律變化的電流或電壓 輸出。
[0033] 其中，探測(cè)器光敏面上的光強(qiáng)分布可表示為：
[0034]
(4)
[0035] 式中，Ip12、I；?分別表不后向散射信號(hào)光、本振光和外差信號(hào)在光敏面上的強(qiáng)度分 布。
[0036] 濾除1:、12直流分量后獲得包含頻移信息的I3:
[0037]
(5)
[0038] 式中，回波信號(hào)與本振光相位差=武-氣。
[0039] 若所述探測(cè)器滿足平方律特性且表面量子效率均勻分布，那么外差探測(cè)得到的光 電流i(t)~13。通過(guò)對(duì)探測(cè)器輸出的光電流進(jìn)行相關(guān)處理，得到多普勒頻移AV，代入等 式（2)即可求得徑向風(fēng)速
：式中正負(fù)號(hào)與氣溶膠粒子相對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 方向有關(guān)，兩者相向運(yùn)動(dòng)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。
[0040] 利用上述測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的四路探測(cè)通道可測(cè)得四個(gè)徑向風(fēng)速，即可反演得到 風(fēng)場(chǎng)三維信息。實(shí)際風(fēng)速在直角坐標(biāo)系中可表示為：0 = (&,&，>;)，其在四個(gè)探測(cè)方向上 的投影分別為VH、vrt、UPV，根據(jù)幾何關(guān)系聯(lián)立方程，求解此矛盾方程，可以得到空間風(fēng) 場(chǎng)速度的最小二乘解。
[0041]
,):
[0042] 圖3是本發(fā)明光學(xué)天線多路光束收發(fā)原理示意圖，參照?qǐng)D3,四根光纖對(duì)應(yīng)著四路 探測(cè)通道，光纖的一端位于光學(xué)天線焦平面上，分別對(duì)應(yīng)著天頂角和方位角為（0°，〇° )、 (10°，135° )、（10°，225° )、（12.5°，0° )四個(gè)探測(cè)方向。四個(gè)探測(cè)方向又分別對(duì)應(yīng)著 光學(xué)天線（0°，〇° )、（1〇°，1〇° )、（_1〇°，1〇° )、（〇°，_12.5° )四個(gè)視場(chǎng)。各光纖纖 芯直徑為10ym，數(shù)值孔徑NA= 0. 12,且接收（出射）端面垂直于對(duì)應(yīng)視場(chǎng)的主光線。
[0043] 激光器中耦合進(jìn)光纖環(huán)路器中的激光經(jīng)光纖轉(zhuǎn)換器通道選通和光學(xué)天線擴(kuò)束