一種中頻捷變的全光纖相干測風激光雷達系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及全光纖相干測風激光雷達領域，尤其涉及一種中頻捷變的全光纖相干 測風激光雷達系統。
【背景技術】
[0002] 在區域大氣風速的遙感中，脈沖相干激光雷達具有高精度、高時空分辨率的特點， 廣泛應用于測量大氣風廓線、風切變預警以及探測飛機尾流等，在天氣預報、風能發電、航 空航天、軍事等領域有著重要的意義，全光纖脈沖相干測風激光雷達具有較好的應用前景， 值得從理論、技術和實驗分析等方面深入研宄。
[0003] 相干激光雷達理論的研宄開始于20世紀60年代，是在美國國家航空航天局 (NASA)和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA)的支持下由J.A.L. Thomoson和其合作者建 立。1968年，在NASA的資助下Al Jelalian等人在美國雷神公司（Raytheon Co.)研制 出了世界上第一臺相干測風激光雷達一一基于連續C02激光器的相干測風激光雷達系統， 該系統是通過改變焦點深度（cbpth of focus)獲得距離分辨率，探測的距離一般為幾百 米。作為連續〇)2激光雷達的一個應用，1970年R. M. Huffaker等人報道了利用氣溶膠的 后向散射信號測量機場跑道上空飛機的尾流。第一臺脈沖相干激光雷達同樣是由NASA的 資助在美國雷神公司研制，脈沖能量為10mJ，重復頻率為200Hz，為商用航線提供晴空湍流 (clear air turbulence)的探測。該激光雷達于1970年開始地面測試，1972年和1973 年安裝在NASA Convair 990飛機上做飛行測試，開始了機載相干測風激光雷達的應用。 從80年代開始，美國相干技術公司（Coherent Technologies, Inc.)先后研發了基于固體 激光器的1. 06 ym相干測風激光雷達和基于Tm, H〇:YAG激光器的2. I ym相干測風激光 雷達，分別用于測量大氣風場和探測風切變。隨著摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)及光纖技術的發展，以及在EDFA中使用大模場（Large-Mode Area, LMA) 光纖以避免光纖中的受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS)等非線性 效應，EDFA輸出的激光脈沖能量和平均功率逐步提高，工作于1. 55 μ m的全光纖脈沖相干 測風激光雷達受到學者的重視。其主要優點是：（1)工作波長是人眼安全的，1.55 μ m波段 激光的最大允許曝光量是2. 1 μ m波段的10倍，高出1. 06 μ m波段5個數量級；(2)光通信 器件已發展很成熟，可以直接應用，降低成本；（3)全光纖結構，易于組裝和集成，容易小型 化、穩定化和商品化。日本Mitsubishi公司從2004年開始研發全光纖脈沖相干激光雷達 的商用樣機，2005年研制出商用化的LR-05FC系列產品。法國Leosphere公司于2006年 12月發布了用于氣象研宄的WINDCUBE系列產品。
[0004] 國內方面也有1. 55 μ m全光纖脈沖相干測風激光雷達的報道。中國電子科技集團 第二十七研宄所研發了一套全光纖相干多普勒激光測風雷達設備，于2012年6月5日進行 外場實驗。中國科學院上海光學精密機械研宄所報道了用于邊界層的全光纖相干測風激光 雷達，視向探測距離為3km，距離分辨率為75m，時間分辨率為2s，18000發激光脈沖累積時 風速的測量精度為〇. 22m/s。
[0005] 但是，現有的上述全光纖相干激光雷達中，激光脈沖的調制和中頻信號的產生是 由一個聲光調制器或二個聲光調制器級聯完成，中頻信號是一個固定的數值，常用的有 55MHz，80MHz和100MHz。在某些特殊的電磁環境下，一方面比如廣播電臺等蓄意干擾這些 波段時，則可能造成激光雷達不能夠正常工作；另一方面，激光雷達正常工作時輻射的電磁 信號對其它電子設備造成干擾時，就需要調節激光雷達的中頻信號，這在傳統的全光纖相 干激光雷達中難以做到的。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種中頻捷變的全光纖相干測風激光雷達系統，實現了中頻 信號頻率的可捷變。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0008] 一種中頻捷變的全光纖相干測風激光雷達系統，該系統包括：可調諧光纖激光器 1、第一強度調制器2、第一光隔離器3、第二強度調制器4、第二光隔離器5、光纖激光功率放 大器6、光纖環行器7、望遠鏡8、任意函數發生器9、第三強度調制器10、保偏光纖耦合/分 束器11、平衡光電探測器12、A/D采集卡13與信號處理單元14 ;
[0009] 其中，所述可調諧光纖激光器1輸出第一與第二連續激光；在任意函數發生器9的 驅動下，由依次連接的第一強度調制器2、第一光隔離器3、第二強度調制器4與第二光隔離 器5構成的二級強度調制，將第一連續激光調制成激光脈沖，激光脈沖經過光纖激光功率 放大器6進行功率放大，并經過光纖環行器7和望遠鏡8發射到大氣中；大氣中的氣溶膠粒 子的后向散射信號經過望遠鏡9、光纖環行器7后進入保偏光纖耦合/分束器11中；
[0010] 第二連續激光則經過第三強度調制器10的衰減后進入保偏光纖耦合/分束器11， 與氣溶膠粒子的后向散射信號拍頻，經過平衡光電探測器12進行光電轉換，產生的射頻信 號由A/D采集卡13進行模/數轉換，最后由信號處理單元14計算出風速。
[0011] 進一步的，所述可調諧光纖激光器1包括：微處理器模塊31、半導體致冷器模塊 33、第一光源32與第二光源34 ;
[0012] 所述微處理器模塊31用于控制第一光源32輸出激光頻率為V i的第一連續激光， 控制第二光源34輸出激光頻率為V 2的第二連續激光；所述半導體致冷器模塊33,用于為 第一光源32與第二光源34提供所需的環境溫度；
[0013] 通過微處理器模塊31來控制第一光源32與第二光源34實現中頻信號Λ f = V ^v2的頻率可捷變。
[0014] 由上述本發明提供的技術方案可以看出，通過可調諧光纖激光器中的微控制器模 塊控制第一光源和/或第二光源輸出激光的頻率來實現中頻信號的頻率的可捷變；這種中 頻捷變的全光纖相干測風激光雷達系統在復雜電磁環境下可以發揮很強的用途，一方面可 以通過調諧激光雷達的中頻信號的頻率以防止工作在該中頻波段的其它電子設備干擾激 光雷達的正常工作，提高激光雷達系統的抗電磁干擾或破壞能力；另一方面，當激光雷達工 作的中頻信號與周圍其它設備的工作頻段有沖突或構成干擾時，可以通過調諧激光雷達的 中頻信號的頻率，以防止激光雷達在正常工作時干擾或破壞其它電子設備的正常工作。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 附圖。
[0016] 圖1為本發明實施例提供的一種中頻捷變的全光纖相干測風激光雷達系統的示 意圖；
[0017] 圖2為本發明實施例提供的可調諧光纖激光器中光源的結構示意圖；
[0018] 圖3為本發明實施例提供的接收信號、本振光與射頻信號功率變化示意圖；
[0019] 圖4為本發明實施例提供的根據近場高信噪比的信號計算中頻信號的示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動