技术领域
[0001] 本
发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，尤其涉及一种相干光路的分子散射多普勒激光雷达。
背景技术
[0002] 多普勒测
风激光雷达以其高
分辨率，高
精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能
力，引起了世界多个国家的关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。按照探测方式不同，多普勒测风激光雷达技术可分为相干技术和非相干(直接探测)技术.[0003] 相干光路的分子散射多普勒激光雷达具有成本低、可移动性强、高适应性等特点，在气象科学、商业和军事方面都有着广泛的应用，前景十分广阔，而且是星载测风激光雷达必经的前期阶段。目前，国际上许多国家都在开展这方面的研究：
[0004] 美国机载大气风场相干测量
传感器(MACAWS)
[0005] 机载大气风场相干
测量传感器MACAWS(Multi-center AirborneCoherent Atmospheric Wind Sensor)是一种利用机载脉冲多普勒激光雷达扫描测量
对流层和同温层三维风场及
气溶胶散射的测量系统。用于研究
气候和
水文模型，以及对未来的星载多普勒测风激光雷达进行性能评估，并积累研制经验。该系统是由NASA全球水文气候研究中心的大气遥感工作组、NASA
马歇尔空间飞行中心(MSFC)、NOAA环境技术实验室(ETL)以及NASA喷
气动力实验室(JPL)共同开发研制的，装载于NASA的DC-8喷气式飞机。系统的设计思路和仪器设备多是基于原有的实验测量系统和车载多普勒激光雷达Windvan。
[0006] 欧空局(ESA)德法合作机载相干测风激光雷达
[0007] 德法合作开发的多普勒激光雷达用于测量中尺度大气风场，该项目同时也是为ESA的ADM(Atmospheric Dynamic Mission)计划中的星载测风激光雷达ALADIN系统作预研。该激光雷达系统采用10.64um
波长激光器，激光的发射和接收在飞机底部，可以在与天底
角夹角30度范围内扫描，测得飞机飞行高度以下的三维风场。
[0008] 美国NOAA的相干HRDL(High Resolution Doppler Lidar)系统
[0009] 将改装后的HRDL系统安装在DLR的Falcon飞机上，一同与DLR-DIAL的水汽雷达系统进行了飞行测量测量实验，目的在于测量
边界层的水平和垂直风速结构，以及测量水汽通量剖面。该系统采用波长为2.0218um的激光，脉冲
能量为1.5mJ，激光的重复
频率为200Hz。
[0010] 由此可见，目前，国际上机载测风激光雷达大都采用相干Doppler测量，但相干测量只能测量气溶胶粒子散射
信号，无法在
平流层等气溶胶稀少的高层大气进行风速测量。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种相干光路的分子散射多普勒激光雷达，具有开发成本低、体积小的优点。
[0012] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0013] 一种相干光路的分子散射多普勒激光雷达，包括：可调谐
脉冲激光器、第一与第二光纤分束器、扩束器、偏振分束器、λ/4波片、透射望远镜、汇聚透镜与激光频率测量装置；其中：
[0014] 所述可调谐脉冲激光器、第一光纤分束器、扩束器、偏振分束器、λ/4波片及透射望远镜依次相连；所述偏振分束器的一端还连有汇聚透镜；所述第二光纤分束器的A端口与第一光纤分束器2相连，B端口与汇聚透镜相连，接收汇聚透镜汇聚的平行光束，C端口与激光频率测量装置相连。
[0015] 所述可调谐脉冲激光器发射激光的波长包括：355nm、532nm、1064nm。
[0016] 所述激光频率测量装置包括：
[0017] 依次连接的双通道Fabry-Perot标准具、光电探测器、
数据采集卡、高速
数据处理卡及工控机。
[0018] 所述第一光纤分束器的分数比为9：1，经所述第一光纤分束器将可调谐脉冲激光器射出的激光分为两束，其中能量较强的一束作为测量用的发射激光射入扩束器，另外一束则作为激光频率测量和
锁定用光，经第二光纤分束器射入激光频率测量装置。
[0019] 所述透射望远镜为收发同制的信号收发装置，用于将激光发射至大气中，并接收到后向散射信号。
[0020] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，一方面，采用可调谐脉冲光纤激光器，脉宽小、环境适应性强、体积小，保证了测量精度，大大降低了整个系统所占空间，可应用在对体积要求较高的场合，如机载等；另一方面，采用直接探测的方法，接收分子散射光做频率分析，从而可测量气溶胶稀少的高层大气的风速。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明
实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0022] 图1为本发明实施例提供的一种相干光路的分子散射多普勒激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0024] 实施例
[0025] 图1为本发明实施例提供的一种相干光路的分子散射多普勒激光雷达的结构示意图。如图1所示，其主要包括：可调谐脉冲激光器1、第一与第二光纤分束器(2与8)、扩束器3、偏振分束器4、λ/4波片5、透射望远镜6、汇聚透镜7与激光频率测量装置9；其中：
[0026] 所述可调谐脉冲激光器1、第一光纤分束器2、扩束器3、偏振分束器4、λ/4波片5及透射望远镜6依次相连；所述偏振分束器4的一端还连有汇聚透镜7；所述第二光纤分束器8的A端口与第一光纤分束器2相连，B端口与汇聚透镜7相连，接收汇聚透镜7汇聚的平行光束，C端口与激光频率测量装置9相连。
[0027] 进一步的，所述可调谐脉冲激光器发射激光的波长包括：355nm、532nm、1064nm。
[0028] 进一步的，所述激光频率测量装置包括：依次连接的双通道Fabry-Perot标准具、光电探测器、数据采集卡、高速数据处理卡及工控机。
[0029] 进一步的，所述第一光纤分束器2的分数比为9：1，经所述第一光纤分束器2将可调谐脉冲激光器射出的激光分为两束，其中能量较强的一束作为测量用的发射激光射入扩束器3，另外一束则作为激光频率测量和锁定用光，经第二光纤分束器8射入激光频率测量装置9。
[0030] 进一步的，所述透射望远镜为收发同制的信号收发装置，用于将激光发射至大气中，并接收到后向散射信号。
[0031] 为了便于理解，下面针对上述激光雷达的工作过程及原理做详细说明。
[0032] 本实施例中，可调谐脉冲激光器1发射激光的波长为532nm，其功率为100mW，光斑直径约6mm，谱线宽度为10kHZ，激光器可根据工控机发送的指令调节发射激光的中心波长。
[0033] 出射激光进入第一光纤分束器2后被分为两束，所述第一光纤分束器2的分数比为9：1，其中能量较强的一束作为发射激光射入扩束器3，另外一束则作为激光频率测量和锁定用光，经第二光纤分束器8射入激光频率测量装置9。
[0034] 作为测量用的发射激光经扩束镜3扩束
准直后进入偏振分束器4；偏振分束器4立方体可以把随机偏振光束分为垂直和平行偏振光(P光和S光)，S偏振光束反射，与入射光束方向成90°角，而P偏振态光束则可透过偏振分束器4。
[0035] 偏振分束器4出射的线偏振光到达λ/4波片5。λ/4波片5是用具有双折射特性的材料制作的，这种材料能在波片的快、慢
主轴之间引入
相位差。λ/4波片5使得快轴和慢轴之间产生四分之一波长的
相位差，从而线偏振光经过λ/4波片5后出射光为圆偏振光。
[0036] 本发明实施例中，出射激光的发射和后向散射激光的接收采用同一套装置，透射望远镜6把经过λ/4波片5后的圆偏振光发射到大气中，并且接收大气分子的后向散射信号。透射望远镜6由两
块全反射镜组成，平行
激光束入射到凸球面反射镜，被凸球面反射镜反射后入射到凹球面反射镜，经凹球面反射镜反射后的激光成平行光出射，光束直径扩大，激光发散角变小。
[0037] 激光进入大气后，气体分子的后向散射信号被透射望远镜6所接收，接收到的激光经λ/4波片5和偏振分束器4组成的光学收发
开关后被汇聚透镜7耦合进入第二光纤分束器8的B通道；耦合后的激光与锁定用激光均经第二光纤分束器8的C通道进入测量装置9。
[0038] 本发明实施例中，激光频率测量装置采用双通道Fabry-Perot标准具，由于激光器出射激光脉冲与大气散射的激光脉冲进入标准具的时间不同，发射激光进入标准具的时间要早于大气后向散射激光进入标准具的时间，因此可用同一个探测通道测量两种激光的频率。两者频率的差值即为多普勒频率，计算机可根据测得的多普勒频率反演即可得到大气的风速。
[0039] 然而，激光器发射激光的频率会受环境及激光器自身
温度的变化而产生频率的抖动和漂移，发射频率的改变会对测量结果造成误差，为了解决这个问题，本发明实施例中的激光器采用可调谐式脉冲激光器，计算机根据探测到的出射激光频率值与预设的发射激光频率值的差值，向激光器
控制器输出
控制信号，激光器根据接收到的控制信号调整激光器发射激光的频率，从而保证发射激光频率稳定。
[0040] 本发明实施例中，通过激光雷达发射激光与大气成分相互作用，产生后向散射信号，信号中含有因风速产生的多普勒频移。信号经过透射望远镜的接收和滤光片的滤光，经由信号光纤导入所述基于非偏振棱镜分光的Fabry-Perot标准具多普勒鉴频装置。大气回波信号进入多普勒频率检测装置后，两个边缘通道的光强会随着多普勒频移量的大小发生变化，将信号频率变化转变成能量变化，由探测器和信号采集系统接收，反演得到风速。其主要具有如下优点：
[0041] 1)采用可调谐脉冲激光器，脉宽小、环境适应性强、体积小，保证了测量精度，大大降低了整个系统所占空间，可应用在对体积要求较高的场合，如机载等。
[0042] 2)接收系统采用直接探测的方法，接收分子散射光做频率分析，从而可测量气溶胶稀少的大气层高层大气的风速。
[0043] 3)将所有光纤端面均
镀有增透膜，减少了紫外波段的光在光纤中的损耗，增大了光纤的透过率。
[0044] 4)由于激光器采用可调谐式，标准具则采用固定式，实验装调后不需要再对标准具进行调整，结构更加稳定。
[0045] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
