[發(fā)明專利]一種激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)模組及其測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210631898.7
• 申請(qǐng)日: 2022-06-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114706099B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄔志強(qiáng);譚向軍;張亞筠;吳梅;龍彥志;趙鑫;劉興濤;李明興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都凱天電子股份有限公司
• 主分類號(hào): G01S17/95
• 分類號(hào): G01S17/95;G01S7/481;G01P5/26
• 代理公司: 北京正華智誠(chéng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

本發(fā)明公開(kāi)了一種激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)模組及其測(cè)量方法，其包括固定殼體，固定殼體上安裝有若干用于低空大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的第一光學(xué)鏡頭和若干用于高空大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的第二光學(xué)鏡頭，若干第一光學(xué)鏡頭和若干第二光學(xué)鏡頭均在固定殼體的周向上均勻分布，且第一光學(xué)鏡頭與第二光學(xué)鏡頭呈交錯(cuò)布置，第一光學(xué)鏡頭和第二光學(xué)鏡頭均包括光纖、光纖耦合頭和光學(xué)耦合鏡，光纖的發(fā)射光束依次通過(guò)光纖、光纖耦合頭和光學(xué)耦合鏡后發(fā)射至目標(biāo)區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域返回的光束通過(guò)光學(xué)耦合鏡聚焦耦合后返回光纖；本方案結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，可同時(shí)滿足飛機(jī)航行于低空、高空情況下的大跨度探測(cè)應(yīng)用需求，具有極強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光大氣探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)模組及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)

大氣風(fēng)場(chǎng)信息是重要的環(huán)境及氣象參數(shù)，精確的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在氣象氣候、天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及航空安全領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)以其高分辨率、高精度、可遙感遠(yuǎn)程探測(cè)以及能提供三維大氣風(fēng)場(chǎng)信息的能力，廣受關(guān)注，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究，因其可以測(cè)量飛機(jī)的真空速度、探測(cè)和追蹤晴空湍流、風(fēng)切變、飛機(jī)尾流以及測(cè)量大氣風(fēng)廓線等，在獲取軍事環(huán)境情報(bào)、提高航空航天安全性以及天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性等方面具有重要意義。

按照多普勒頻率檢測(cè)方式不同，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)可分為相干探測(cè)技術(shù)和直接探測(cè)技術(shù)，相干探測(cè)技術(shù)是利用氣溶膠后向散射信號(hào)與發(fā)射激光本振光進(jìn)行拍頻來(lái)反演多普勒頻率，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但其散射介質(zhì)與基本原理使其適用于探測(cè)風(fēng)速不太大、氣溶膠濃度含量較大的大氣環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)；直接探測(cè)技術(shù)是將大氣氣溶膠或分子后向散射信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)換成相對(duì)強(qiáng)度的變化或干涉條紋的移動(dòng)來(lái)反演多普勒頻率，前者被稱為邊緣技術(shù)，后者稱為條紋成像技術(shù)，直接探測(cè)技術(shù)主要用于氣溶膠濃度較低的高空或較大風(fēng)速的大氣環(huán)境測(cè)量。

在航空領(lǐng)域，尤其是機(jī)載平臺(tái)應(yīng)用，其運(yùn)行空間覆蓋低空到高空，垂直高度跨度可達(dá)零到數(shù)十千米的范圍，在機(jī)載平臺(tái)上應(yīng)用激光進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)、真空速等探測(cè)，考慮到在對(duì)流層低空（5-7km）氣溶膠濃度大、干擾強(qiáng)，相干探測(cè)體制具有優(yōu)勢(shì)；在對(duì)流層頂部及平流層，氣溶膠濃度低，相干探測(cè)的回波弱，難以使用，而基于空氣分子散射的直接探測(cè)體制成為優(yōu)先選擇，因此，為了實(shí)現(xiàn)從零到數(shù)十公里大跨度的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)應(yīng)用，通常采用相干探測(cè)與直接探測(cè)集成的混合體制，基于混合體制可以充分發(fā)揮相干探測(cè)和直接探測(cè)的各自優(yōu)勢(shì)。

而在現(xiàn)有的混合體制激光測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中，其中光學(xué)模組的設(shè)計(jì)思路如公開(kāi)號(hào)為CN110161280A的一種混合探測(cè)多普勒激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，其采用相干探測(cè)和直接探測(cè)共用同一個(gè)反射式望遠(yuǎn)鏡，相干探測(cè)使用了直接探測(cè)部分口徑的方案，該方案在相干探測(cè)工作波段通道和直接探測(cè)工作波段通道高度耦合在一個(gè)共用接收光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊中，設(shè)計(jì)、裝調(diào)難度大、可靠性低；同時(shí)，該方案發(fā)射部分根據(jù)工作譜段既有接收望遠(yuǎn)鏡合置也有獨(dú)立分置的，系統(tǒng)復(fù)雜。

另一種公開(kāi)號(hào)為CN109143263A的一種混合型測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其中光學(xué)收發(fā)組件采用收發(fā)分置的方案，即包括發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和接收望遠(yuǎn)鏡兩部分。該方案一方面存在探測(cè)盲區(qū)，且信號(hào)接收效率較低，在短近距離存在探測(cè)困難，另一方面成本較高、體積大；

公開(kāi)號(hào)為CN108717194B的一種復(fù)合體制多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，其采用收發(fā)合置卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，相干探測(cè)與直接探測(cè)光路共用，不同體制、不同工作譜段系統(tǒng)耦合度極高，裝調(diào)難度、可靠性以及可維護(hù)性難度大，主要針對(duì)星載應(yīng)用平臺(tái)適用。

在機(jī)載平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)方案除上述不足外至少還存在以下技術(shù)問(wèn)題：

1、光學(xué)系統(tǒng)模組僅針對(duì)一維徑向或二維風(fēng)場(chǎng)信息獲取。

2、目前三維大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)通常需要增加后續(xù)機(jī)械掃描系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)三維矢量測(cè)量，系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)于機(jī)載平臺(tái)惡劣的運(yùn)行條件，可靠性挑戰(zhàn)大。

3、現(xiàn)有機(jī)載激光大氣數(shù)據(jù)測(cè)量中其光學(xué)系統(tǒng)模組僅針對(duì)直接探測(cè)或者相干探測(cè)一種探測(cè)體制。

發(fā)明內(nèi)容