一种基于偏振复用的直接探测测风激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直接探测多普勒测风激光雷达技术领域，具体涉及一种基于偏振复用 的直接探测测风激光雷达。
【背景技术】
[0002] 20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日渐成熟，直接探测激光雷达技 术以其独特的优势（高时空分辨率、大空间覆盖范围和高测量精度等）在测风激光雷达领 域薪露头角。
[0003] 国内外已经开展基于Fabry-Perot干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达的基 础研宄，包括系统参数设计、模拟仿真等工作。国外有：法国HauteProvence天文台研制的 Rayleigh-Mie多普勒测风激光雷达；德国、英国、挪威、联合研制的ALAM0R系统；美国的国 家航天航空局NASA、NCAR和MichiganAerospaceCorporation开发的GLOW和Groundwinds 系统；欧洲宇航局（ESA)正开展的风神太空计划（ADM-AeolusMission)，并进行了地面和 机载验证实验；丹麦、荷兰、日本也均有报道。国内开展了相关工作的单位有：中国海洋大 学、中国科学技术大学、中国科学院安徽光机所、西安理工大学、中国科学院空间科学与应 用研宄中心、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学。
[0004] 基于Fabry-Perot干涉仪的多普勒直接探测激光雷达中，通过检测后向散射信号 的频率和出射激光频率的差值以反演多普勒频移，因此，频移探测和频率跟踪锁定是多普 勒直接探测激光雷达的关键技术，其中典型的频率跟踪和锁定方法有如下几种：
[0005] 1)法国Haute Provence天文台的Rayleigh-Mie多普勒测风激光雷达采用气压 可调谐的双通道Fabry-Perot干涉仪。频率的锁定采用调节Fabry-Perot干涉仪的气压， 进而改变腔内折射率的方式来实现。由频率增量A u和折射率An增量的关系A u/An =-u d/n可知，为使频率上移，需减小Fabry-Perot干涉仪腔内的折射率，反之亦然。但是， Rayleigh-Mie多普勒测风激光雷达仅在观测前进行频率锁定，观测过程中不做频率跟踪和 实时锁定处理。
[0006] 2)德国宇航局研制的A2D机载激光雷达采用固定腔长式Fabry-Perot干涉仪和频 率可调谐的激光器。其中，为避免出射激光频率不稳定所引入的校准和测量误差，系统采用 QBUT(Q-switchbuilt-uptime)最小化的方法稳定激光频率。并且，通过增加一个稳频激 光器提供本征光，利用相干拍频技术测量出射激光频率的漂移量。
[0007] 3)中国科学技术大学采用腔长可调谐的三通道Fabry-Perot干涉仪，其中两个边 缘通道用于提取多普勒频移信息，第三个通道用于跟踪和锁定激光出射频率。频率的锁定 采用调节Fabry-Perot干涉仪腔长的方式实现。由频率增量A u和腔长增量A 1的关系 Au/Al= -uQ/l(u。为激光频率，1为Fabry-Perot干涉仪的腔长）可知，为使频率上 移，Fabry-Perot干涉仪的腔长需要缩短，反之亦然。
[0008] 上述三种方法存在如下缺点：上述方法1)中，由于调节过程中需对Fabry-Perot 干涉仪加压和减压，这是一个缓慢过程，因此不能进行实时跟踪和锁定；上述方法2)中，由 于需增加另外一个激光器作为参考光，并且采用相干拍频的方法，光路结构复杂、光学器件 要求严格，后继数据处理量大，系统成本高；上述方法3)中，由于增加第三通道的方法，系 统复杂成本高。
【发明内容】
[0009] 本发明目的是提供一种基于偏振复用的直接探测测风激光雷达，其成本低、结构 紧凑且系统稳定性较高。
[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0011] 一种基于偏振复用的直接探测测风激光雷达，包括：连续光纤激光器1、偏振控制 器2、第一偏振分束器3、声光调制器4、任意函数发生器5、光纤放大器6、扩束镜7、望远镜 8、环形器9、光纤布拉格光栅10、保偏合束器11、保偏分束器12、第二偏振分束器13、第一 模拟探测器14、第一起偏器15、第一单光子探测器16、光纤Fabry-Perot干涉仪17、恒温箱 18、光纤Fabry-Perot干涉仪控制器19、第三偏振分束器20、第二模拟探测器21、A/D数据 采集卡22、第二起偏器23、第二单光子探测器24、光子计数采集卡25、计算机26 ;
[0012] 其中，连续光纤激光器1的输出端与偏振控制器2的输入端连接，偏振控制器2的 输出端与第一偏振分束器3的输入端连接，第一偏振分束器3的输出端B与声光调制器4的 输入端连接，任意函数发生器5的输出端与声光调制器4的输入端连接，声光调制器4的输 出端与光纤放大器6的输入端连接，光纤放大器6的输出端与扩束镜7的输入端连接；望远 镜8接收大气后向散射信号，望远镜8的输出端与环形器9的输入端连接，环形器9的收发 复用端与光纤布拉格光栅10的输入端连接，环形器9的输出端与保偏合束器11的输入端A 连接，保偏合束器11的输入端C还与第一偏振分束器3的输出端A相连，保偏合束器11的 输出端B与保偏分束器12的输入端连接，保偏分束器12的输出端C与第二偏振分束器13 的输入端连接，第二偏振分束器13的输出端B与第一模拟探测器14连接，第二偏振分束器 13的输出端A与第一起偏器15的输入端连接，第一起偏器15的输出端与第一单光子探测 器16连接；保偏分束器12的输出端B与光纤Fabry-Perot干涉仪17的输入端连接，光纤 Fabry-Perot干涉仪17放置于恒温箱18中，Fabry-Perot干涉仪17的输出端与第三偏振 分束器20的输入端连接；第三偏振分束器20的输出端B与第二模拟探测器21连接，第三 偏振分束器20的输出端A与第二起偏器23的输入端连接，第二起偏器23的输出端与第二 单光子探测器24连接；第一模拟探测器14和第二模拟探测器21的输出端与A/D数据采集 卡22的输入端连接，A/D数据采集卡22的输出端作为反馈信号输入给光纤Fabry-Perot干 涉仪控制器19,光纤Fabry-Perot干涉仪控制器19输出端与光纤Fabry-Perot干涉仪17 连接；第一单光子探测器16和第二单光子探测器24的输出端与光子计数采集卡25的输入 端连接；光子计数采集卡25的输出端与计算机26连接。
[0013] 进一步的，所述的恒温箱18的控温精度为0. 001K。
[0014] 进一步的，所述连续光纤激光器1的工作波段为通信波段，其工作波长为1550nm， 线宽为3KHz，输出激光为线偏振光，具有光纤親合输出方式。
[0015] 进一步的，所述第一单光子探测器16和第二单光子探测器24为铟镓砷单光子探 测器，或上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。
[0016] 进一步的，所述光纤Fabry-Perot干涉仪控制器19的电压调节精度为1yV，调节 步长为lmV;所述光纤Fabry-Perot干涉仪17的自由谱间距为4. 02GHz，精细度为43。
[0017] 进一步的，所述第一起偏器15和第二起偏器23的偏振方向与后向散射信号的偏 振态平行，与锁频用的连续光垂直。
[0018] 进一步的，所述第一偏振分束器3工作波长为1550nm±40nm，插入损失为0?6dB， 消光比为60dB;
[0019] 所述第二偏振分束器13的中心波长为1550nm±40nm，插入损失为0? 6dB，消光比 为60dB;
[0020] 所述第三偏振分束器20的工作波长为1550nm±40nm，插入损失为0?6dB，消光比 为 60dB。
[0021] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过基于偏振态相互垂直的激光经光纤 Fabry-Perot干涉仪时透过率曲线不同的原理，采用偏振复用技术，将连续激光分成偏振态 相互垂直的两路，其中一路经脉冲调制后用于探测大气风场，另外一路用于锁定激光频率， 这两路共用一个光纤Fabry-Perot干涉仪，这两路信号的合并和分离探测采用保偏合束器 和偏振分束器完成。该方案中仅用单个光纤Fabry-Perot干涉仪实现了同时的频移探测和 频率跟踪锁定，相比于采用多通道Fabry-Perot干涉仪或多个Fabry-Perot干涉仪构成的 系统，该发明装置成本低、结构紧凑并且系统相对稳定。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0023] 图1为本发明实施例提供的一种基于偏振复用的直接探测测风激光雷达的示意 图；
[0024]图2为本发明实施例提供的直接探测测风激光雷达中边缘技术的示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明的保护范围。
[0026] 本发明是通过基于偏振态相互垂直的激光经光纤Fabry-Perot干涉仪时透过率 曲线不同的原理，采用偏振复用技术，将连续激光分成偏振态相互垂直的两路，其中一路经 脉冲调制后用于探测大气风场，另外一路用于锁定激光频率。图1为本发明实施例提供的 一种基于偏振复用的直接探测测风激光雷达的示意图，图中的点和双箭头用于表示激光偏 振态，其中点表示偏振态与纸面垂直，双箭头表示偏振态与纸面平行。
[0027] 如图1所示，其包括：连续光纤激光器1、偏振控制器2、第一偏振分束器3、声光调 制器4、任意函数发生器5、光纤放大器6、扩束镜7、望远镜8、环形器9、光纤布拉格光栅10、 保偏合束器11、保偏分束器12、第二偏振分束器13、第一模拟探测器14、第一起偏器15、第 一单光子探测器16、光纤Fabry-Perot干涉仪17、恒温箱18、光纤Fabry-Perot干涉仪控制 器19、第三偏振分束器20、第二模拟探测器21、A/D数据采集卡22、第二起偏器23、第二单 光子探测器24、光子计数采集卡25、计算机26。
[0028] 连续光纤激光器1的输出端与偏振控制器2的输入端连接，偏振控制器2的输出 端与第一偏振分束器3的输入端连接，第一偏振分束器3的输出端B与声光调制器4的输 入端连接，任意函数发生器5的输出端与声光调制器4的输入端连接，声光调制器4的输出 端与光纤放大器6的输入端连接，光纤放大器6的输出端与扩束镜7的输入端连接；望远 镜8接收大气后向散射信号，望远镜8的输出端与环形器9的输入端连接，环形器9的收发 复用端与光纤布拉格光栅10的输入端连接，环形器9的输出端与保偏合束器11的输入端 A连接，保偏合束器11的输入端C还与第一偏振分束器3的输出端A相连，保偏合束器11 的输出端B与保偏分束器12的输入端连接，保偏分束器12的输出端C与第二偏振分束器 13的