[發明專利]一種三波長實時定標激光雷達

有效

• 申請號: 201410035819.1
• 申請日: 2011-05-10
• 公開（公告）號: CN103777207A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 吳松華;秦勝光
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南

本申請為201110119157.2“三波長實時定標激光雷達裝置”的分案申請，申請日為2011年5月10日

技術領域

本發明涉及一種激光測量大氣風場的雷達裝置，具體涉及一種三波長實時定標激光雷達。

背景技術

大氣風場是氣象探測中的重要觀測參數，在天氣、環境、交通、航空、海洋等許多領域都有重要作用。天氣預報中提供風場的基礎信息，有助于天氣變化的預報；航空中的陣風、風切變等情況危害較大，風場的觀測可以幫助提前做好應對準備；風力發電中也需要前方風場的測定來使風機有效運行等。

現有的測風手段多為風向標測風和微波雷達測風。風向標的測量只能測量近地面的局部風速，限制較大，無法獲得大氣風場的信息；微波雷達測風需要在云、霧較多的情況下才能取得良好效果。因而在天空較為晴朗時，激光雷達就能夠發揮其優勢，取得高精度的大范圍風場信息。

現今實際應用的測風激光雷達可以分為相干測風和非相干測風兩類。相干測風激光雷達系統在氣溶膠含量較高的低空區域探測效果較好，對高空區域難以有效探測。非相干探測技術通過高分辨率的光譜器件來提取反射光的強度信息，與頻率變化相關聯，進而求出風場信息。通過氣溶膠和分子的回波信號，非相干測風系統可以取得0.5-20km公里高度范圍內的風場信息。其中，基于碘分子濾波的非相干測風技術是非相干測風的一種典型技術，它利用了碘分子在一定溫度下，對不同頻率的光吸收率也不同的特點，將激光的工作波長設置在某一吸收線附近（如532nm激光選用1109吸收線），探測回波通過碘分子濾波后的強度變化來求取頻率變化，進而反演風速。

由于大氣回波有兩種成分組成：氣溶膠散射（Mie散射，帶寬窄）和大氣分子散射（Rayleigh散射，帶寬寬），這兩種散射信號通過鑒頻鑒頻器的透過率各不相同，因而兩種信號的成分也會影響光電探測器的結果。目前要反演風速時，必須首先要了解氣溶膠散射和大氣分子散射的比例，才能確定每米風速的光電探測器探測強度變化。普通的測風激光雷達必須要首先測量靈敏度，取得相應信息才能進行后續的風場測量。這樣，測量靈敏度和測風就不能做到同步進行。又因為氣溶膠是時刻變化的，難免會造成偏差；而且在移動測量時，因為位置的時刻變換，預先進行靈敏度的測量也變得沒有意義。

因此，激光雷達測風技術雖然已經進入業務化階段，但仍無法實時獲得準確的氣溶膠相對濃度信息，無法實時定標測量靈敏度而進入真正實用化。

發明內容

本發明的目的是提供一種三波長實時定標激光雷達裝置，以彌補已有技術的不足。

現有的非相干測風激光雷達無法快速改變發射波長；本發明是對已有的非相干測風激光雷達的改進，具體是采用了能夠快速改變發射波長的發射系統，并可利用已有雷達的接收系統。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種三波長實時定標激光雷達，包括向大氣發射激光束的發射系統和配有分束器的望遠鏡，該分束器將望遠鏡收集的散射光分成兩份，一份經光電探測器a進入數據采集系統，另一份經鑒頻器、光電探測器b進入數據采集系統，以及與數據采集系統相連的內含控制程序的計算機，其特征在于所述的發射系統包括改變種子激光器出射光、并通過合束器將該出射光注入脈沖激光器的聲光移頻器，所述的脈沖激光器經擴束鏡、反射鏡將激光向大氣發射；所述的聲光移頻器經由上述計算機控制；

上述計算機內的控制程序在時序上變換注入脈沖激光器的種子光波長；

經時序切換得到三種不同發射波長的激光脈沖，頻率分別鎖定在鑒頻器同一吸收線的谷底和兩側斜邊的中心部位，一個波長用來測量靈敏度，另兩個波長用來測量風速信息，其中，谷底波長的濾波信息用于反演出風速測量所需的靈敏度信息；兩側斜邊的波長濾波信息包含了頻率變化的信息；

注入上述脈沖激光器的種子光頻率對應鑒頻器吸收線的谷底時，接收光進入參考通道的光電探測器以及經濾波后進入測量通道的光電探測器，以測量分子散射和氣溶膠散射，反演靈敏度；注入上述脈沖激光器的種子光頻率對應鑒頻器吸收線的兩側斜邊時，接收光進入參考通道的光電探測器以及進入測量通道經濾波后的光電探測器，結合上述靈敏度反演出風速。

上述的鑒頻器為基于分子或者原子吸收光譜的鑒頻器，或基于光學標準具透過率譜線的鑒頻器。

通常，非相干測風激光雷達需要首先精確地知道大氣分子散射和氣溶膠散射的混合比例，從而確定測量靈敏度信息，然后才能根據該靈敏度信息反演風速（即風速測量）。而現有的技術在風速測量之前需要單獨測量靈敏度，或者依靠其他探測資料進行標定。