[發明專利]基于多孔徑收發的無盲區脈沖相干測風激光雷達系統

有效

• 申請號: 202011474509.1
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112698356B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 禹智斌;白杰;趙明光;劉冬;陳樂
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）;青島華航環境科技有限責任公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/484;G01S7/4865
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 彭愿潔;彭家恩

本發明公開了一種基于多孔徑收發的無盲區脈沖相干測風激光雷達系統，其中光學收發天線中包括多個用于向大氣發射激光脈沖信號和/或接收大氣反射的后向散射回波光信號的孔徑，且至少存在一個孔徑不發射激光脈沖信號，其只接收后向散射回波光信號，由于該孔徑接收的后向散射回波光信號中不包含干擾散射光信號，使得在激光脈沖信號發射過程的脈沖寬度時間內，對該只接收后向散射回波光信號的孔徑所接收的后向散射回波光信號進行處理，避免了干擾散射光信號對后向散射回波光信號造成的測量盲區，在激光脈沖信號完成發射后的時間內，對所有孔徑接收的后向散射回波光信號疊加后進行處理，以加強后向散射回波光信號的信號強度，提高了測量的綜合性能。

技術領域

本發明涉及相干測風激光雷達技術領域，具體涉及一種基于多孔徑收發的無盲區脈沖相干測風激光雷達系統。

背景技術

精確的大氣風場探測，對于數值天氣預報、氣候模型改進、軍事環境預報、生化氣體監控、機場風切變預警等應用項目具有重大意義。相干測風激光雷達是目前實現全天候、三維大氣風場測量的最佳方式之一，其具有高空間分辨率、高時間分辨率、高數據獲取率、抗干擾、體積小、布放要求低等優點，已經成為風電、航空等領域主流的測風裝備之一。

由于地表摩擦及地形等諸多因素影響，造成大氣風場在接近地表時通常出現較強的大氣湍流或剪切，從而造成在近地表高度范圍內大氣風速和風向出現較大的變化。傳統的氣象測風鐵塔能有效的測量近地表范圍內各個高度層的風速、風向，但由于氣象鐵塔嚴苛的安裝條件要求，使得氣象鐵塔并不能滿足海洋、交通、風電等領域的大部分應用需求。盡管連續波相干測風激光雷達可以通過連續改變焦點的位置達到無盲區探測，但由于激光的瑞利長度隨著焦點位置所在距離的平方迅速增加，造成連續波相干測風激光雷達無法進行有效的遠距離測量，因此目前大多數連續波相干測風激光雷達的探測距離一般在200米左右。脈沖體制的相干測風激光雷達由于更高的能量密度和光束傳播能力，能實現遠距離大氣風場測量，但是傳統的脈沖風廓線雷達和脈沖測風激光雷達由于在發射脈沖的同時，無法有效接收大氣回波信號，因而均存在盲區問題，無法有效獲取近地表的大氣風場信息。

傳統的脈沖相干測風激光雷達采用收發一體光學天線，工作時其光學收發天線同時用于激光脈沖的發射和大氣回波信號的接收，其中脈沖相干測風激光雷達中的放大器產生脈沖寬度為△t秒的激光脈沖，激光脈沖通過光纖端口進入自由空間，然后經過光學收發天線變成準平行光束，再通過光學窗口向空間大氣傳播。在激光脈沖發射過程的△t時間內，探測器除了接收到微弱的大氣后向散射回波信號之外，還同時會接收到來自光纖端口、光學天線、光學窗口等收發系統中的非理想光學器件產生向散射光。由于來自光學器件等硬目標的散射光的強度遠高于大氣軟目標產生的后向散射信號，造成來自大氣的有效信號湮沒在來自系統中的干擾信號中，無法有效測量大氣風場。由此可見，傳統脈沖相干測風激光雷達存在測量盲區，且該盲區由激光脈沖時間寬度決定。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是能夠解決脈沖相干測風激光雷達系統存在的測量盲區問題。

一種實施例中提供一種基于多孔徑收發的無盲區脈沖相干測風激光雷達系統，包括：

脈沖激光器光源，用于基于本振光信號產生激光脈沖信號；

環形器，用于將所述激光脈沖信號傳輸至光學收發天線；

光學收發天線，其包括多個用于向大氣發射激光脈沖信號，和/或接收大氣反射的后向散射回波光信號的孔徑，其中，一個孔徑用于接收一路后向散射回波光信號，且至少一個孔徑用于向大氣發射激光脈沖信號，至少一個孔徑用于只接收一路所述后向散射回波光信號；

光電信號轉換裝置，用于將多個孔徑所接收的所述后向散射回波光信號分別轉換為對應的多路中頻電信號；

疊加器，用于將多路所述中頻電信號進行相干疊加，并將相干疊加后得到的第一中頻電信號輸出至信號處理器；