[发明专利]一种多普勒激光雷达测风方法及装置

说明书

本发明公开了一种多普勒激光雷达测风方法及装置，所述方法包括利用光锁相环反馈电路模块将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；将收集到的回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；将探测到的频谱数据进行风速反演分析。本发明通过调节第一、第二激光源之间的频率差，来实现移频作用，取代现有技术中的声光移频器件，为激光雷达系统提供更丰富的扩展方式和更灵活的频谱数据分析选择。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是一种多普勒激光雷达测风方法及装置。

背景技术

多普勒测风激光雷达技术是一种高精度大气风场信息遥测技术。激光雷达系统向探测空域发射高频谱纯度激光束，大气中的气溶胶颗粒与激光束发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号被雷达信号收发系统有效接收后，通过高灵敏度光学频率外差探测技术，即可由测量到的多普勒频谱信息精确反演得到风速、风向等风场信息。此技术目前已广泛应用于清洁风电能源开发、气象科学、民航机场空域风切变预警、风洞流体力学研究、空间大气科学研究等领域。

现有一种多普勒测风激光雷达，其工作原理如图1所示。种子激光源14(频率f₀，10¹⁴赫兹量级)由分束器15分为两束频率相同的激光束，一束光功率较弱的激光提供外差探测所需的本机振荡光信号，另一束激光经过频移量为f_I(频率f_I，10⁸赫兹量级)的移频器16(比如声光调制器)后，此时频率为f₀+f_I，再经光放大器17提升发射激光束能量。激光束收发模块18完成激光雷达光束的发射与回波光信号收集，收集到的回波光信号(频率f₀+f_I+f_d，f_d＝2v/λ即多普勒频移，其中v为径向风速，λ为激光波长)与本机振荡光信号通过光电平衡探测器19进行差拍探测(因为激光的绝对频率f₀非常高，无法用光电探测器直接探测，但是回波光信号与本机振荡光信号的频差f_I+f_d大约10⁸赫兹量级，一般的宽带光电探测器均可探测)，数据采集与分析模块20对获得的频谱数据进行反演分析，即可获得风场实时风速变化等信息。

影响多普勒测风激光雷达系统探测性能的一个非常重要的因素就是种子激光源的性能。一般要求种子激光源的频谱线宽窄(一般<10kHz)、相位噪声低、频率稳定性好，目前市售的高性能种子激光源普遍价格昂贵、光功率较低，用作移频器的声光调制器件及射频驱动器件也价格不菲，上述器件在整个激光雷达光源成本中占据相当大比例。而且声光移频器件一旦选型确定(即频移量固定)，在后期频谱数据处理时便无法改变，无法进行更细致灵活的频谱数据分析。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是提供了一种多普勒激光雷达测风方法，可以在保证检测性能的前提下，降低检测的成本，并提供灵活的频谱数据分析选择。

本发明要解决的另一技术问题是提供了一种多普勒测风激光雷达，可以在保证检测性能的前提下，大幅降低硬件成本，并提供灵活的频谱数据分析选择。

为解决上述主要技术问题，一种多普勒激光雷达测风方法，包括将第一激光源和第二激光源在同步锁相状态下分别分束、功率放大后再相干合束；将合束后的激光束发射到大气中并收集回波光信号；将收集到的回波光信号与本机振荡光信号进行差拍探测；将探测到的频谱数据进行反演分析。