技术领域
[0001] 本
发明属于激光雷达领域，特别是一种混合探测多普勒激光雷达风速测量系统及其测量方法。该雷达系统具备第一
波长和第二波长两种波段的激光，同时采用相干探测技术手段和直接探测技术手段的混合探测技术对风场进行探测，提高了大气风场的探测能
力，为气象研究，环境监测与航空应用等方面提供了贡献。
背景技术
[0002] 大气风场是大气参数中非常重要的一项，它在
气候气象学研究、数值天气预报、环境监测以及军事航空应用等方面都有很重要的作用。尤其是在风切变探测中，对提高飞行安全高度有着非常重要的意义。多普勒测风技术能够有效的满足高
精度及高
时空分辨率的风速的探测需求。多普勒测风技术主要有两种探测方法：直接探测方法和相干探测方法。直接探测方法可以利用大气中分子或
气溶胶的后向散射
信号中携带的风速信息，反演出风速结果，探测领域较广，能探测到气溶胶
密度较低的
平流层风场，但是在低空探测时只有中等的风速测量精度。相干探测方法利用大气中的气溶胶粒子的后向散射信号，相干探测技术反演风速的
信噪比与大气中的气溶胶浓度相关，具有探测灵敏度高和精度高等特点，基本不受太阳背景光干扰，所以在气溶胶浓度大的
对流层大气中，风速的信噪比优于直接探测方法得出的信噪比，但在气溶胶容量较少的平流层高层大气中，直接探测得到的信息更加可靠。两种测量方法各有其优劣，但将两种方法共用于同一激光雷达测风系统即同时包含相干及直接探测优点、并共有同一个
激光器的激光雷达测风系统还未出现。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种混合探测多普勒激光雷达风速测量系统及其测量方法，该系统充分利用直接探测技术和相干探测技术的优点，提升风速反演的信噪比，该系统能同时在高空和低空进行风场探测，并且简化了激光雷达发射
光源，特别在未来的星载平台中将发挥重要作用。利用直接探测技术所用的第一波长是第二波长倍频的这一特点，用于直接探测的第一波长光与用于相干探测的第二波长光产生于同一激光器中，通过激光器参数的合理设计，同时满足了相干探测和直接探测光源特殊参数需求，大大减少了系统的复杂度，大幅提高了混合探测技术所用光源的简易度。该装置适用于地基、机载和星载平台，可以实现高精度、高分辨率大气风场测量，同时可以满足全天时实时大范围测量的需求。
[0004] 本发明的基本原理是利用相干多普勒激光雷达测风技术在气溶胶浓度大的低层大气中的高信噪比、探测精度高和直接多普勒激光雷达测风技术探测高度高的特征，结合了两种探测体制的优势，将两种雷达的接收数据进行融合，拼接后得到更高信噪比且探测范围广的大气风场剖面信息。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种混合探测多普勒激光雷达风速测量系统，其特点在于，包括第一波长和第二波长的双波长激光器、第一波长指向控
制模块、第一波长发射扩束望远镜模块、第二波长扩束镜、光学收发
开关、
光谱分光模块、收发望远镜、中继光学模块、滤光片、第一波长偏振分束器、FP
鉴频器、第一直接探测光学单元、第二直接探测光学单元、第一直接探测接收探测器、第二直接探测接收探测器、第二波长接收指向
控制模块、相干探测光学单元、相干探测接收探测器和上位机
数据处理器；
[0007] 所述的双波长激光器包括输出第一波长脉冲激光输出口、第二波长脉冲激光输出口和第二波长连续激光输出口，该第二波长连续激光为第二波长脉冲激光提供
种子光并且为相干探测接收探测器提供
本振光，所述的双波长激光器的第一波长脉冲激光输出口经第一波长指向控制模块与第一波长扩束发射望远镜的输入端相连，该第一波长扩束发射望远镜向探测大气空间发射第一波长脉冲激光，作为直接探测的激光；
[0008] 所述的双波长激光器的第二波长脉冲激光输出口经第二波长扩束镜、第二波长光学开关、光谱分光模块和收发望远镜的输入端相连，该收发望远镜向探测大气空间发射第二波长脉冲激光，作为相干探测的激光；
[0009] 所述的双波长激光器的第二波长连续激光输出口与所述的相干探测接收探测器的第2输入端相连，为所述的相干探测接收探测器提供本振光；
[0010] 所述的收发望远镜接收大气分子散射和气溶胶散射的第一波长回波信号和第二波长回波信号输入所述的光谱分光模块，该光谱分光模块将入射的回波信号光分为第一波长回波信号光和第二波长回波信号光，所述的第一波长回波信号光依次经所述的中继光学模块、滤光片进入所述的第一波长偏振分束器，该第一波长偏振分束器将第一波长回波信号光分为垂直偏振光和
水平偏振光，经所述的鉴频器鉴频后，所述的垂直偏振光和水平偏振光分别输入所述的第一探测光学单元和第二探测光学单元，之后分别被所述的第一直接探测接收探测器和第二直接探测接收探测器接收，所述的第一直接探测接收探测器和第二直接探测接收探测器的输出端分别与所述的上位机数据处理器的第1输入端、第一波长指向控制模块的第2输入端相连；
[0011] 沿所述的第二波长回波信号光方向，依次是所述的相干探测收发开关模块、相干探测指向控制模块、相干探测光学单元与所述的相干探测接收探测器第1输入端相连，所述的相干探测接收探测器的第2输出端与所述的相干探测指向控制模块的第2输入端相连，所述的相干探测接收探测器的第1输出端与所述的上位机数据处理器第2输入端相连。
[0012] 所述的双波长激光器同时产生第一波长和第二波长两种波长的激光，第一波长激光是第二波长激光倍频光。
[0013] 利用上述混合探测多普勒激光雷达风速测量系统的测量方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
[0014] 1)所述的大气风场分布多普勒激光雷达系统启动后，所述的双波长激光器的第一波长脉冲激光输出口输出的第一波长脉冲激光经第一波长指向控制模块、第一波长扩束发射望远镜向探测大气空间发射第一波长脉冲激光，作为直接探测的激光；
[0015] 2)所述的双波长激光器的第二波长脉冲激光输出口输出的第二波长脉冲激光经第二波长扩束镜、第二波长光学开关、光谱分光模块和收发望远镜，该收发望远镜向探测大气空间发射第二波长脉冲激光，作为相干探测的激光；所述的双波长激光器的第二波长连续激光输出口与所述的相干探测接收探测器的第2输入端相连，为所述的相干探测接收探测器提供本振光；
[0016] 3)所述的收发望远镜接收大气分子散射和气溶胶散射的第一波长回波信号和第二波长回波信号输入所述的光谱分光模块，该光谱分光模块将入射的回波信号光分为第一波长回波信号光和第二波长回波信号光，所述的第一波长回波信号光依次经所述的中继光学模块、滤光片进入所述的第一波长偏振分束器，该第一波长偏振分束器将第一波长回波信号光分为垂直偏振光和水平偏振光，经所述的鉴频器鉴频后，所述的垂直偏振光和水平偏振光分别输入所述的第一探测光学单元和第二探测光学单元，之后分别被所述的第一直接探测接收探测器和第二直接探测接收探测器接收，所述的第一直接探测接收探测器和第二直接探测接收探测器接收的信息一方面输入所述的上位机数据处理器，经上位机数据处理器数据处理后反演出直接的大气风场信息；
[0017] 4)所述的第二波长回波信号光依次经所述的相干探测收发开关模块、相干探测指向控制模块、相干探测光学单元与所述的相干探测接收探测器第1输入端输入所述的相干探测接收探测器，与从所述的相干探测接收探测器的第2输入端输入的第二波长连续激光形成相干探测接收，该相干探测信息输入所述的上位机数据处理器数据处理后反演出相干探测的大气风场信息；
[0018] 5)所述的第一直接探测接收探测器和第二直接探测接收探测器接收的信息输入所述的第一波长指向控制模块以调节所述的第一波长扩束发射望远镜的光轴指向；所述的相干探测接收探测器接收的第二波长回波信号光通过第二波长指向控制模块调节所述的相干探测光学单元的光轴指向。因此保证了直接探测光路和相干探测收发光路的共轴性；
[0019] 6)所述的上位机数据处理器将所述的直接的大气风场信息和所述的相干探测的大气风场经信息合并和数据融合处理后得到高精度、大测量范围的大气风场信息。
[0020] 本发明的有益效果在于：
[0021] 1.本发明混合探测多普勒激光雷达风速测量系统，同时发挥多普勒直接探测激光雷达体制和多普勒相干测风雷达体制的优点，通过数据融合和数据拼接，提高了测量结果信噪比以及探测范围。
[0022] 2.本发明混合探测多普勒激光雷达风速测量系统，激光光源采用了同一
脉冲激光器，同时输出第一波长和第二波长脉冲激光，一台激光器同时满足直接探测和相干探测光源的需求，大大减小了系统复杂度，提升了系统简易度。
[0023] 3.本发明混合探测多普勒激光雷达风速测量系统，相干探测和直接探测共用同一个望远镜，相干探测使用了直接探测部分口径，简化了接收光学系统方案。
附图说明
[0024] 图1为本发明混合探测多普勒激光雷达风速测量系统整体结构
框图。
具体实施方式
[0025] 下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0026] 先请参阅图1，图1为本发明混合探测多普勒激光雷达风速测量系统整体结构框图。由图可见，包括第一波长和第二波长的双波长激光器1、第一波长指向控制模块2、第一波长发射扩束望远镜模块3、第二波长扩束镜4、光学收发开关5、光谱分光模块6、收发望远镜7、中继光学模块8、滤光片9、第一波长偏振分束器10、FP鉴频器11、第一直接探测光学单元12、第二直接探测光学单元13、第一直接探测接收探测器14、第二直接探测接收探测器15、第二波长接收指向控制模块16、相干探测光学单元17、相干探测接收探测器18和上位机数据处理器19；
[0027] 所述的双波长激光器1包括输出第一波长脉冲激光输出口、第二波长脉冲激光输出口和第二波长连续激光输出口，该第二波长连续激光为第二波长脉冲激光提供种子光并且为相干探测接收探测器18提供本振光，所述的双波长激光器1的第一波长脉冲激光输出口经第一波长指向控制模块2与第一波长扩束发射望远镜3的输入端相连，该第一波长扩束发射望远镜3向探测大气空间发射第一波长脉冲激光，作为直接探测的激光；
[0028] 所述的双波长激光器1的第二波长脉冲激光输出口经第二波长扩束镜4、第二波长光学开关5、光谱分光模块6和收发望远镜7的输入端相连，该收发望远镜7向探测大气空间发射第二波长脉冲激光，作为相干探测的激光；
[0029] 所述的双波长激光器1的第二波长连续激光输出口与所述的相干探测接收探测器18的第2输入端相连，为所述的相干探测接收探测器18提供本振光；
[0030] 所述的收发望远镜7接收大气分子散射和气溶胶散射的第一波长回波信号和第二波长回波信号输入所述的光谱分光模块6，该光谱分光模块6将入射的回波信号光分为第一波长回波信号光和第二波长回波信号光，所述的第一波长回波信号光依次经所述的中继光学模块8、滤光片9进入所述的第一波长偏振分束器10，该第一波长偏振分束器10将第一波长回波信号光分为垂直偏振光和水平偏振光，经所述的鉴频器11鉴频后，所述的垂直偏振光和水平偏振光分别输入所述的第一探测光学单元12和第二探测光学单元13，之后分别被所述的第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15接收，所述的第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15的输出端分别与所述的上位机数据处理器19的第1输入端、第一波长指向控制模块2的第2输入端相连；
[0031] 沿所述的第二波长回波信号光方向，依次是所述的相干探测收发开关模块5、相干探测指向控制模块16、相干探测光学单元17与所述的相干探测接收探测器18第1输入端相连，所述的相干探测接收探测器18的第2输出端与所述的相干探测指向控制模块16的第2输入端相连，所述的相干探测接收探测器18的第1输出端与所述的上位机数据处理器19第2输入端相连。
[0032] 所述的双波长激光器1同时产生第一波长和第二波长两种波长的激光，第一波长激光是第二波长激光倍频光。
[0033] 利用上述混合探测多普勒激光雷达风速测量系统的测量方法，该方法包括下列步骤：
[0034] 1)所述的大气风场分布多普勒激光雷达系统启动后，所述的双波长激光器1的第一波长脉冲激光输出口输出的第一波长脉冲激光经第一波长指向控制模块2、第一波长扩束发射望远镜3向探测大气空间发射第一波长脉冲激光，作为直接探测的激光；
[0035] 2)所述的双波长激光器1的第二波长脉冲激光输出口输出的第二波长脉冲激光经第二波长扩束镜4、第二波长光学开关5、光谱分光模块6和收发望远镜7，该收发望远镜7向探测大气空间发射第二波长脉冲激光，作为相干探测的激光；所述的双波长激光器1的第二波长连续激光输出口与所述的相干探测接收探测器18的第2输入端相连，为所述的相干探测接收探测器18提供本振光；
[0036] 3)所述的收发望远镜7接收大气分子散射和气溶胶散射的第一波长回波信号和第二波长回波信号输入所述的光谱分光模块6，该光谱分光模块6将入射的回波信号光分为第一波长回波信号光和第二波长回波信号光，所述的第一波长回波信号光依次经所述的中继光学模块8、滤光片9进入所述的第一波长偏振分束器10，该第一波长偏振分束器10将第一波长回波信号光分为垂直偏振光和水平偏振光，经所述的鉴频器11鉴频后，所述的垂直偏振光和水平偏振光分别输入所述的第一探测光学单元12和第二探测光学单元13，之后分别被所述的第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15接收，所述的第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15接收的信息一方面输入所述的上位机数据处理器19，经上位机数据处理器19数据处理后反演出直接的大气风场信息；
[0037] 4)所述的第二波长回波信号光依次经所述的相干探测收发开关模块5、相干探测指向控制模块16、相干探测光学单元17与所述的相干探测接收探测器18第1输入端输入所述的相干探测接收探测器18，与从所述的相干探测接收探测器18的第2输入端输入的第二波长连续激光形成相干探测接收，该相干探测信息输入所述的上位机数据处理器19数据处理后反演出相干探测的大气风场信息；
[0038] 5)所述的第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15接收的信息输入所述的第一波长指向控制模块2以调节所述的第一波长扩束发射望远镜3的光轴指向；所述的相干探测接收探测器18接收的第二波长回波信号光通过第二波长指向控制模块16调节所述的相干探测光学单元17的光轴指向。因此保证了直接探测光路和相干探测收发光路的共轴性；
[0039] 6)所述的上位机数据处理器19将所述的直接的大气风场信息和所述的相干探测的大气风场经信息合并和数据融合处理后得到高精度、大测量范围的大气风场信息。
[0041] 实例中第一波长为355nm，第二波长为1064nm，其中355nm波长为1064nm波长的三倍频。
[0042] 如图1所示，本发明大气风场分布多普勒激光雷达系统主要包括四个部分：激光发射源、相干探测收发单元、直接探测接收单元和收发望远镜模块。一种基于多普勒测风原理同时利用直接探测和相干探测体制对大气风场垂直剖面进行混合探测的激光雷达装置。它包括以下模块：355nm和1064nm双波长激光器模块1、355nm指向控制模块2、355nm发射扩束望远镜模块3、1064nm扩束镜4、光学收发开关5、光谱分光模块6、收发望远镜7、中继光学模块8)、滤光片9、355nm偏振分束器10、FP鉴频器11、第一直接探测光学单元12、第二直接探测光学单元13、第一直接探测接收探测器14、第二直接探测接收探测器15、1064nm接收指向控制系统16、相干探测光学单元17、相干探测接收探测模块18、上位机数据处理器19。
[0044] 所述355nm和1064nm的双波长激光器1同时输出355nm和1064nm脉冲激光及1064nm连续激光，1064nm连续激光为1064nm脉冲激光提供种子光并且为1064nm相干探测接收探测器18提供本振光，1064nm脉冲激光经由1064nm扩束镜41064nm光学开关5和收发望远镜7作为相干探测1064nm脉冲激光光源入射到大气中。双波长激光器1同时输出355nm脉冲激光，经过355nm波长指向控制模块2、355nm波长扩束发射望远镜3作为直接探测的355nm激光光源入射到大气中。大气分子散射的355nm回波信号以及大气气溶胶散射的1064nm回波信号由收发望远镜7接收，通过355nm和1064nm波长光谱分光模块6反射后，355nm信号光，经过中继光学模块8进行光束变换，然后进入滤光片9和355nm偏振分束器10分为垂直和平行偏振的两束光进入双法珀干涉仪鉴频器11，之后经第一探测光学单元12和第二探测光学单元13被第一直接探测接收探测器14和第二直接探测接收探测器15接收，最终经上位机数据处理器19数据处理后反演出直接探测技术测量的大气风场信息。由355nm和1064nm波长光谱分光模块6得到的1064nm信号光，通过光谱分光模块6透射，经过收发开关模块5、相干探测指向控制模块16，由相干探测接收探测器18接收，经上位机数据处理器19数据处理后反演出相干探测技术测得的大气风场信息。
[0045] 最后，再将直接探测得到的大气风场信息与相干探测得到的大气风场经由上位机数据处理器19信息合并和数据融合后得到高精度、大测量范围的大气风场信息。
[0046] 本发明实施的基于混合探测多普勒技术大气风场分布的激光雷达系统具体流程是：
[0047] 355nm和1064nm的双波长激光器同时输出355nm和1064nm脉冲激光及1064nm连续激光，355nm脉冲激光采用独立扩束镜发射，1064nm脉冲激光同轴发射和接收，355nm和1064nm激光共用收发望远镜，激光经过大气中气溶胶和分子后向散射产生了多普勒频移，携带着大气风速信息被接收望远镜7接收后，经分光镜6对1064nm和355nm进行分光，1064nm信号光进入相干探测单元，与355nm/1064nm双波长激光器输出的连续本振光进行相干混频，由其中相干探测模块探测器18接收，采集后得到不同海拔的大气气溶胶粒子后向散射信号，再通过数据处理
算法，得出相干探测体制处理出的大气风场信息。分光镜6分光得到的另一束信号光进入直接探测接收单元，先后经过中继光学模块和DFP干涉仪鉴频器后由探测器接收，得到利用大气分子后向散射的355nm信号光，通过直接探测体制反演算法计算大气风场信息。两种探测方法各有各的优点，相干探测体制采用1064nm脉冲激光获得大气气溶胶后向散射信息，有更高的信噪比，直接探测体制采用355nm脉冲激光获得大气分子散射信息，具有更远的探测范围。最后将两种探测体制得到的风场信息进行拼接和数据融合，得到高信噪比且探测范围更广的风场信息。在系统中采用了指向控制系统，通过探测器接收到的真实信号强度来分别对直接探测望远镜和相干探测接收光学单元进行与收发望远镜光轴的光轴矫正，保证直接探测和相干探测收发光路的共轴性，减少收发光轴不一致导致的性能下降。
