[发明专利]一种混合型测风激光雷达

说明书

本发明公开了一种混合型测风激光雷达，它集成了相干激光雷达和直接激光雷达的技术，在激光雷达系统中采用光学鉴频器，将回波信号光分成包含多普勒频移信息的两束光，分别与本振光拍频，并使用两个平衡探测器进行探测。对于平衡探测器输出的中频电流信号，直接利从时域上计算载噪比，根据载噪比与信号光强具有正比关系，可以得到信号光的光强信息，进一步，按照直接测风激光雷达技术反演出风速的方法计算风速。本发明利用平衡探测器探测信号光的强度信息，使用光学鉴频器鉴别多普勒频移信息，结合了相干和直接测风激光雷达的技术，对计算能力的要求低，具有结构紧凑，造价低，精度高等优点。

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种混合型测风激光雷达。

背景技术

激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已广泛应用于测速、测距、成像、污染物监测、测风、测温等领域。测风激光雷达是风场测量的有效手段，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。

根据测风激光雷达接收信号的方式，可以分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。本发明的发明人研究发现：传统的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。为了提高探测精度，一般采用单光子计数探测器，如光电倍增管(PMT)、上转换单光子探测器(UPD)、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等，不仅成本高，而且设备笨重，不利于集成化。传统的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。大气回波信号与本振光通过平衡探测器拍频后，输出中频(IF)电流信号，其采样率高达几百MHz，数据量大，并且通过傅里叶变换等方法反演风速信息，需要大量的计算能力，通常采用进口DSP等特殊芯片卡处理，成本较高。此外相干测风激光雷达的距离分辨率由发射脉冲宽度所决定。为了提高距离分辨率，一般通过压缩脉冲宽度来实现，但脉冲时域宽度的压缩会导致频域谱宽的增大。为了避免频域谱宽增大导致回波信号谱与本振光谱间的串扰，需要增加对发射脉冲的移频调制量，这又要求采用更高的采样率。

综上所述，传统直接探测测风激光雷达成本高，设备笨重，不利于集成化；传统相干探测测风激光雷达距离分辨率受限，数据量大，对实时数据处理设备的要求高。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合型测风激光雷达，其具有精度高、稳定性好、且造价相对较低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种混合型测风激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、频率鉴别模块、探测器模块和数据处理模块；其中：

所述光源模块包括连续光激光器、第一分束器、脉冲光发生器、第二分束器、光脉冲放大器、第三耦合器；连续光激光器用于输出连续光；连续光激光器输出的激光经第一分束器分为两路，一路输入脉冲光发生器，另一路作为本振光输入探测器模块；脉冲光发生器用于输出脉冲光，脉冲光发生器输出的脉冲光经第二分束器分为两路，一路经光脉冲放大器放大后输入光学收发模块，另一路作为参考光输入第三耦合器；第三耦合器用于将光学收发模块输出的信号和第二分束器输出的参考光耦合后输出到频率鉴别模块；

光学收发模块用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号作为信号光输出；

频率鉴别模块用于鉴别目标物返回的信号频率；

探测器模块包括耦合单元、平衡探测器单元和数据采集单元；所述耦合单元用于将第一分束器输出的本振光和频率鉴别模块输出的信号耦合后输出到平衡探测器单元；平衡探测器单元包括至少一个平衡探测器，用于将输入的信号转换为电信号；数据采集单元用于将平衡探测器单元输出的电信号转换为数字信号；

所述数据处理模块用于获取探测器模块输出的电流信号，根据所述电流信号得到风速信息。