[发明专利]一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达

说明书

本发明公开了一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达，包括：连续波激光器、光纤分束器、光调制器、发射望远镜、接收望远镜、偏振分束元件、保偏延时元件、快慢轴转换元件、光电开关、耦合器、光电探测器、数据采集卡和数字信号处理模块。本发明采用快慢轴转换元件将S偏振态信号光转化为P偏振态信号光，只需单一P偏振态本振光便可实现与不同偏振态回波信号的拍频；使用保偏延时光纤，将不同偏振态的信号在时域上分开，从而实现使用一个光电探测器对不同偏振态回波信号的探测，相对于两个光电探测器分别探测不同偏振态混频信号，本发明减小了由于探测器响应不同导致的误差，精简了激光雷达的接收机系统。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及一种时分复用的偏振相干多普勒测风激光雷达。

背景技术

精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。

相干测风激光雷达基本结构如图1：连续波激光器产生中心频率为υ₀的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υ_M的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ_d，则回波信号中心频率为υ₀+υ_M+υ_d，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υ_M+υ_d的IF电信号，再经数据采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。

偏振激光雷达通过测量不同线偏振态的回波信号，可以反演线性退偏振比。退偏比与大气气溶胶成分相关。在不规则颗粒物含量较少的干洁大气中，退偏比接近0，在含有较多盐粒结晶的海洋表面，其会显著上升，在空气严重污染和沙尘暴等情况下，其值为0.2-0.3，极端情况下可达0.4。因此通过测量退偏比，可以确定大气气溶胶种类和判断大气污染情况。

在直接探测测风激光雷达领域，自Scholand和Sassen在1971年发表了利用偏振激光雷达对云进行探测研究的文章之后，直接探测偏振激光雷达用于大气探测已经有40多年历史。近些年来，为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间分布和时间演变资料的需求，全球先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网(如EARLINET、AD-Net等)、全球大气气溶胶激光雷达观测网(GALION)和星载激光雷达(CALIPSO)。根据2008年世界气象组织(WMO)发布的GAW Report No.178文件中明确指出，Mie散射激光雷达，偏振激光雷达和多波长Raman激光雷达可以用于气溶胶种类的反演。其中，偏振Mie散射激光雷达已经有成熟商业化产品，如国际上的微脉冲激光雷达网

(MPLNET)、亚洲沙尘网(AD-Net)和星载激光雷达CALIOP，平流层气溶胶的测量目前也主要依靠Mie散射激光雷达。