專利名稱：瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光雷達(dá)，特別是一種瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
全球大氣風(fēng)場在大氣動力學(xué)、天氣、氣象中有著極其重要的地位，是水氣、氣溶膠、碳循環(huán)以及海氣交換的主要動力；是天氣數(shù)值預(yù)報(bào)、傳輸研究、動力氣象研究中必不可少的參數(shù)。多普勒激光雷達(dá)測風(fēng)是目前風(fēng)速測量的一種有力手段，其原理如下一般說來，大氣分子的移動速度可以認(rèn)為等于風(fēng)速，當(dāng)激光與移動著的大氣分子相互作用時，由于多普勒效應(yīng)，激光頻率將會發(fā)生變化，且有Δv＝2V/λ，其中Δv為激光頻率變化量，V為大氣分子移動速度，λ為出射激光波長。由公式可知，根據(jù)激光頻率發(fā)生變化的大小，可以得到大氣分子移動速度，即為風(fēng)速的大小。雙邊緣瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)(以下簡稱瑞利測風(fēng)激光雷達(dá))是直接探測多普勒激光雷達(dá)的一種，圖4為其光信號接收部件9的結(jié)構(gòu)示意圖。大氣后向散射信號由望遠(yuǎn)鏡收集后經(jīng)信號收集光纖8進(jìn)入接收部件9。接收部件9的工作情況如下從信號收集光纖8出射的光信號經(jīng)準(zhǔn)直后由濾波器91濾掉背景光噪聲，然后送入光譜分析部件。光譜分析部件是光潔度很高的雙Fabry-Perot干涉儀92，其主要特點(diǎn)是上下兩部分腔長有一微小的不同，從而形成兩個光譜形狀相同而中心頻率有一定間隔的兩個高分辨光譜，起到兩個干涉儀的作用，兩干涉儀作為鑒頻器使用，分別和后面的第一光電倍增管93、第二光電倍增管94對應(yīng)形成兩個能量通道，即第一能量通道和第二能量通道。利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)雙·Fabry-Perot干涉儀92的腔長，使兩個干涉儀的光譜對稱地分布在出射激光光譜的兩邊，所以理論上講0風(fēng)速時對應(yīng)兩通道的能量比值(以下簡稱兩通道的能量比值)應(yīng)為1；當(dāng)激光頻率發(fā)生改變時，激光頻率向一個干涉儀的中心頻率靠近而遠(yuǎn)離另一干涉儀的中心頻率，導(dǎo)致一個能量通道的探測能量增大，而另一通道能量減小，且兩通道的能量比值和頻率移動是單一的對應(yīng)關(guān)系，因此，由兩通道的能量比值即可確定激光頻率變化的大小。由于瑞利散射激光雷達(dá)是目前除微波散射計(jì)外唯一可以進(jìn)行全球風(fēng)場測量的工具，西方各國家研究機(jī)構(gòu)如NASA(美國宇航局)、CNRS(法國國家研究中心)、OSA(歐洲航天局)爭相開展瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的研制工作，并取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。但是，縱觀各研究機(jī)構(gòu)的瑞利測風(fēng)雷達(dá)研究狀況不難發(fā)現(xiàn)，瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)速標(biāo)定是該系統(tǒng)的研制難點(diǎn)。由于大氣分子后向散射光譜的特殊性，與米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)定相比，硬靶散射的方法很難使用于瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)。
首先看一下NASA的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)方案，NASA對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行了深入的理論分析，為了兼顧氣溶膠和分子散射對干涉儀進(jìn)行了優(yōu)化，確定了雙邊緣光譜的寬度和光譜之間間隔的大小，并研制了瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)，其風(fēng)速測量結(jié)果也與探空氣球風(fēng)速測量的結(jié)果能較好的吻合。但是，從NASA公開發(fā)表的論文中找不到有關(guān)該瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定方法。其原因我們認(rèn)為可能有兩種一，NASA的干涉儀加工技術(shù)較好，可以根據(jù)理論結(jié)果制作光學(xué)質(zhì)量很高的干涉儀，風(fēng)速測量中可以由理論結(jié)果代替系統(tǒng)標(biāo)定；二，NASA雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)不便于公開發(fā)表。我們認(rèn)為其中第二種可能性更大。再看一下CNRS的系統(tǒng)標(biāo)定方案，CNRS的激光雷達(dá)系統(tǒng)將干涉儀放在密封的盒子里，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動活塞改變盒子內(nèi)部氣體壓強(qiáng)，使盒子內(nèi)部氣體的折射率發(fā)生變化，干涉儀條紋發(fā)生移動。其系統(tǒng)標(biāo)定時，假設(shè)激光光譜已知，取一小部分出射激光進(jìn)入光信號收集光纖，準(zhǔn)直后照亮干涉儀。通過步進(jìn)電機(jī)逐步改變盒子內(nèi)部壓強(qiáng)測得對應(yīng)信號。然后利用反卷積的方法得到干涉儀的光譜。結(jié)合大氣分子后向散射光譜的理論給出干涉儀的響應(yīng)函數(shù)。由CNRS的文獻(xiàn)報(bào)道知，1995年9月和1996年5月CNRS做了一系列的雷達(dá)標(biāo)定工作，而兩次標(biāo)定結(jié)果有明顯的不同，其中1995年激光雷達(dá)標(biāo)定結(jié)果有很大的誤差。顯然采用CNRS的標(biāo)定方法，激光雷達(dá)的標(biāo)定工作無論從準(zhǔn)確度上還是從標(biāo)定效率上都有一定的欠缺。實(shí)際上，干涉儀內(nèi)部壓強(qiáng)變化時，由于干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的張力效應(yīng)，使干涉儀缺陷參數(shù)發(fā)生變化，另外，對干涉儀不均勻照射也會導(dǎo)致光譜加寬，種種困難都使干涉儀光譜測定的不確定度增大。而且，在激光雷達(dá)標(biāo)定過程中涉及反卷積、分子后向散射理論以及激光的發(fā)散角等因素，因此，即使不考慮這種標(biāo)定方法的誤差，CNRS的標(biāo)定方案也不可能在每次風(fēng)速測量前都能方便準(zhǔn)確的進(jìn)行。然而，一般測風(fēng)激光雷達(dá)為了達(dá)到準(zhǔn)確測量風(fēng)速的目的，必須進(jìn)行每次風(fēng)速測量前的標(biāo)定工作，其原因主要有以下兩點(diǎn)首先是0風(fēng)速時的激光光譜漂移，根據(jù)激光雷達(dá)原理，發(fā)射激光光譜應(yīng)處在干涉儀兩光譜的中間位置，為達(dá)到這種目的，我們也采用了反饋系統(tǒng)使干涉儀的光譜跟隨激光光譜的漂移，但一般說來實(shí)際風(fēng)速測量中發(fā)射激光光譜還是偏離干涉儀中心位置的，此時0風(fēng)速時兩通道的能量比值不再是1，而是一個和干涉儀、激光器工作狀態(tài)，甚至環(huán)境因素有關(guān)的數(shù)值，與之對應(yīng)其他風(fēng)速對應(yīng)兩通道的能量比值也發(fā)生變化，若再用先前系統(tǒng)標(biāo)定的結(jié)果反演風(fēng)速必然帶來風(fēng)速誤差。激光光譜漂移是慢漂的，在較短工作時間內(nèi)(標(biāo)定時間+風(fēng)速測量時間)可以認(rèn)為光譜穩(wěn)定，標(biāo)定后立即進(jìn)行風(fēng)速測量，則可以消除由0風(fēng)速激光漂移引起的誤差。其次，激光雷達(dá)光路準(zhǔn)確度要求很高，運(yùn)輸途中的顛簸甚至環(huán)境改變都會使系統(tǒng)光路發(fā)生微小的變化，從而要求每次測量前進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。上述種種原因表明，CNRS的標(biāo)定方法存在一定的缺陷，除NASA、CNRS之外，我們也對其他各激光研究機(jī)構(gòu)的資料進(jìn)行了調(diào)研，均未發(fā)現(xiàn)有比較好的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定方案的不足，提供一種適用于瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法，它應(yīng)能方便、迅速地對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。
本發(fā)明瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定方法的基礎(chǔ)是利用聲光移頻和激光光譜多普勒展寬原理，它使用兩個頻率可調(diào)的聲光移頻器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)激光頻率的過0的寬帶連續(xù)調(diào)節(jié)，并利用多普勒展寬器使光譜展開而對瑞利測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確、迅速的標(biāo)定。在瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)中，風(fēng)速的反演是根據(jù)兩通道的能量比值R和對應(yīng)的移頻f，由移頻f計(jì)算風(fēng)速v，在風(fēng)速測量中實(shí)際測量得到的是兩通道的能量比值R，所以必須在風(fēng)速測量之前對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，即找出每一能量比值R和f的對應(yīng)關(guān)系，即R與風(fēng)速v的關(guān)系。本發(fā)明能方便、迅速地對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種適用于瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括一激光器，沿該激光器的激光輸出光路上依次由衰減器、第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和多普勒展寬器組成，所述的多普勒展寬器的輸出端通過信號收集光纖與瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件相接。
在所述的衰減器的前后還插設(shè)有第一反射鏡和第二反射鏡，以便將激光器發(fā)出的激光導(dǎo)入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置。
所述的激光器是一激光波長為355nm的激光器。
所述的第一聲光移頻器的中心頻率為400MHz，頻率可調(diào)范圍為400+30MHz，其布拉格角為2.04°；所述的第二聲光移頻器的中心頻率為460MHz，頻率可調(diào)范圍為460+30MHz，其布拉格角為2.34°。
所述的多普勒展寬器為一內(nèi)壁涂黑的筒狀容器，其前端面完全封閉，后端面有供激光入射和信號收集光纖插入的小孔，該筒狀容器的外周自內(nèi)而外包覆有加熱片層和絕熱層，所述的加熱片層與一開關(guān)電源相連，該開關(guān)電源與一溫度控制器相連并在該溫度控制器的控制下工作。
所述的多普勒展寬器內(nèi)部氣體的溫度控制在±0.1℃的起伏范圍內(nèi)。
一種利用所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置進(jìn)行瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定方法，該方法包括下列步驟①將第一反射鏡和第二反射鏡插入光路中，使激光器發(fā)出的激光導(dǎo)入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置；②調(diào)整第一聲光移頻器的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向增大的方向移動至最大頻率值；調(diào)整第二聲光移頻器的角度使激光以負(fù)布拉格角2.34°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向減小方向移動至最小頻率值，而激光總的頻率移動為0；③先逐步調(diào)節(jié)第二聲光移頻器的移頻數(shù)值直到最大，再逐步減小第一聲光移頻器的移頻數(shù)值直到最小，即逐步擴(kuò)大頻移，將可獲得一系列的頻移值fi并做記錄；④利用激光多普勒展寬器，對移頻后的激光光譜進(jìn)行展寬，使激光光譜和大氣分子后向散射的光譜形狀相同；⑤利用信號收集光纖收集多普勒展寬器中空氣分子的后向散射激光，并送入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件，對應(yīng)于第③步的每一個頻移值fi得到相應(yīng)的兩通道的能量比值Ri；⑥所得到的一組f和R，即為順向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果；⑦調(diào)整第一聲光移頻器的角度，使激光以負(fù)布拉格角2.04°入射，調(diào)整第二聲光移頻器的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，則激光衍射級次在+1級與-1級間切換，兩聲光移頻器的移頻方向均變?yōu)椴襟E②的相反方向，重復(fù)步驟③④⑤⑥，得到反向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果。
本發(fā)明的標(biāo)定原理如下設(shè)可調(diào)聲光移頻器將激光頻率改變?yōu)閒l，對應(yīng)兩通道能量比值為Rl，若在實(shí)際風(fēng)速測量中，也得到兩通道的能量比值為Rl，則實(shí)際風(fēng)速v引起的頻率變化為fl，由f1與v的對應(yīng)關(guān)系可得到風(fēng)速的大小，實(shí)際標(biāo)定過程中，可以將出射激光在一個頻率范圍內(nèi)調(diào)制，得到一組f和R值分別對應(yīng)不同的風(fēng)速v，因此在風(fēng)速測量中對應(yīng)任何實(shí)測的兩通道的能量比值R均能得到相應(yīng)的f，再由f得到對應(yīng)的風(fēng)速v。由于單個頻率可調(diào)聲光移頻器的調(diào)頻范圍都不過0點(diǎn)，因?yàn)槁暪庹{(diào)制中，聲波頻率不能為0，且可調(diào)范圍較小，例如法國AA公司的可調(diào)聲光移頻器的可調(diào)帶寬為60MHz，因此本發(fā)明使用兩個頻率可調(diào)聲光移頻器反向串接，并且兩聲光移頻器分別將激光頻率向高頻和低頻方向調(diào)制，激光通過兩個聲光移頻器后，頻率過0點(diǎn)可調(diào)，合適地選擇兩個聲光移頻器的中心頻率，可以使激光頻率的可調(diào)范圍為單個移頻器的兩倍。經(jīng)過聲光移頻器后的激光光譜寬度仍等同于移頻前的激光光譜寬度，與大氣分子后向散射的光譜形狀上有很大的區(qū)別，因此，必須對其光譜進(jìn)行展寬才能與激光雷達(dá)的接收部件相匹配，本發(fā)明使用激光光譜的多普勒加寬與溫度的關(guān)系，并考慮空氣的后向散射，設(shè)計(jì)了多普勒加寬器。
上述標(biāo)定過程與CNRS的標(biāo)定過程相比較有很大的優(yōu)點(diǎn)，首先，每次風(fēng)速測量前對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，最大限度的消除了0風(fēng)速時激光光譜漂移帶來的誤差；其次，整個標(biāo)定過程中沒有用到干涉儀具體參數(shù)，避免了干涉儀理論以及大氣散射理論的使用，簡化了系統(tǒng)標(biāo)定過程；再次，整個標(biāo)定過程，僅涉及聲光移頻器頻率的調(diào)節(jié)，可以方便迅速的標(biāo)定系統(tǒng)，易于實(shí)時系統(tǒng)標(biāo)定。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明可以在每次風(fēng)速測量前對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，最大限度的消除了0風(fēng)速時激光光譜漂移帶來的誤差，提高風(fēng)速測量的準(zhǔn)確度。
(2)標(biāo)定準(zhǔn)確性高，355nm的測風(fēng)激光雷達(dá)1m/s的風(fēng)速對應(yīng)頻移為5.6MHz，聲光移頻器驅(qū)動模塊具有很高的準(zhǔn)確度，頻率誤差小于20KHz，對應(yīng)風(fēng)速可以忽略不計(jì)；標(biāo)定過程干涉儀的工作狀態(tài)和實(shí)際測風(fēng)時干涉儀的狀態(tài)相同，不因?yàn)橛筛缮鎯x參數(shù)變化而引入的誤差。
(3)標(biāo)定過程精確模擬風(fēng)速對系統(tǒng)的影響，即將瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件當(dāng)作Black-Box，不需要了解其詳細(xì)參數(shù)，降低對雙Fabry-Perot的光學(xué)要求。
(4)瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定迅速，標(biāo)定裝置和瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件在同一光學(xué)平臺上，標(biāo)定時只需將反光鏡插入激光雷達(dá)光路中，調(diào)節(jié)移頻器放置角度、并調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊的頻率數(shù)值，短時間內(nèi)即可以完成瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定。
(5)原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置及其在瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定中的基本結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置的光譜示意圖。
圖3為本發(fā)明多普勒展寬器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為雷達(dá)接收部件9的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1-激光器、2-第一反射鏡、3-衰減器、4-第二反射鏡、5-第一聲光移頻器、6-第二聲光移頻器、8-信號收集光纖、10-激光器出射激光光譜、11-向左頻移后的激光光譜、12-向右頻移后的激光光譜、13-多普勒加寬后的激光光譜。
7-多普勒展寬器、71-后端面、72-激光入射孔、73-加熱層、74-絕熱層、75-前端面、76-開關(guān)電源、77-溫度控制器、8-收集光纖。
9-雷達(dá)接收部件、91-窄帶濾波片、92-雙Fabry-Perot干涉儀、93-第一光電倍增管、94-第二光電倍增管、95-數(shù)據(jù)處理模塊。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，由圖可見，本發(fā)明瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，包括一激光器1，沿該激光器1的激光輸出光路依次由第一反射鏡2、衰減器3、第二反射鏡4、第一聲光移頻器5、第二聲光移頻器6和多普勒展寬器7組成，所述的多普勒展寬器7的輸出端通過信號收集光纖8與瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件9相接。
所述的激光器1是一激光波長為355nm的激光器。
所述的第一聲光移頻器5的中心頻率為400MHz，頻率可調(diào)范圍為400±30MHz，其布拉格角為2.04°；所述的第二聲光移頻器6的中心頻率為460MHz，頻率可調(diào)范圍為460±30MHz，其布拉格角為2.34°。
所述的多普勒展寬器7為一內(nèi)壁涂黑的筒狀容器，如圖3所示，其前端面75完全封閉，后端面71有供激光入射和信號收集光纖8插入的小孔72，該筒狀容器的外周自內(nèi)而外包覆有加熱片層73和絕熱層74，所述的加熱層73與一開關(guān)電源76相連，該開關(guān)電源76與一溫度控制器77相連并在該溫度控制器77的控制下工作。該多普勒展寬器7內(nèi)部氣體的溫度控制在±0.1℃的起伏范圍內(nèi)。
利用上述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置進(jìn)行瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定方法，其特征在于該方法包括下列步驟
①將第一反射鏡2和第二反射鏡4插入光路中，使激光器1發(fā)出的激光導(dǎo)入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置；②調(diào)整第一聲光移頻器5的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向增大的方向移動至最大頻率值；調(diào)整第二聲光移頻器6的角度使激光以負(fù)布拉格角2.34°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向減小方向移動至最小頻率值，而激光總的頻率移動為0；③先逐步調(diào)節(jié)第二聲光移頻器6的移頻數(shù)值直到最大，再逐步減小第一聲光移頻器5的移頻數(shù)值直到最小，即逐步擴(kuò)大頻移，獲得一系列的頻移值fi并做記錄；④利用激光多普勒展寬器7，對移頻后的激光光譜進(jìn)行展寬，使激光光譜和大氣分子后向散射的光譜形狀相同；⑤利用信號收集光纖8收集多普勒展寬器7中空氣分子的后向散射激光，并送入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件9，對應(yīng)于第③步的每一個頻移值fi得到相應(yīng)的兩通道的能量比值Ri；⑥所得到的一組對應(yīng)的f和R，即為順向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果；⑦調(diào)整第一聲光移頻器5的角度，使激光以負(fù)布拉格角2.04°入射，調(diào)整第二聲光移頻器6的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，則激光衍射級次在+1級與-1級間切換，兩聲光移頻器的移頻方向均變?yōu)椴襟E②的相反方向，重復(fù)步驟③④⑤⑥，得到反向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種適用于瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括一激光器(1)，沿該激光器(1)的激光輸出光路依次由衰減器(3)、第一聲光移頻器(5)、第二聲光移頻器(6)和多普勒展寬器(7)組成，所述的多普勒展寬器(7)的輸出端通過信號收集光纖(8)與瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件(9)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，其特征是在所述的衰減器(3)的前后還插設(shè)有第一反射鏡(2)和第二反射鏡(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，其特征在于所述的激光器(1)是一激光波長為355nm的激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，其特征在于所述的第一聲光移頻器(5)的中心頻率為400MHz，頻率可調(diào)范圍為400±30MHz，其布拉格角為2.04°；所述的第二聲光移頻器(6)的中心頻率為460MHz，頻率可調(diào)范圍為460±30MHz，其布拉格角為2.34°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，其特征在于所述的多普勒展寬器(7)為一內(nèi)壁涂黑的筒狀容器，其前端面(75)完全封閉，后端面(71)有供激光入射和信號收集光纖(8)插入的小孔(72)，該筒狀容器的外周自內(nèi)而外包覆有加熱層(73)和絕熱層(74)，所述的加熱層(73)與一開關(guān)電源(76)相連，該開關(guān)電源(76)與一溫度控制器(77)相連并在該溫度控制器(77)的控制下工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置，其特征在于所述的多普勒展寬器(7)內(nèi)部氣體的溫度控制在±0.1℃的起伏范圍內(nèi)。
7.一種利用所述的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定裝置進(jìn)行瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定方法，其特征在于該方法包括下列步驟①將第一反射鏡(2)和第二反射鏡(4)插入光路中，使激光器(1)發(fā)出的激光導(dǎo)入激光雷達(dá)標(biāo)定裝置；②調(diào)整第一聲光移頻器(5)的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向增大的方向移動至最大頻率值；調(diào)整第二聲光移頻器(6)的角度使激光以負(fù)布拉格角2.34°入射，并改變移頻器驅(qū)動模塊使激光頻率向減小方向移動至最小頻率值，而激光總的頻率移動為0；③先逐步調(diào)節(jié)第二聲光移頻器(6)的移頻數(shù)值直到最大，再逐步減小第一聲光移頻器(5)的移頻數(shù)值直到最小，即逐步擴(kuò)大頻移，獲得一系列的頻移值fi并做記錄；④利用激光多普勒展寬器(7)，對移頻后的激光光譜進(jìn)行展寬，使激光光譜和大氣分子后向散射的光譜形狀相同；⑤利用信號收集光纖(8)收集多普勒展寬器(7)中空氣分子的后向散射激光，并送入瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的接收部件(9)，對應(yīng)于第③步的每一個頻移值fi得到相應(yīng)的兩通道的能量比值Ri；⑥所得到的一組對應(yīng)的f和R，即為順向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果；⑦調(diào)整第一聲光移頻器(5)的角度，使激光以負(fù)布拉格角2.04°入射，調(diào)整第二聲光移頻器(6)的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，則激光衍射級次在+1級與-1級間切換，兩聲光移頻器的移頻方向均變?yōu)椴襟E②的相反方向，重復(fù)步驟③④⑤⑥，得到反向風(fēng)速的瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定結(jié)果。
全文摘要
一種適用于瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法，本發(fā)明瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)標(biāo)定方法的基礎(chǔ)是利用聲光移頻和激光光譜多普勒展寬原理，它使用兩個頻率可調(diào)的聲光移頻器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)激光頻率的過0的寬帶連續(xù)調(diào)節(jié)，并利用多普勒展寬器使光譜展開而對瑞利測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確、迅速的標(biāo)定。在瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)中，風(fēng)速的反演是根據(jù)兩通道的能量比值R和對應(yīng)的移頻f，由移頻f計(jì)算風(fēng)速v，在風(fēng)速測量中實(shí)際測量得到的是兩通道的能量比值R，所以必須在風(fēng)速測量之前對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，即找出每一能量比值R和f的對應(yīng)關(guān)系，即R與風(fēng)速v的關(guān)系。本發(fā)明能方便、迅速地對瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。
文檔編號G01S7/48GK1740818SQ20051002967
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者卜令兵, 陳衛(wèi)標(biāo), 劉繼橋 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所