一种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测速激光雷达领域，尤其涉及一种基于时分复用的非扫描连续光相干 测速激光雷达。
【背景技术】
[0002] 大气风速遥感中，相干测风激光雷达由于具有高精度、高时空分辨率等特点，已广 泛应用于大气风廓线探测、风切变预警、飞机尾流探测、风能发电、航空航天和军事等领域。
[0003] 相干测风激光雷达的光源采用脉冲激光器或连续激光器。采用脉冲激光器的相 干测风激光雷达可探测整个激光路径上的风速信息，是激光雷达的热点研究领域。国际 上从事脉冲相干激光雷达研究的单位包括NASA、N0AA、美国洛克希德马丁公司（Lockheed Martin)、美国雷神公司（Raytheon)、美国相干公司（CTI)、日本三菱公司（Mitsubishi Electric)、法国Leosphere公司、法国宇宙航空航天研究中心（0NERA)、英国SgurrEnergy 公司、英国QinetiQ公司等，国内相干激光雷达的起步较晚，主要单位有哈尔滨工业大学、 电子科技大学、中国电子科技集团公司第二十七研究所、中科院上海光学精密机械研究所、 中国科大、中国海洋大学等单位。
[0004] 采用脉冲激光器的相干激光雷达中，激光脉冲的调制和中频信号的产生由声光调 制器完成，中频信号一般在30MHz到300MHz之间，这刚好是广播电台、无线通信设备所使用 的波段，该波段覆盖范围广、使用密集。因此，一方面，中频信号的使用，使相干激光雷达容 易受电磁环境的干扰；另一方面，激光雷达在正常工作时辐射的电磁信号将对其它电子设 备造成干扰。同样的，基于声光调制器移频的连续光相干激光雷达也存在这个问题。
[0005] 采用连续激光器的相干测风激光雷达系统中，通过将激光光束聚焦在大气探测区 域，利用激光聚焦处的气溶胶后向散射信号与本振光相干拍频的方式实现风速探测。相比 于脉冲激光器，由于商用的连续二极管激光器和半导体激光器均可满足相干激光雷达的光 源要求，连续激光器造价低。因此，在特殊应用中，采用连续光激光器的相干激光雷达具有 独特优势。
[0006] 由于单束激光仅能提供激光路径上的风速信息，为了获得风矢量，相干激光雷 达一般配备有扫描仪。扫描方式有：平面位置指示器扫描（PlanPositionIndicator， PPI)、距离高度指示器扫描（RangeHeightIndicator，RAI)、速度方位角显示 (Velocity-Azimuth_Display，VAD)和多普勒波束锐化（Doppler-Beam_Swinging，DBS)。扫 描仪一般米用机械结构，如QinetiQ公司生产的ZephiR系列相干激光雷达米用转动棱镜， 英国SgurrEnergy公司采用两个相互独立的镜子。
[0007] 高精度机械式扫描仪的使用存在一定局限性，一方面其价格昂贵、体积庞大、容易 磨损；另外一方面，由于扫描仪引起的振动将导致望远镜将信号光耦合到光纤时效率降低， 并且振动引起的能量起伏将引起相对强度噪声（RIN)。
[0008] 综上所述，相干激光雷达具有高精度、高时空分辨率的特点，应用前景广泛。然而 在一些特殊场合，如风力发电、汽艇自身速度和周围速度测量等仅需要单点风矢量的应用 中，由于采用脉冲激光器的机械式扫描相干激光雷达造价高，限制了其应用。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光雷达，具有 较高精度，且造价相对较低。
[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0011] -种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光雷达，包括：连续光激光器1、光 纤分束器2、光开关3、第一光纤环形器4、第一光学收发装置5、第一光纤耦合器6、第二光纤 耦合器7、探测器8、采集卡9、数据处理和显示系统10、第二光纤环形器11、第二光学收发装 置12与信号发生器13;其中：
[0012] 连续光激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2输出端A 与光开关3的输入端连接，光开关3的控制信号输入端与信号发生器13的控制信号输出端 连接；
[0013] 所述光开关3还具有两个输出端：其中输出端B与第一光纤环形器4的A端口连 接，第一光纤环形器4的B端口与第一光学收发装置5连接，由第一光学收发装置5接收连 续激光与大气相互作用产生的信号，第一光纤环形器4的C端口与第一光纤耦合器6的A 端口连接；其中的输出端A与第二光纤环形器11的A端口连接，第二光纤环形器11的B端 口与第二光学收发装置12连接，由第二光学收发装置12接收连续激光与大气相互作用产 生的信号，第二光纤环形器11的C端口与第一光纤親合器6的B端口连接；
[0014] 第一光纤親合器6的输出端与第二光纤親合器7的B端连接，且光纤分束器2的 输出端B与第二光纤親合器7的A端口连接，第二光纤親合器7的输出端与探测器8的输 入端连接，探测器8的输出端与采集卡9的输入端连接，采集卡9的输出端与数据处理和显 示系统10的输入端连接。
[0015] 进一步的，当所述光开关3根据信号发生器13的控制信号开启输出端B时，由第 一光学收发装置5接收连续激光与大气相互作用产生的信号以及光纤分束器2输出的本振 光在第二光纤耦合器7进行混频；
[0016] 当所述光开关3根据信号发生器13的控制信号开启输出端A时，由第二光学收发 装置12接收连续激光与大气相互作用产生的信号以及光纤分束器2输出的本振光在第二 光纤耦合器7进行混频。
[0017] 进一步的，所述光开关3包括：
[0018] 基于马赫一曾德干涉仪的光开关、基于偏振控制器与偏振分束器级联的光开关与 机械透反式光开关。
[0019] 进一步的，所述第一光学收发装置5与第二光学收发装置12为焦距可调式望远 镜，通过调节光学收发装置的焦距可实现不同距离处的风速探测。
[0020] 进一步的，当第一光学收发装置5与第二光学收发装置12的夹角2 0的范围为0 <20 < 31时，用于测量大气风矢量；
[0021] 当夹角2 0 =Ji，且第一光学收发装置5与第二光学收发装置12的指向与激光雷 达所处平台的行进方向一致时，用于同时测量平台的自身速度和大气风矢量在激光束方向 的分速度。
[0022] 进一步的，所述连续光激光器1、光纤分束器2、光开关3、第一光纤环形器4、第一 光纤耦合器6与第二光纤耦合器7均采用保偏器件。
[0023] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，其不仅可测量大气风矢量，而且可以测 量激光雷达所处平台的自身速度；另外，通过采用全光纤的结构方式、连续光的探测方式、 固定光学收发装置的接收方式、时分复用的工作方式，实现了大气风矢量和激光雷达所处 平台自身速度的功能，其具有探测精度高、造价低、结构紧凑、抗电磁干扰、系统稳定等优 点。
【附图说明】
[0024] 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 的附图作简单地介绍，显而易见地，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0025] 图1为本发明实施例提供的一种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光雷 达的结构示意图；
[0026] 图2为本发明实施例提供的一种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光雷 达的工作时序图；
[0027] 图3为本发明实施例提供的又一种基于时分复用的非扫描连续光相干测速激光 雷达示意图。
【具体实施方式】
[0028] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实