一種近紅外波段適用相干測風激光雷達中繼光學系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及一種近紅外波段適用相干測風激光雷達中繼光學系統(tǒng)，可以為近紅外波段相干測風激光雷達提供激光發(fā)射與接收的中繼功能，并且對本地激光信號衰減可調(diào)節(jié)?？蓮V泛應(yīng)用于地基、機載與星載近紅外波段相干測風激光雷達系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近紅外波段相干激光測風雷達是進行全球高精度與高分辨率大氣風場測量的首選激光遙感儀器，可廣泛應(yīng)用于低空大氣層風場、湍流、氣旋、局部雷暴等極端天氣預警與測量領(lǐng)域。

在傳統(tǒng)的相干測風激光雷達系統(tǒng)中，除了光學天線與光學掃描機構(gòu)外，其它分系統(tǒng)均采用模塊化或光纖傳輸路徑作為系統(tǒng)的集成組件。其中模塊化主要指激光器組件、聲光調(diào)制組件、光電探測組件等，而光纖傳輸路徑則包括光纖分束器、相位延遲器、光纖環(huán)形器等。以上系統(tǒng)組成方式能夠使總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最緊湊、集成度更高。但是該方式存在對激光偏振態(tài)調(diào)制難度大、系統(tǒng)激光傳輸與外差效率低、測風能力有限等弊端。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種近紅外波段適用相干測風激光雷達中繼光學系統(tǒng)，包括第一單模保偏光纖、第一光纖準直器、第一λ/2波片、第一偏振分束棱鏡、第一擴束鏡、第二λ/2波片、第二偏振分束棱鏡、第一λ/4波片、第三λ/2波片、第二光纖準直器、第二擴束鏡、第四λ/2波片、第三光纖準直器、第二單模保偏光纖、第三單模保偏光纖、第一可調(diào)光纖衰減器、第二可調(diào)光纖衰減器、第四單模保偏光纖、第五單模保偏光纖、第六單模保偏光纖、第七單模保偏光纖、第一2X2光纖分束器、第二2X2光纖分束器、第八單模保偏光纖、第九單模保偏光纖、第十單模保偏光纖、第十一單模保偏光纖；

由外部激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的脈沖激光信號經(jīng)過第一單模保偏光纖傳輸，進入第一光纖準直器進行擴束準直，傳播介質(zhì)經(jīng)由光纖空間轉(zhuǎn)換到自由空間；擴束準直后的激光經(jīng)過第一λ/2波片，傳輸?shù)降谝黄穹质忡R后被分為兩路，其中一路為第一偏振分束棱鏡透射的激光信號，傳輸?shù)降谝粩U束鏡擴束后，經(jīng)過第二λ/2波片，再傳輸?shù)降诙穹质髌穹质忡R，經(jīng)過第一λ/4波片后由光學天線發(fā)射出去，形成第一輸出信號，第一輸出信號為相干測風激光雷達脈沖信號，用于與大氣中分布的氣溶膠進行碰撞，發(fā)生米氏散射，產(chǎn)生包含有風速多普勒頻移激光回波信號；另一路為第一偏振分束棱鏡反射的激光信號，經(jīng)過第三λ/2波片，并由第二光纖準直器耦合進入第六單模保偏光纖，形成第二輸出信號，第二輸出信號為相干測風激光雷達參考本振脈沖激光信號，用于與連續(xù)本振激光信號發(fā)生信號干涉，產(chǎn)生后續(xù)的參考中頻信號；

由外部激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)激光信號被光纖分束器以分束比為90:10分成兩束，分別為第二輸入信號和第三輸入信號；其中90％的連續(xù)激光送進至第二單模保偏光纖，再經(jīng)過第一可調(diào)光纖衰減器后，進入第四單模保偏光纖，第四單模保偏光纖的輸出端連同第六單模保偏光纖的輸出端一同進入第一2X2光纖分束器后，分別由第八單模保偏光纖和第九單模保偏光纖輸出兩路信號，這兩路信號作為后續(xù)平衡式光電探測系統(tǒng)中的參考中頻光輸入信號；10％的連續(xù)激光送至第三單模保偏光纖，再經(jīng)過第二可調(diào)光纖衰減器衰減后，進入第五單模保偏光纖；

由光學天線接收到的含有風速多普勒頻移激光回波信號經(jīng)過第一λ/4波片，通過第二偏振分束棱鏡透射到倒置的第二擴束鏡，將入射進第二擴束鏡的激光束進行光斑直徑縮束，縮束后經(jīng)過第四λ/2波片傳輸?shù)降谌饫w準直器，然后耦合進第七單模光纖準直器；第七單模光纖準直器的輸出端連同第五單模保偏光纖的輸出端進入第二2X2光纖分束器進行合束，分別由第十單模保偏光纖和第十一單模保偏光纖輸出，這兩路信號作為后續(xù)平衡式光電探測系統(tǒng)中的風速提取的中頻光輸入信號。

將第一擴束鏡、第二λ/2波片的放置位置進行調(diào)換，其它元件保持不變。

將第二擴束鏡、第四λ/2波片位置進行調(diào)換，其它元件保持不變。

將第一擴束鏡、第二λ/2波片放置位置進行調(diào)換，同時將第二擴束鏡、第四λ/2波片位置進行調(diào)換，其它元件保持不變。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出了該激光中繼光學系統(tǒng)方案，該方案能適用于近紅外波段相干測風激光雷達系統(tǒng)中，通用性與技術(shù)移植性強；

(2)本發(fā)明采用偏振分束鏡、λ/2、λ/4、偏振分束棱鏡、擴束鏡與縮束鏡等元件集成的中繼光學系統(tǒng)，大幅提高了相干探測過程中外差效率，降低了激光發(fā)射信號損耗；

(3)本發(fā)明在激光發(fā)射脈沖信號傳播路徑上放置偏振分束棱鏡，實現(xiàn)激光信號的分離，該信號與連續(xù)本振激光信號進行外差拍頻后，所形成的中頻電流信號為后續(xù)中頻風場信號采集與處理。

附圖說明

圖1為實施方式一的系統(tǒng)示意圖；

圖2為實施方式二的系統(tǒng)示意圖；

圖3為實施方式三的系統(tǒng)示意圖；

圖4為實施方式四的系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行進一步的詳細描述。

一種近紅外波段適用相干測風激光雷達中繼光學系統(tǒng)，包括第一單模保偏光纖1、第一光纖準直器2、第一λ/2波片3、第一偏振分束棱鏡4、第一擴束鏡5、第二λ/2波片6、第二偏振分束棱鏡7、第一λ/4波片8、第三λ/2波片9、第二光纖準直器10、第二擴束鏡11、第四λ/2波片12、第三光纖準直器13、第二單模保偏光纖14、第三單模保偏光纖15、第一可調(diào)光纖衰減器16、第二可調(diào)光纖衰減器17、第四單模保偏光纖18、第五單模保偏光纖19、第六單模保偏光纖20、第七單模保偏光纖21、第一2X2光纖分束器22、第二2X2光纖分束器23、第八單模保偏光纖24、第九單模保偏光纖25、第十單模保偏光纖26、第十一單模保偏光纖27。

由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的第一輸入脈沖激光信號經(jīng)過第一單模保偏光纖1傳輸，進入第一光纖準直器2進行擴束準直，傳播介質(zhì)經(jīng)由光纖空間轉(zhuǎn)換到自由空間；擴束準直后的激光經(jīng)過第一λ/2波片3，傳輸?shù)降谝黄穹质忡R4后被分為兩路，其中一路為第一偏振分束棱鏡4透射的激光信號，傳輸?shù)降谝粩U束鏡5擴束后，經(jīng)過第二λ/2波片6，再傳輸?shù)降诙穹质髌穹质忡R7，經(jīng)過第一λ/4波片8后由光學天線發(fā)射出去，形成第一輸出信號，第一輸出信號為相干測風激光雷達脈沖信號，該信號的用途是與大氣中分布的氣溶膠進行碰撞，發(fā)生米氏散射，產(chǎn)生包含有風速多普勒頻移激光回波信號；另一路為第一偏振分束棱鏡4反射的激光信號，經(jīng)過第三λ/2波片9，并由第二光纖準直器10耦合進入第六單模保偏光纖20，形成第二輸出信號，第二輸出信號為相干測風激光雷達參考本振脈沖激光信號，該信號的用途是與連續(xù)本振激光信號發(fā)生信號干涉，產(chǎn)生后續(xù)的參考中頻信號。

由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)激光信號被光纖分束器以分束比為90:10分成兩束，分別為第二輸入信號和第三輸入信號；其中90％的連續(xù)激光進入第二單模保偏光纖14，經(jīng)過第一可調(diào)光纖衰減器16后，進入第四單模保偏光纖18，第四單模保偏光纖18的輸出端連同第六單模保偏光纖20的輸出端進入第一光纖合束/分束器22進行后，分別由第八單模保偏光纖24和第九單模保偏光纖25輸出兩路信號，這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的參考中頻光輸入信號；10％的連續(xù)激光進入第三單模保偏光纖15，再經(jīng)過第二可調(diào)光纖衰減器17衰減后，進入第五單模保偏光纖19。

由光學天線接收到的含有風速多普勒頻移激光回波信號經(jīng)過第一λ/4波片8，通過第二偏振分束棱鏡7透射到倒置的第二擴束鏡11它的功能是將入射進入該元件的激光束進行光斑直徑縮束，縮束后經(jīng)過第四λ/2波片12傳輸?shù)降谌饫w準直器13，然后耦合進第七單模光纖準直器21，該信號為第四輸入信號；第七單模光纖準直器21的輸出端連同第五單模保偏光纖19的輸出端進入第二2X2光纖分束器23進行合束，分別由第十單模保偏光纖26和第十一單模保偏光纖27輸出，形成這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的風速提取的中頻光輸入信號。

實施方式二：本實施方式如圖2所示，由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的第一輸入脈沖激光信號經(jīng)過第一單模保偏光纖1傳輸，進入第一光纖準直器2進行擴束準直，傳播介質(zhì)經(jīng)由光纖空間轉(zhuǎn)換到自由空間；擴束準直后的激光經(jīng)過第一λ/2波片3，傳輸?shù)降谝黄穹质忡R4后被分為兩路，其中一路為第一偏振分束棱鏡4透射的激光信號，傳輸?shù)降诙?2波片6，經(jīng)過第一擴束鏡5擴束后，再傳輸?shù)降诙穹质髌穹质忡R7，經(jīng)過第一λ/4波片8后由光學天線發(fā)射出去，形成第一輸出信號，第一輸出信號為相干測風激光雷達脈沖信號，該信號的用途是與大氣中分布的氣溶膠進行碰撞，發(fā)生米氏散射，產(chǎn)生包含有風速多普勒頻移激光回波信號；另一路為第一偏振分束棱鏡4反射的激光信號，經(jīng)過第三λ/2波片9，并由第二光纖準直器10耦合進入第六單模保偏光纖20，形成第二輸出信號，第二輸出信號為相干測風激光雷達參考本振脈沖激光信號，該信號的用途是與連續(xù)本振激光信號發(fā)生信號干涉，產(chǎn)生后續(xù)的參考中頻信號。

由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)激光信號被光纖分束器以分束比為90:10分成兩束，分別為第二輸入信號和第三輸入信號；其中90％的連續(xù)激光進入第二單模保偏光纖14，經(jīng)過第一可調(diào)光纖衰減器16后，進入第四單模保偏光纖18，第四單模保偏光纖18的輸出端連同第六單模保偏光纖20的輸出端進入第一光纖合束/分束器22進行后，分別由第八單模保偏光纖24和第九單模保偏光纖25輸出兩路信號，這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的參考中頻光輸入信號；10％的連續(xù)激光進入第三單模保偏光纖15，再經(jīng)過第二可調(diào)光纖衰減器17衰減后，進入第五單模保偏光纖19。

由光學天線接收到的含有風速多普勒頻移激光回波信號經(jīng)過第一λ/4波片8，通過第二偏振分束棱鏡7透射到倒置的第二擴束鏡11它的功能是將入射進入該元件的激光束進行光斑直徑縮束，縮束后經(jīng)過第四λ/2波片12傳輸?shù)降谌饫w準直器13，然后耦合進第七單模光纖準直器21，該信號為第四輸入信號；第七單模光纖準直器21的輸出端連同第五單模保偏光纖19的輸出端進入第二2X2光纖分束器23進行合束，分別由第十單模保偏光纖26和第十一單模保偏光纖27輸出，形成這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的風速提取的中頻光輸入信號。

實施方式三：本實施方式如圖3所示，由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的第一輸入脈沖激光信號經(jīng)過第一單模保偏光纖1傳輸，進入第一光纖準直器2進行擴束準直，傳播介質(zhì)經(jīng)由光纖空間轉(zhuǎn)換到自由空間；擴束準直后的激光經(jīng)過第一λ/2波片3，傳輸?shù)降谝黄穹质忡R4后被分為兩路，其中一路為第一偏振分束棱鏡4透射的激光信號，傳輸?shù)降谝粩U束鏡5擴束后，經(jīng)過第二λ/2波片6，再傳輸?shù)降诙穹质髌穹质忡R7，經(jīng)過第一λ/4波片8后由光學天線發(fā)射出去，形成第一輸出信號，第一輸出信號為相干測風激光雷達脈沖信號，該信號的用途是與大氣中分布的氣溶膠進行碰撞，發(fā)生米氏散射，產(chǎn)生包含有風速多普勒頻移激光回波信號；另一路為第一偏振分束棱鏡4反射的激光信號，經(jīng)過第三λ/2波片9，并由第二光纖準直器10耦合進入第六單模保偏光纖20，形成第二輸出信號，第二輸出信號為相干測風激光雷達參考本振脈沖激光信號，該信號的用途是與連續(xù)本振激光信號發(fā)生信號干涉，產(chǎn)生后續(xù)的參考中頻信號。

由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)激光信號被光纖分束器以分束比為90:10分成兩束，分別為第二輸入信號和第三輸入信號；其中90％的連續(xù)激光進入第二單模保偏光纖14，經(jīng)過第一可調(diào)光纖衰減器16后，進入第四單模保偏光纖18，第四單模保偏光纖18的輸出端連同第六單模保偏光纖20的輸出端進入第一光纖合束/分束器22進行后，分別由第八單模保偏光纖24和第九單模保偏光纖25輸出兩路信號，這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的參考中頻光輸入信號；10％的連續(xù)激光進入第三單模保偏光纖15，再經(jīng)過第二可調(diào)光纖衰減器17衰減后，進入第五單模保偏光纖19。

由光學天線接收到的含有風速多普勒頻移激光回波信號經(jīng)過第一λ/4波片8，通過第二偏振分束棱鏡7透射到第四λ/2波片12，然后進行倒置的第二擴束鏡11，它的功能是將入射進入該元件的激光束進行光斑直徑縮束，縮束后的激光束傳輸?shù)降谌饫w準直器13，然后耦合進第七單模光纖準直器21，該信號為第四輸入信號；第七單模光纖準直器21的輸出端連同第五單模保偏光纖19的輸出端進入第二2X2光纖分束器23進行合束，分別由第十單模保偏光纖26和第十一單模保偏光纖27輸出，形成這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的風速提取的中頻光輸入信號。

實施方式四：本實施方式如圖4所示，本實施方式如圖2所示，由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的第一輸入脈沖激光信號經(jīng)過第一單模保偏光纖1傳輸，進入第一光纖準直器2進行擴束準直，傳播介質(zhì)經(jīng)由光纖空間轉(zhuǎn)換到自由空間；擴束準直后的激光經(jīng)過第一λ/2波片3，傳輸?shù)降谝黄穹质忡R4后被分為兩路，其中一路為第一偏振分束棱鏡4透射的激光信號，傳輸?shù)降诙?2波片6，經(jīng)過第一擴束鏡5擴束后，再傳輸?shù)降诙穹质髌穹质忡R7，經(jīng)過第一λ/4波片8后由光學天線發(fā)射出去，形成第一輸出信號，第一輸出信號為相干測風激光雷達脈沖信號，該信號的用途是與大氣中分布的氣溶膠進行碰撞，發(fā)生米氏散射，產(chǎn)生包含有風速多普勒頻移激光回波信號；另一路為第一偏振分束棱鏡4反射的激光信號，經(jīng)過第三λ/2波片9，并由第二光纖準直器10耦合進入第六單模保偏光纖20，形成第二輸出信號，第二輸出信號為相干測風激光雷達參考本振脈沖激光信號，該信號的用途是與連續(xù)本振激光信號發(fā)生信號干涉，產(chǎn)生后續(xù)的參考中頻信號。

由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的連續(xù)激光信號被光纖分束器以分束比為90:10分成兩束，分別為第二輸入信號和第三輸入信號；其中90％的連續(xù)激光進入第二單模保偏光纖14，經(jīng)過第一可調(diào)光纖衰減器16后，進入第四單模保偏光纖18，第四單模保偏光纖18的輸出端連同第六單模保偏光纖20的輸出端進入第一光纖合束/分束器22進行后，分別由第八單模保偏光纖24和第九單模保偏光纖25輸出兩路信號，這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的參考中頻光輸入信號；10％的連續(xù)激光進入第三單模保偏光纖15，再經(jīng)過第二可調(diào)光纖衰減器17衰減后，進入第五單模保偏光纖19。

由光學天線接收到的含有風速多普勒頻移激光回波信號經(jīng)過第一λ/4波片8，通過第二偏振分束棱鏡7透射到第四λ/2波片12，然后進行倒置的第二擴束鏡11，它的功能是將入射進入該元件的激光束進行光斑直徑縮束，縮束后的激光束傳輸?shù)降谌饫w準直器13，然后耦合進第七單模光纖準直器21，該信號為第四輸入信號；第七單模光纖準直器21的輸出端連同第五單模保偏光纖19的輸出端進入第二2X2光纖分束器23進行合束，分別由第十單模保偏光纖26和第十一單模保偏光纖27輸出，形成這兩路信號作為相干測風激光雷達系統(tǒng)中平衡式光電探測系統(tǒng)中的風速提取的中頻光輸入信號。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。