[發(fā)明專利]一種基于單頻連續(xù)光EOM調(diào)制的雙頻相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610127963.7
• 申請(qǐng)日: 2016-03-07
• 公開（公告）號(hào): CN105572690B
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏海云;上官明佳;竇賢康;王璐;薛向輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S17/95
• 分類號(hào): G01S17/95
• 代理公司: 北京凱特來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光調(diào)制的雙頻連續(xù)光相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)以其方向性好、時(shí)間分辨率和空間分辨率高、精度高、非接觸(遙感)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)風(fēng)、測(cè)距、成像、污染物監(jiān)測(cè)、測(cè)風(fēng)、測(cè)溫等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中，單頻激光一分為二，一路發(fā)射到探測(cè)目標(biāo)，另外一路作為本振光，通過(guò)目標(biāo)物后向散射信號(hào)與本振光拍頻實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的速度探測(cè)。理想情況下，當(dāng)目標(biāo)物的速度一定時(shí)，獲得的光譜為窄線寬，速度信息則從多普勒頻移中提取。但在實(shí)際情況中，由于目標(biāo)物表面不平整、大氣湍流引起的散斑噪聲和激光的相干性引起的相位噪聲將引起多普勒頻移譜線的展寬，從而導(dǎo)致測(cè)量的速度精度降低、探測(cè)距離減小。而傳統(tǒng)的微波雷達(dá)中，因微波波長(zhǎng)與激光相比較長(zhǎng)，受大氣湍流影響較小，但是空間分辨率也因此低于激光雷達(dá)。

為了減小散斑噪聲的影響，提高探測(cè)精度，基于雙頻激光的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)被提出，它集成了相干激光雷達(dá)和傳統(tǒng)微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，在一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)中采用雙頻激光束作為載波，將頻差控制在微波范圍內(nèi)，使系統(tǒng)具有空間分辨率高，抗大氣湍流能力強(qiáng)，信號(hào)處理技術(shù)發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)。雙頻激光雷達(dá)發(fā)射的激光包含兩個(gè)頻率，探測(cè)到的目標(biāo)物后向散射信號(hào)的兩個(gè)光頻率都有多普勒頻移，導(dǎo)致拍頻頻移，根據(jù)公式Δf＝V·f/2c(式中Δf為多普勒頻移，V為探測(cè)目標(biāo)速度，f為入射光頻率，c為光速)，當(dāng)目標(biāo)物的速度V一定時(shí)，多普勒頻移Δf與出射頻率f成正比，速度信息則通過(guò)檢測(cè)雙頻激光多普勒頻移的差值獲得。因此，雙頻相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)為雙頻激光的多普勒頻率差，即微波信號(hào)。多普勒測(cè)量?jī)H取決于光頻差，而不是光頻本身，因此可精確測(cè)風(fēng)的目標(biāo)距離取決于微波穩(wěn)定性，而不是光頻穩(wěn)定性，任何光學(xué)噪聲(如光放大器的ASE噪聲、沿光束路徑的衰減和散射過(guò)程)若只改變激光譜線寬度而不改變微波譜線寬度，就不會(huì)影響系統(tǒng)性能。微波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于激光，抑制了散斑噪聲造成的多普勒頻移譜線展寬，這大大降低了大氣湍流和目標(biāo)物表面不平整引起的散斑噪聲對(duì)速度探測(cè)的影響，并將激光雷達(dá)的相干信號(hào)處理環(huán)節(jié)從光路部分轉(zhuǎn)移到技術(shù)發(fā)展成熟的電路部分，同時(shí)保留激光雷達(dá)高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短，很大程度上提升雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能，縮短研發(fā)周期。

雙頻相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中，檢測(cè)的為雙頻激光的頻率差，一般為幾十GHz，假設(shè)頻率間距為40GHz，則1m/s的風(fēng)速引起的頻差為267Hz。因此，該類型激光雷達(dá)對(duì)兩個(gè)激光頻率間距的穩(wěn)定性要求苛刻，激光相干性引起的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移譜線展寬，限制了其發(fā)展。微波拍頻信號(hào)的相干性和穩(wěn)定性可以通過(guò)鎖相來(lái)增強(qiáng)，然而將兩束激光鎖相是困難的。

目前，雙頻相干激光雷達(dá)采用的激光器有鎖模激光器和種子注入半導(dǎo)體激光器。為了獲得雙頻率激光輸出，鎖模激光器需配備波長(zhǎng)選擇開關(guān)或者Fabry-Perot干涉儀，而種子注入半導(dǎo)體激光器需配備主激光器和從激光器使用，因此，基于該兩種激光器的激光雷達(dá)系統(tǒng)的光路復(fù)雜、成本高昂。此外，雙頻激光源還可由重疊兩個(gè)頻差已知的激光束或基于激光腔外調(diào)制得到，前者顯然不能改善激光相干性低的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于單頻連續(xù)光EOM調(diào)制的雙頻相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，具有精度高、穩(wěn)定性好、且造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于單頻連續(xù)光EOM調(diào)制的雙頻相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，包括：

連續(xù)光激光器1、電光調(diào)制器EOM2、信號(hào)發(fā)生器3、第一濾波器4、激光放大器5、第二濾波器6、分束器7、環(huán)形器8、光學(xué)收發(fā)裝置9、連續(xù)可調(diào)衰減器11、分束器12、平衡探測(cè)器13、A/D采集卡14、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15與計(jì)算機(jī)16，各個(gè)器件的連接關(guān)系如下：

連續(xù)光激光器1的輸出端與EOM2的輸入端連接，EOM2輸出端與第一濾波器4的輸入端連接，信號(hào)發(fā)生器3的控制信號(hào)輸入端與EOM2的控制信號(hào)輸出端連接，第一濾波器4的輸出端與激光放大器5的輸入端連接，激光放大器5的輸出端與第二濾波器6的輸入端連接，第二濾波器6的輸出端與分束器7的輸入端連接；

所述分束器7用于將雙頻激光分成兩分，其中輸出端A輸出為信號(hào)光，輸出端B輸出的為本振光；分束器7的輸出端A與環(huán)形器8的A端口連接，分束器7的輸出端B與連續(xù)可調(diào)衰減器11的輸入端連接，

環(huán)形器8的C端與分束器12的A端口連接；環(huán)形器8的B端口與光學(xué)收發(fā)裝置9連接，光學(xué)收發(fā)裝置9出射的光束照射在探測(cè)目標(biāo)物10上，探測(cè)目標(biāo)物10后向散射回的信號(hào)經(jīng)光學(xué)收發(fā)裝置9收集，再先后經(jīng)環(huán)形器8的B端和C端，傳輸至分束器12；