专利名称：瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达，特别是一种瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法。
背景技术：
全球大气风场在大气动力学、天气、气象中有着极其重要的地位，是水气、气溶胶、碳循环以及海气交换的主要动力；是天气数值预报、传输研究、动力气象研究中必不可少的参数。多普勒激光雷达测风是目前风速测量的一种有力手段，其原理如下一般说来，大气分子的移动速度可以认为等于风速，当激光与移动着的大气分子相互作用时，由于多普勒效应，激光频率将会发生变化，且有Δv＝2V/λ，其中Δv为激光频率变化量，V为大气分子移动速度，λ为出射激光波长。由公式可知，根据激光频率发生变化的大小，可以得到大气分子移动速度，即为风速的大小。双边缘瑞利测风激光雷达(以下简称瑞利测风激光雷达)是直接探测多普勒激光雷达的一种，图4为其光信号接收部件9的结构示意图。大气后向散射信号由望远镜收集后经信号收集光纤8进入接收部件9。接收部件9的工作情况如下从信号收集光纤8出射的光信号经准直后由滤波器91滤掉背景光噪声，然后送入光谱分析部件。光谱分析部件是光洁度很高的双Fabry-Perot干涉仪92，其主要特点是上下两部分腔长有一微小的不同，从而形成两个光谱形状相同而中心频率有一定间隔的两个高分辨光谱，起到两个干涉仪的作用，两干涉仪作为鉴频器使用，分别和后面的第一光电倍增管93、第二光电倍增管94对应形成两个能量通道，即第一能量通道和第二能量通道。利用压电陶瓷调节双·Fabry-Perot干涉仪92的腔长，使两个干涉仪的光谱对称地分布在出射激光光谱的两边，所以理论上讲0风速时对应两通道的能量比值(以下简称两通道的能量比值)应为1；当激光频率发生改变时，激光频率向一个干涉仪的中心频率靠近而远离另一干涉仪的中心频率，导致一个能量通道的探测能量增大，而另一通道能量减小，且两通道的能量比值和频率移动是单一的对应关系，因此，由两通道的能量比值即可确定激光频率变化的大小。由于瑞利散射激光雷达是目前除微波散射计外唯一可以进行全球风场测量的工具，西方各国家研究机构如NASA(美国宇航局)、CNRS(法国国家研究中心)、OSA(欧洲航天局)争相开展瑞利测风激光雷达的研制工作，并取得了相当的进展。但是，纵观各研究机构的瑞利测风雷达研究状况不难发现，瑞利测风激光雷达的风速标定是该系统的研制难点。由于大气分子后向散射光谱的特殊性，与米散射激光雷达系统的标定相比，硬靶散射的方法很难使用于瑞利测风激光雷达。
首先看一下NASA的瑞利测风激光雷达方案，NASA对瑞利测风激光雷达进行了深入的理论分析，为了兼顾气溶胶和分子散射对干涉仪进行了优化，确定了双边缘光谱的宽度和光谱之间间隔的大小，并研制了瑞利测风激光雷达，其风速测量结果也与探空气球风速测量的结果能较好的吻合。但是，从NASA公开发表的论文中找不到有关该瑞利测风激光雷达的标定方法。其原因我们认为可能有两种一，NASA的干涉仪加工技术较好，可以根据理论结果制作光学质量很高的干涉仪，风速测量中可以由理论结果代替系统标定；二，NASA雷达系统标定技术不便于公开发表。我们认为其中第二种可能性更大。再看一下CNRS的系统标定方案，CNRS的激光雷达系统将干涉仪放在密封的盒子里，由步进电机驱动活塞改变盒子内部气体压强，使盒子内部气体的折射率发生变化，干涉仪条纹发生移动。其系统标定时，假设激光光谱已知，取一小部分出射激光进入光信号收集光纤，准直后照亮干涉仪。通过步进电机逐步改变盒子内部压强测得对应信号。然后利用反卷积的方法得到干涉仪的光谱。结合大气分子后向散射光谱的理论给出干涉仪的响应函数。由CNRS的文献报道知，1995年9月和1996年5月CNRS做了一系列的雷达标定工作，而两次标定结果有明显的不同，其中1995年激光雷达标定结果有很大的误差。显然采用CNRS的标定方法，激光雷达的标定工作无论从准确度上还是从标定效率上都有一定的欠缺。实际上，干涉仪内部压强变化时，由于干涉仪内部结构的张力效应，使干涉仪缺陷参数发生变化，另外，对干涉仪不均匀照射也会导致光谱加宽，种种困难都使干涉仪光谱测定的不确定度增大。而且，在激光雷达标定过程中涉及反卷积、分子后向散射理论以及激光的发散角等因素，因此，即使不考虑这种标定方法的误差，CNRS的标定方案也不可能在每次风速测量前都能方便准确的进行。然而，一般测风激光雷达为了达到准确测量风速的目的，必须进行每次风速测量前的标定工作，其原因主要有以下两点首先是0风速时的激光光谱漂移，根据激光雷达原理，发射激光光谱应处在干涉仪两光谱的中间位置，为达到这种目的，我们也采用了反馈系统使干涉仪的光谱跟随激光光谱的漂移，但一般说来实际风速测量中发射激光光谱还是偏离干涉仪中心位置的，此时0风速时两通道的能量比值不再是1，而是一个和干涉仪、激光器工作状态，甚至环境因素有关的数值，与之对应其他风速对应两通道的能量比值也发生变化，若再用先前系统标定的结果反演风速必然带来风速误差。激光光谱漂移是慢漂的，在较短工作时间内(标定时间+风速测量时间)可以认为光谱稳定，标定后立即进行风速测量，则可以消除由0风速激光漂移引起的误差。其次，激光雷达光路准确度要求很高，运输途中的颠簸甚至环境改变都会使系统光路发生微小的变化，从而要求每次测量前进行系统标定。上述种种原因表明，CNRS的标定方法存在一定的缺陷，除NASA、CNRS之外，我们也对其他各激光研究机构的资料进行了调研，均未发现有比较好的瑞利测风激光雷达的标定方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有瑞利测风激光雷达系统标定方案的不足，提供一种适用于瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法，它应能方便、迅速地对瑞利测风激光雷达进行标定。
本发明瑞利测风激光雷达标定方法的基础是利用声光移频和激光光谱多普勒展宽原理，它使用两个频率可调的声光移频器串联实现激光频率的过0的宽带连续调节，并利用多普勒展宽器使光谱展开而对瑞利测风雷达进行准确、迅速的标定。在瑞利测风激光雷达中，风速的反演是根据两通道的能量比值R和对应的移频f，由移频f计算风速v，在风速测量中实际测量得到的是两通道的能量比值R，所以必须在风速测量之前对瑞利测风激光雷达进行标定，即找出每一能量比值R和f的对应关系，即R与风速v的关系。本发明能方便、迅速地对瑞利测风激光雷达进行标定。
本发明的技术解决方案如下一种适用于瑞利测风激光雷达的标定装置，其特征在于该系统包括一激光器，沿该激光器的激光输出光路上依次由衰减器、第一声光移频器、第二声光移频器和多普勒展宽器组成，所述的多普勒展宽器的输出端通过信号收集光纤与瑞利测风激光雷达的接收部件相接。
在所述的衰减器的前后还插设有第一反射镜和第二反射镜，以便将激光器发出的激光导入瑞利测风激光雷达的标定装置。
所述的激光器是一激光波长为355nm的激光器。
所述的第一声光移频器的中心频率为400MHz，频率可调范围为400+30MHz，其布拉格角为2.04°；所述的第二声光移频器的中心频率为460MHz，频率可调范围为460+30MHz，其布拉格角为2.34°。
所述的多普勒展宽器为一内壁涂黑的筒状容器，其前端面完全封闭，后端面有供激光入射和信号收集光纤插入的小孔，该筒状容器的外周自内而外包覆有加热片层和绝热层，所述的加热片层与一开关电源相连，该开关电源与一温度控制器相连并在该温度控制器的控制下工作。
所述的多普勒展宽器内部气体的温度控制在±0.1℃的起伏范围内。
一种利用所述的瑞利测风激光雷达标定装置进行瑞利测风激光雷达的标定方法，该方法包括下列步骤①将第一反射镜和第二反射镜插入光路中，使激光器发出的激光导入瑞利测风激光雷达标定装置；②调整第一声光移频器的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向增大的方向移动至最大频率值；调整第二声光移频器的角度使激光以负布拉格角2.34°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向减小方向移动至最小频率值，而激光总的频率移动为0；③先逐步调节第二声光移频器的移频数值直到最大，再逐步减小第一声光移频器的移频数值直到最小，即逐步扩大频移，将可获得一系列的频移值fi并做记录；④利用激光多普勒展宽器，对移频后的激光光谱进行展宽，使激光光谱和大气分子后向散射的光谱形状相同；⑤利用信号收集光纤收集多普勒展宽器中空气分子的后向散射激光，并送入瑞利测风激光雷达的接收部件，对应于第③步的每一个频移值fi得到相应的两通道的能量比值Ri；⑥所得到的一组f和R，即为顺向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果；⑦调整第一声光移频器的角度，使激光以负布拉格角2.04°入射，调整第二声光移频器的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，则激光衍射级次在+1级与-1级间切换，两声光移频器的移频方向均变为步骤②的相反方向，重复步骤③④⑤⑥，得到反向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果。
本发明的标定原理如下设可调声光移频器将激光频率改变为fl，对应两通道能量比值为Rl，若在实际风速测量中，也得到两通道的能量比值为Rl，则实际风速v引起的频率变化为fl，由f1与v的对应关系可得到风速的大小，实际标定过程中，可以将出射激光在一个频率范围内调制，得到一组f和R值分别对应不同的风速v，因此在风速测量中对应任何实测的两通道的能量比值R均能得到相应的f，再由f得到对应的风速v。由于单个频率可调声光移频器的调频范围都不过0点，因为声光调制中，声波频率不能为0，且可调范围较小，例如法国AA公司的可调声光移频器的可调带宽为60MHz，因此本发明使用两个频率可调声光移频器反向串接，并且两声光移频器分别将激光频率向高频和低频方向调制，激光通过两个声光移频器后，频率过0点可调，合适地选择两个声光移频器的中心频率，可以使激光频率的可调范围为单个移频器的两倍。经过声光移频器后的激光光谱宽度仍等同于移频前的激光光谱宽度，与大气分子后向散射的光谱形状上有很大的区别，因此，必须对其光谱进行展宽才能与激光雷达的接收部件相匹配，本发明使用激光光谱的多普勒加宽与温度的关系，并考虑空气的后向散射，设计了多普勒加宽器。
上述标定过程与CNRS的标定过程相比较有很大的优点，首先，每次风速测量前对系统进行标定，最大限度的消除了0风速时激光光谱漂移带来的误差；其次，整个标定过程中没有用到干涉仪具体参数，避免了干涉仪理论以及大气散射理论的使用，简化了系统标定过程；再次，整个标定过程，仅涉及声光移频器频率的调节，可以方便迅速的标定系统，易于实时系统标定。
本发明与现有技术相比具有的优点在于(1)本发明可以在每次风速测量前对瑞利测风激光雷达进行标定，最大限度的消除了0风速时激光光谱漂移带来的误差，提高风速测量的准确度。
(2)标定准确性高，355nm的测风激光雷达1m/s的风速对应频移为5.6MHz，声光移频器驱动模块具有很高的准确度，频率误差小于20KHz，对应风速可以忽略不计；标定过程干涉仪的工作状态和实际测风时干涉仪的状态相同，不因为由干涉仪参数变化而引入的误差。
(3)标定过程精确模拟风速对系统的影响，即将瑞利测风激光雷达的接收部件当作Black-Box，不需要了解其详细参数，降低对双Fabry-Perot的光学要求。
(4)瑞利测风激光雷达标定迅速，标定装置和瑞利测风激光雷达的接收部件在同一光学平台上，标定时只需将反光镜插入激光雷达光路中，调节移频器放置角度、并调节驱动模块的频率数值，短时间内即可以完成瑞利测风激光雷达的标定。
(5)原理简单，易于实现。
图1为本发明瑞利测风激光雷达标定装置及其在瑞利测风激光雷达标定中的基本结构框图。
图2为本发明瑞利测风激光雷达标定装置的光谱示意图。
图3为本发明多普勒展宽器的结构示意图。
图4为雷达接收部件9的结构框图。
图中1-激光器、2-第一反射镜、3-衰减器、4-第二反射镜、5-第一声光移频器、6-第二声光移频器、8-信号收集光纤、10-激光器出射激光光谱、11-向左频移后的激光光谱、12-向右频移后的激光光谱、13-多普勒加宽后的激光光谱。
7-多普勒展宽器、71-后端面、72-激光入射孔、73-加热层、74-绝热层、75-前端面、76-开关电源、77-温度控制器、8-收集光纤。
9-雷达接收部件、91-窄带滤波片、92-双Fabry-Perot干涉仪、93-第一光电倍增管、94-第二光电倍增管、95-数据处理模块。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明瑞利测风激光雷达标定装置，包括一激光器1，沿该激光器1的激光输出光路依次由第一反射镜2、衰减器3、第二反射镜4、第一声光移频器5、第二声光移频器6和多普勒展宽器7组成，所述的多普勒展宽器7的输出端通过信号收集光纤8与瑞利测风激光雷达的接收部件9相接。
所述的激光器1是一激光波长为355nm的激光器。
所述的第一声光移频器5的中心频率为400MHz，频率可调范围为400±30MHz，其布拉格角为2.04°；所述的第二声光移频器6的中心频率为460MHz，频率可调范围为460±30MHz，其布拉格角为2.34°。
所述的多普勒展宽器7为一内壁涂黑的筒状容器，如图3所示，其前端面75完全封闭，后端面71有供激光入射和信号收集光纤8插入的小孔72，该筒状容器的外周自内而外包覆有加热片层73和绝热层74，所述的加热层73与一开关电源76相连，该开关电源76与一温度控制器77相连并在该温度控制器77的控制下工作。该多普勒展宽器7内部气体的温度控制在±0.1℃的起伏范围内。
利用上述的瑞利测风激光雷达标定装置进行瑞利测风激光雷达的标定方法，其特征在于该方法包括下列步骤
①将第一反射镜2和第二反射镜4插入光路中，使激光器1发出的激光导入瑞利测风激光雷达标定装置；②调整第一声光移频器5的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向增大的方向移动至最大频率值；调整第二声光移频器6的角度使激光以负布拉格角2.34°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向减小方向移动至最小频率值，而激光总的频率移动为0；③先逐步调节第二声光移频器6的移频数值直到最大，再逐步减小第一声光移频器5的移频数值直到最小，即逐步扩大频移，获得一系列的频移值fi并做记录；④利用激光多普勒展宽器7，对移频后的激光光谱进行展宽，使激光光谱和大气分子后向散射的光谱形状相同；⑤利用信号收集光纤8收集多普勒展宽器7中空气分子的后向散射激光，并送入瑞利测风激光雷达的接收部件9，对应于第③步的每一个频移值fi得到相应的两通道的能量比值Ri；⑥所得到的一组对应的f和R，即为顺向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果；⑦调整第一声光移频器5的角度，使激光以负布拉格角2.04°入射，调整第二声光移频器6的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，则激光衍射级次在+1级与-1级间切换，两声光移频器的移频方向均变为步骤②的相反方向，重复步骤③④⑤⑥，得到反向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果。
权利要求
1.一种适用于瑞利测风激光雷达的标定装置，其特征在于该系统包括一激光器(1)，沿该激光器(1)的激光输出光路依次由衰减器(3)、第一声光移频器(5)、第二声光移频器(6)和多普勒展宽器(7)组成，所述的多普勒展宽器(7)的输出端通过信号收集光纤(8)与瑞利测风激光雷达的接收部件(9)相接。
2.根据权利要求1所述的瑞利测风激光雷达标定装置，其特征是在所述的衰减器(3)的前后还插设有第一反射镜(2)和第二反射镜(4)。
3.根据权利要求1所述的瑞利测风激光雷达标定装置，其特征在于所述的激光器(1)是一激光波长为355nm的激光器。
4.根据权利要求1所述的瑞利测风激光雷达标定装置，其特征在于所述的第一声光移频器(5)的中心频率为400MHz，频率可调范围为400±30MHz，其布拉格角为2.04°；所述的第二声光移频器(6)的中心频率为460MHz，频率可调范围为460±30MHz，其布拉格角为2.34°。
5.根据权利要求1所述的瑞利测风激光雷达标定装置，其特征在于所述的多普勒展宽器(7)为一内壁涂黑的筒状容器，其前端面(75)完全封闭，后端面(71)有供激光入射和信号收集光纤(8)插入的小孔(72)，该筒状容器的外周自内而外包覆有加热层(73)和绝热层(74)，所述的加热层(73)与一开关电源(76)相连，该开关电源(76)与一温度控制器(77)相连并在该温度控制器(77)的控制下工作。
6.根据权利要求1所述的瑞利测风激光雷达标定装置，其特征在于所述的多普勒展宽器(7)内部气体的温度控制在±0.1℃的起伏范围内。
7.一种利用所述的瑞利测风激光雷达标定装置进行瑞利测风激光雷达的标定方法，其特征在于该方法包括下列步骤①将第一反射镜(2)和第二反射镜(4)插入光路中，使激光器(1)发出的激光导入激光雷达标定装置；②调整第一声光移频器(5)的角度使激光以正布拉格角2.04°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向增大的方向移动至最大频率值；调整第二声光移频器(6)的角度使激光以负布拉格角2.34°入射，并改变移频器驱动模块使激光频率向减小方向移动至最小频率值，而激光总的频率移动为0；③先逐步调节第二声光移频器(6)的移频数值直到最大，再逐步减小第一声光移频器(5)的移频数值直到最小，即逐步扩大频移，获得一系列的频移值fi并做记录；④利用激光多普勒展宽器(7)，对移频后的激光光谱进行展宽，使激光光谱和大气分子后向散射的光谱形状相同；⑤利用信号收集光纤(8)收集多普勒展宽器(7)中空气分子的后向散射激光，并送入瑞利测风激光雷达的接收部件(9)，对应于第③步的每一个频移值fi得到相应的两通道的能量比值Ri；⑥所得到的一组对应的f和R，即为顺向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果；⑦调整第一声光移频器(5)的角度，使激光以负布拉格角2.04°入射，调整第二声光移频器(6)的角度，使激光以正布拉格角2.34°入射，则激光衍射级次在+1级与-1级间切换，两声光移频器的移频方向均变为步骤②的相反方向，重复步骤③④⑤⑥，得到反向风速的瑞利测风激光雷达的标定结果。
全文摘要
一种适用于瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法，本发明瑞利测风激光雷达标定方法的基础是利用声光移频和激光光谱多普勒展宽原理，它使用两个频率可调的声光移频器串联实现激光频率的过0的宽带连续调节，并利用多普勒展宽器使光谱展开而对瑞利测风雷达进行准确、迅速的标定。在瑞利测风激光雷达中，风速的反演是根据两通道的能量比值R和对应的移频f，由移频f计算风速v，在风速测量中实际测量得到的是两通道的能量比值R，所以必须在风速测量之前对瑞利测风激光雷达进行标定，即找出每一能量比值R和f的对应关系，即R与风速v的关系。本发明能方便、迅速地对瑞利测风激光雷达进行标定。
文档编号G01S7/48GK1740818SQ20051002967
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者卜令兵, 陈卫标, 刘继桥 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所