專利名稱：非相干激光測風(fēng)方法及激光雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種非相干激光測風(fēng)方法及由實現(xiàn)該方法的激光雷達(dá)。
背景技術(shù)：
風(fēng)速測量在氣象、環(huán)境、交通等事業(yè)的許多方面有著重要的作用。目前使用相干測量方法只能獲取高度約0～3公里范圍內(nèi)的風(fēng)速，而利用碘吸收濾波器的非相干方法可獲取高度40～60公里范圍內(nèi)的風(fēng)速。但是，由于低空(高度0～10公里)或?qū)α鲗拥目諝庵泻写罅康臍馊苣z微粒，而其含量又無法確定，因此對這一空域的風(fēng)速測量技術(shù)一直是一個空白。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明一種能夠利用非相干多普勒效應(yīng)測量高度0-10公里或?qū)α鲗臃秶鷥?nèi)大氣水平風(fēng)速的非相干激光測風(fēng)方法和實現(xiàn)該方法的激光雷達(dá)。通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，實時測量風(fēng)速測量響應(yīng)曲線。利用該響應(yīng)曲線可校正測量到的徑向，再通過對徑向風(fēng)速進(jìn)行分析處理得到大氣風(fēng)場，克服了由于大氣低空0～10公里(或?qū)α鲗?高度范圍內(nèi)大氣氣溶膠和大氣分子同時存在，無法進(jìn)行風(fēng)速測量難題。
本實用新型首先產(chǎn)生窄線寬脈沖激光，并對該脈沖激光進(jìn)行鎖頻，組成激光雷達(dá)發(fā)射單元，使該激光脈沖序列發(fā)射進(jìn)入大氣；利用望遠(yuǎn)鏡接收大氣分子和氣溶膠的后向散射光，接收到的光信號分成兩路，一路光信號直接轉(zhuǎn)換為電信號I，通過碘吸收濾波器的另一路光信號轉(zhuǎn)換成電信號II，計算機(jī)采集的兩路電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得徑向風(fēng)速(即視線風(fēng)速)；數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是獲得激光雷達(dá)風(fēng)速響應(yīng)曲線，通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，在覆蓋的頻譜寬度內(nèi)所接收到的兩路激光回波信號比(I/II)，其隨激光頻率的變化即為實時測量到的風(fēng)速響應(yīng)曲線。根據(jù)風(fēng)速響應(yīng)曲線校正徑向風(fēng)速，再通過兩個方向徑向風(fēng)速與水平風(fēng)速的三角幾何關(guān)系依次得到水平風(fēng)速剖面，對多個不同方向多次測量后可以得到水平風(fēng)速風(fēng)場。
本發(fā)明所采用的準(zhǔn)確測量風(fēng)速的方法是實時獲得激光雷達(dá)風(fēng)速響應(yīng)曲線，通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，在覆蓋的頻譜寬度內(nèi)，所接收到的兩路信號比隨激光頻率的變化即為測量到的風(fēng)速響應(yīng)曲線，再通過兩個方位角的徑向風(fēng)速分析處理得到風(fēng)場。本發(fā)明中窄線寬的脈沖激光可以通過將種子激光注入脈沖激光的方法實現(xiàn)。線寬一般可壓縮在90～100MHz范圍內(nèi)。
本發(fā)明中采取主動穩(wěn)頻技術(shù)，通過碘吸收濾波器檢測出種子激光器的頻率偏移量，通過數(shù)字PID算法(比例控制、積分控制和微分控制的組合)計算誤差信號，將之反饋至控制系統(tǒng)對激光器的各相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)頻目的。改進(jìn)的數(shù)字PID算法采用積分分離和微分的四點中心差分算法，使得系統(tǒng)對剛起動時的較大的偏差造成的積分飽和或突變量造成的積分飽和做修正；并可降低差分項造成的對干擾的過分敏感。
實現(xiàn)本發(fā)明所述方法的設(shè)備包括1激光雷達(dá)發(fā)射單元由種子激光器、脈沖激光器、激光掃描鏡、種子注入及激光穩(wěn)頻光學(xué)和電子部件組成。
2激光雷達(dá)接收單元由望遠(yuǎn)鏡、碘吸收濾波器、光電倍增管和與計算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集電路組成。
這種方法和技術(shù)的優(yōu)點是校正了大氣氣溶膠和大氣溫度剖面對徑向風(fēng)速測量的綜合影響。根據(jù)本發(fā)明所采用的方法和技術(shù)，對實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和處理結(jié)果，使低空(0～10公里)或?qū)α鲗铀斤L(fēng)速剖面的測量結(jié)果，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差為1m/s，風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)偏差為15度。


圖1為本發(fā)明實施例的硬件部分的結(jié)構(gòu)圖；具體實施方式
如圖所示，本實施例包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)包括脈沖激光器，種子激光器與其端口連接。接收系統(tǒng)包括卡塞格林望遠(yuǎn)鏡(Cassegrain Telescope)，其光線輸出端依次對應(yīng)安裝凸透鏡和分光鏡。分光鏡的一個輸出端依次安裝碘吸收濾波器、凸透鏡和光電倍增管2，該光電倍增管的電信號輸出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路(模數(shù)轉(zhuǎn)換或光子計數(shù))接計算機(jī)；分光器的另一端出端對應(yīng)依次安裝凸透鏡、光電倍增管1，該光電倍增管的電信號輸出端經(jīng)采集電路接計算機(jī)。
上述硬件的運行過程如下發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生窄線寬的脈沖激光(激光波長532nm，線寬90～100MHz)，該激光脈沖序列按某一發(fā)射角度發(fā)射進(jìn)入大氣，并通過穩(wěn)頻技術(shù)對脈沖激光進(jìn)行鎖頻；由大氣分子和氣溶膠的后向散射光通過望遠(yuǎn)鏡接收后分為兩束，其中一束直接經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號，另一路經(jīng)碘吸收濾波器后，由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號，計算機(jī)采集的兩路電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得徑向風(fēng)速。激光脈沖序列按另一發(fā)射角度發(fā)射進(jìn)入大氣，再重復(fù)上述過程，得到兩個方位角的徑向風(fēng)速。計算機(jī)中進(jìn)行分析處理時，先通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，所接收到的兩路信號比隨激光頻率的變化即為實時測量到的風(fēng)速響應(yīng)曲線，利用該響應(yīng)曲線可校正測量到的徑向風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速響應(yīng)曲線校正徑向風(fēng)速，再通過兩個方向徑向風(fēng)速與水平風(fēng)速的三角幾何關(guān)系依次得到水平風(fēng)速剖面，對多個不同方向多次測量后可以得到水平風(fēng)速風(fēng)場。
權(quán)利要求
1.一種非相干激光測風(fēng)方法，其特征是首先產(chǎn)生窄線寬脈沖激光，并對該脈沖激光進(jìn)行鎖頻，組成激光雷達(dá)發(fā)射單元，使該激光脈沖序列發(fā)射進(jìn)入大氣；利用望遠(yuǎn)鏡接收大氣分子和氣溶膠的后向散射光，接收到的光信號分成兩路，一路光信號直接轉(zhuǎn)換為電信號I，通過碘吸收濾波器的另一路光信號轉(zhuǎn)換成電信號II，計算機(jī)采集的兩路電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得徑向風(fēng)速(即視線風(fēng)速)；數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是獲得激光雷達(dá)風(fēng)速響應(yīng)曲線，通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，在覆蓋的頻譜寬度內(nèi)所接收到的兩路激光回波信號比(I/II)，其隨激光頻率的變化即為實時測量到的風(fēng)速響應(yīng)曲線。根據(jù)風(fēng)速響應(yīng)曲線校正徑向風(fēng)速，再通過兩個方向徑向風(fēng)速與水平風(fēng)速的三角幾何關(guān)系依次得到水平風(fēng)速剖面，對多個不同方向多次測量后可以得到水平風(fēng)速風(fēng)場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非相干激光測風(fēng)方法，其特征是所述的窄線寬激光的產(chǎn)生是通過將種子激光注入脈沖激光中而實現(xiàn)的，窄線寬脈沖激光的線寬為90～100MHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非相干激光測風(fēng)方法，其特征是所述的鎖頻方式為主動穩(wěn)頻，它是通過碘吸收濾波器檢測出種子激光器的頻率偏移量，誤差信號通過數(shù)字PID算法計算，參數(shù)根據(jù)實驗確定，將之反饋至控制系統(tǒng)對激光器的各相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)頻目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非相干激光測風(fēng)雷達(dá)，其特征是它包括與種子激光器連接的脈沖激光器和接收其大氣后向散射信號的望遠(yuǎn)鏡、將望遠(yuǎn)鏡接收到的信號分為兩路的分束鏡、與其中一路信號對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換用的光電倍增管，光電倍增管放大電路和與計算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集電路；與另一路信號對應(yīng)有碘吸收濾波器，光電轉(zhuǎn)換用的光電倍增管和與計算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集電路。
全文摘要
本發(fā)明為一種非相干激光測風(fēng)方法及由實現(xiàn)該方法的激光雷達(dá)。它首先產(chǎn)生窄線寬脈沖激光，并對該脈沖激光進(jìn)行鎖頻，組成激光雷達(dá)發(fā)射單元，使該激光脈沖序列發(fā)射進(jìn)入大氣；利用望遠(yuǎn)鏡接收大氣分子和氣溶膠的后向散射光，接收到的光信號分成兩路，一路光信號直接轉(zhuǎn)換為電信號I，通過碘吸收濾波器的另一路光信號轉(zhuǎn)換成電信號II，計算機(jī)采集的兩路電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得徑向風(fēng)速；數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是獲得激光雷達(dá)風(fēng)速響應(yīng)曲線，通過調(diào)諧種子激光頻率，對碘吸收濾波器532nm附近的吸收線覆蓋的頻譜寬度進(jìn)行激光頻率掃描，在覆蓋的頻譜寬度內(nèi)所接收到的兩路激光回波信號比(I/II)，其隨激光頻率的變化即為實時測量到的風(fēng)速響應(yīng)曲線。根據(jù)風(fēng)速響應(yīng)曲線校正徑向風(fēng)速，再通過兩個方向徑向風(fēng)速與水平風(fēng)速的三角幾何關(guān)系依次得到水平風(fēng)速剖面，對多個不同方向多次測量后可以得到水平風(fēng)速風(fēng)場。利用本方法可獲取高度40～60公里范圍內(nèi)的風(fēng)速。
文檔編號G01W1/00GK1641377SQ20041002341
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者劉智深, 吳東, 陳衛(wèi)標(biāo), 宋小全 申請人:中國海洋大學(xué)