專利名稱：一種2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，特別是一種使用2 ym全光纖聲 光移頻器的人眼安全2 u m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是采用自由空間光路結(jié)構(gòu)，缺點是結(jié)構(gòu)體積大，由于采用 了大量的光學(xué)元件，其成本高，調(diào)節(jié)困難，穩(wěn)定性差，可操作性不強(qiáng)，并且需要反復(fù)的校準(zhǔn)調(diào) 節(jié)。隨著激光技術(shù)和光通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是光纖技術(shù)的迅速發(fā)展，給激光雷 達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來了契機(jī)。因此，很多國內(nèi)外科研工作者都把目光轉(zhuǎn)移到到了光纖技術(shù) 上，希望通過低成本，高光束傳輸質(zhì)量的光纖器件來解決傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的種種問 題。直至現(xiàn)在，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種技術(shù)方案，特別是光通信波段的雷達(dá)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)已經(jīng)充分達(dá)到了全光纖化和小型化的要求，而對于常用的光通訊波段1. 5 y m雷達(dá)系 統(tǒng)，其主要優(yōu)點是人眼可承受的光強(qiáng)要比2pm處高10倍以上。但這種激光器技術(shù)不太成 熟，有效測量距離近，效率低，使得光通信波段的雷達(dá)系統(tǒng)未能得到廣泛的應(yīng)用。近十年來，2i!m激光器得到了飛速發(fā)展。2i!m激光器主要特點是系統(tǒng)無需制冷， 泵浦能量耦合效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，光束質(zhì)量好，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊。尤其是2 u m左右的二極 管泵浦固體激光器是相干激光雷達(dá)的最佳匹配。為了提高對小尺度渦流擾動測量的分辨 率和分析精度，促進(jìn)了 2 ym相干激光雷達(dá)的發(fā)展，目前，美國、英國、德國、法國、荷蘭、愛爾 蘭、日本等國都致力于2 ym固體激光器、探測器、光學(xué)系統(tǒng)及其性能測試和測量地球大氣、 地球風(fēng)場等應(yīng)用方面的研究，這使得2 u m相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)成為了國內(nèi)外研究熱 點o但是，2 u m光纖器件的發(fā)展比較落后，沒有跟上2 u m激光器技術(shù)發(fā)展的步伐。因 此，目前的2 y m相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都存在各自的問題，即沒有完全解決 接收光學(xué)系統(tǒng)的全光纖小型化問題，不能滿足目前車載、空載和星載2 u m相干激光多普勒 測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)小型化的要求。總之，現(xiàn)有的2 u m相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)方案都存在或 多或少的不足，無法同時達(dá)到成本低、人眼安全、穩(wěn)定性好、實時性好、可操作性強(qiáng)、有效測 量距離遠(yuǎn)、測量(測速和測距)精度高和全光纖小型化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種使用2 u m全光纖聲光移頻器的人眼安全2 y m相 干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種2 ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于2i!m 全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)包括該2 u m收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)、2 P m激光光束分光系統(tǒng)、2 y m線偏振種子注入激光器放大級、2 y m監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2 u m 平衡式外差探測系統(tǒng)。所述的2 u m種子注入激光器放大級包括2 u m連續(xù)線偏振激光種子 源、2 y m線偏振脈沖激光放大級、2 y m全光纖聲光移頻器、2 y m在線式光纖分束器和2 u m 分束鏡。所述2 y m全光纖聲光移頻器在射頻驅(qū)動信號源作用下，分別產(chǎn)生零級和一級衍射 光，一級衍射光保持入射激光的頻率，而一級衍射光相對于入射激光將會產(chǎn)生頻率移動，其 頻率移動大小等于射頻驅(qū)動信號源的頻率。2 ym全光纖聲光移頻器的衍射效率為95%，帶 寬10MHz，移頻范圍為95 105MHz，射頻驅(qū)動功率0. 5W，中心頻率100MHz，布拉格衍射角 為41°，2 ym全光纖聲光移頻器所使用的聲光晶體為氧化物玻璃，其折射率為2. 7，激光損 傷閾值為3W/mm2，聲速為2. 52X 103m/s，品質(zhì)因數(shù)為1. 64xl0"13m2/w,并且2 y m全光纖聲光 移頻器的激光輸入、零級和一級全為2 y m單模保偏光纖輸出，輸入和輸出端口類型為FC/ APC。2 u m連續(xù)線偏振種子激光器發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器后分成兩束，其中一 束種子光作為本振光，本振光被在線式光纖分束器分成兩束；另一束種子光經(jīng)2 u m全光纖 聲光移頻器移頻后注入到2 u m線偏振脈沖激光放大級中，經(jīng)放大級放大的線偏振激光通 過2 y m分光鏡分成兩束，反射光被2 u m單模準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光纖與一束本振光通過合束 器合束后注入到2 y m監(jiān)測探測器中；而透射光被預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束，擴(kuò)束的線偏振光經(jīng)2 u m 強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡和四分之一波片后入射，到光學(xué)天線的次鏡反射面上，之后線 偏振光又被次鏡反射到主鏡反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng)望遠(yuǎn) 鏡主鏡、次鏡、四分之一波片后被2 u m強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡反射，反射光經(jīng)二分之 一波片后被2 u m單模光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光纖，進(jìn)入光纖的線偏振激光與另一束本振光 通過在線式光纖合束器合束后注入到2 u m平衡式探測器中。上述的2 i! m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述2 i! m離軸卡塞格倫光 學(xué)天線系統(tǒng)包括光學(xué)天線主鏡和次鏡，主鏡有效口徑150mm，次鏡有效口徑10mm，主鏡離軸 量為190mm，次鏡離軸量12. 67mm。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述光學(xué)天線主鏡和次鏡 反射部分表面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。進(jìn)一步地，所述的2 ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述光學(xué)天線主 鏡和次鏡反射部分表面的面型一般為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述2 u m激光光束分光系 統(tǒng)包括2 u m強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡、四分之一波片和二分之一波片，所述2 y m強(qiáng)激光 立方體偏振分光棱鏡的分光面鍍有多層特殊偏振膜。進(jìn)一步地，所述多層特殊偏振膜對S偏振光全透，對P偏振光全反。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述2 u m種子注入激光器 放大級包括2 P m連續(xù)線偏振激光種子源、2 y m線偏振脈沖激光放大器、2 y m在線式光纖分 束器和2iim分束鏡。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述2 u m監(jiān)測探測器系統(tǒng) 包括2 u mlnGaAs光電探測器、光纖合束器和2 u m光纖準(zhǔn)直器。進(jìn)一步地，所述2 u m單模光纖準(zhǔn)直器的耦合效率為80%以上。上述的2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中，所述2 u m平衡式外差探測 系統(tǒng)包括2 u m平衡式InGaAs光電探測器、2 y m單模光纖準(zhǔn)直器和在線式光纖合束器。
進(jìn)一步地，所述2 P m平衡式InGaAs光電探測器可以達(dá)到衍射極限水平，充分消除 散粒噪聲對外差信噪比的影響。采取上述技術(shù)方案，可以成功地彌補(bǔ)了自由空間光路存在環(huán)境干擾的缺陷，克服 了散粒噪聲對外差探測信噪比的影響，而且成功地解決了 2 ym全光纖相干激光多普勒測 風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)全光纖小型化的問題，使2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加 緊湊，此外，本發(fā)明同時具有激光對于人眼安全、光路采用柔性光纖器件連接、可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、成本低、實時性好、有效測量距離遠(yuǎn)和測量(測速和測距)精度高等特 點，在相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)領(lǐng)域具有很高的實用價值。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是2 y m離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是2iim分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是2 ii m全光纖聲光移頻器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是2 y m單模光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是2 y m平衡式光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)一種結(jié)構(gòu)示意具體實施例方式圖1是2i!m離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。包括光束轉(zhuǎn)折器45°平面 反射鏡101和102、光學(xué)天線主鏡103、次鏡104和大氣105。所述光學(xué)天線采用收發(fā)合置 的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結(jié)構(gòu)，雙反射系統(tǒng)中采用二次曲面來達(dá)到消除各種初級象差， 發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計主要考慮激光的光束截斷以及激光照射到目標(biāo)后的散斑效應(yīng)。發(fā)射光 學(xué)天線系統(tǒng)的發(fā)射光束直徑10mm，發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm， 有效口徑為150mm ；次鏡口徑為12. 7mm，有效孔徑為10mm。主鏡103和次鏡104都選用的 非球面面型均為二次拋物面。主鏡103面型為拋物面，主鏡103頂點曲率半徑1500mm，主 鏡的離軸量為190mm，次鏡104面型同樣為拋物面，次鏡104頂點的曲率半徑100mm，次鏡 104的離軸量為12. 67mm。系統(tǒng)視場角為0. lmrad，達(dá)到了衍射極限水平；接收光學(xué)天線有 效主口徑為150mm，瞬時視場角與相干接收視場角匹配2 = 0. 017mrad，系統(tǒng)有效焦距f' =4500mm，成像質(zhì)量要求達(dá)到衍射極限水平，波前畸變要求小于X/20 ；當(dāng)光學(xué)天線系統(tǒng)的 有效口徑為150mm，波長為2 iim，作用距離為R = 1 □ 10km時，在弱湍流C 2 = 10_15情況下，系 統(tǒng)的天線效率為0. 51，在強(qiáng)湍流0=10_13下，系統(tǒng)的天線效率為0. 03。其中，光學(xué)天線主鏡 103由特殊材料制成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金 屬材料，其主鏡反射表面鍍有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜，反射表面面型為 雙曲面，也可以根據(jù)具體需要制成球面、橢球面和拋物面。光學(xué)天線次鏡104由特殊材料制 成，所述特殊材料包括玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料，其次鏡反 射表面鍍有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜，次鏡104反射表面面型為拋物面， 同樣可以實際需要制成球面、橢球面和雙曲面。光束轉(zhuǎn)折器45°平面反射鏡101和102表 面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。當(dāng)激光入射到45°平面反射鏡101上時，細(xì)心調(diào)節(jié)使其法線方向與入射光光軸方向成45°時入射光被反射到45°平面反射鏡102上，同樣 調(diào)節(jié)后使其反射光入射到光學(xué)天線次鏡104的反射面上，被次鏡104反射的光又入射到光 學(xué)天線主鏡103反射面上，被主鏡103反射的光直接射向大氣。圖2是2 ii m分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。包括預(yù)擴(kuò)束器201、2 y m強(qiáng)激光立方體偏振分 光棱鏡202、四分之一波片203、二分之一波片204、光學(xué)天線205和大氣206。其中，2 y m強(qiáng) 激光立方體偏振分光棱鏡202的分光部分表面207鍍有特殊的偏振膜，此偏振膜的特點是 針對特定S偏振光全反，與其特定S偏振方向正交的P偏振光則全透，2 u m強(qiáng)激光立方體 偏振分光棱鏡由高透過率材料制成，所述的高透過率材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、 ZnSe、鍺片和硅片等，其結(jié)構(gòu)通常為平板型和立方體型，可以根據(jù)具體需要任意選型。當(dāng)入 射S偏振光經(jīng)預(yù)擴(kuò)束器擴(kuò)束后入射到分光面207時，調(diào)節(jié)偏振分光鏡的分光面位置，使其絕 大部分光透射，透射的S偏振光經(jīng)過四分之一波片203變成圓偏振光，此圓偏振光通過光學(xué) 天線后進(jìn)入大氣206，經(jīng)過大氣206后向散射的圓偏振光經(jīng)相同的四分之一波片203，由于 其偏振方向發(fā)生了變化，變成了 P偏振光，當(dāng)入射到分光面207上時反射膜起主導(dǎo)作用，絕 大部分光被反射，反射線偏振光正入射到二分之一波片204進(jìn)行偏振態(tài)校正后又變成S偏 振光。圖3是2iim全光纖聲光移頻器結(jié)構(gòu)示意圖。包括激光入射端301、會聚透鏡302、 準(zhǔn)直透鏡303、一級光輸出端304、準(zhǔn)直透鏡305、零級輸出端306、射頻驅(qū)動信號源307和 聲光介質(zhì)308。2 iim全光纖聲光移頻器的衍射效率為95%，帶寬10MHz，移頻范圍為95 105MHz，射頻驅(qū)動功率0. 5W，中心頻率100MHz，布拉格衍射角為41°，2 y m全光纖聲光移 頻器所使用的聲光晶體為氧化物玻璃，其折射率為2. 7，激光損傷閾值為3W/mm2，聲速為 2. 52X 103m/s,品質(zhì)因數(shù)為1. 64xl0-13m2/w,并且2 y m全光纖聲光移頻器的激光輸入、零級 和一級全為2 u m單模保偏光纖輸出，輸入和輸出端口類型為FC/APC。2 u m全光纖聲光移頻器是基于布拉格衍射原理制成的，其在射頻驅(qū)動器的作用下 可以對入射光進(jìn)行頻率調(diào)制，使一級光衍射頻率產(chǎn)生頻移。當(dāng)2 ym連續(xù)激光種子源激光器 發(fā)射激光經(jīng)過2 u m在線式光纖分束器分成兩束后，一束進(jìn)入在線式光纖分束器，另一束則 進(jìn)入2 y m全光纖聲光移頻器中，2 u m全光纖聲光移頻器在射頻驅(qū)動信號源307作用下工 作，產(chǎn)生一級衍射光，一級衍射光注入到2 u m激光脈沖放大器中，經(jīng)功率放大后的線偏振 光被2 y m分光鏡分成一束反射光和一束透射光，通常透射光的效率較高，在99 %左右，透 射光可以經(jīng)過與擴(kuò)束器對入射光束進(jìn)行預(yù)擴(kuò)束。而使用2 ym全光纖聲光移頻器的好處在 于可以將激光器的頻率移動100MHz左右。由于2 ym全光纖激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)采用外差檢 測方式來探測大氣回波的多普勒頻移來間接地反演出大氣三維風(fēng)場信息，通常風(fēng)速測量精 度要求是lm/s，風(fēng)速為士35m/s，而對于2 P m全光纖激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)來說，對應(yīng)的風(fēng)速帶 寬為70MHz，因此，根據(jù)數(shù)字信號處理的需要，為了解調(diào)出風(fēng)速的大小，就要求將信號處理的 中心頻率移動100MHz左右，這樣處理還有一個好處就是可以克服信號處理器的1/f噪聲， 所以，就可以利用2 ym全光纖聲光移頻器來達(dá)到中心頻率移動100MHz的目的。這對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是很好理解的。圖4是2 y m單模光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖準(zhǔn)直器包括光纖尾纖401、光纖 插針402、金屬套管403、梯度折射率透鏡404、玻璃套管407、和光纖連接器406。其中，單 模光纖尾纖401穿入并固定在插針402中心，將插針402表面進(jìn)行拋光處理后，將梯度折射率透鏡404和光纖插針402 —起放入玻璃套管中實現(xiàn)對準(zhǔn)，同時金屬套管將套在玻璃套管 外面，起到保護(hù)作用。所述梯度折射率透鏡404和光纖插針402端面采用斜面、球形連接， 接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于 90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入 損耗小于0. 5dB，斜面拋光后反射損耗可達(dá)68dB，極好地隔離了后向散射光對激光器影響。 同時，插針402的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針402與梯度折射率透鏡404接 觸的斜面必須進(jìn)行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來支撐光纖或光纖軟纜以釋放 應(yīng)力。梯度折射率透鏡404由透明材料制成，所述透明材料包括硅片和氧化物玻璃等，其梯 度折射率透鏡404的入射端面形狀為球面，也可以根據(jù)實際需要制成平面、橢球面、錐面和 楔形面，梯度折射率透鏡的兩個端面鍍有增加測試光源發(fā)射光束透射效率的增透膜。玻璃 套管407由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、透明塑料和陶瓷。金屬套管 403由金屬材料制成，所述金屬材料包括金、銅、鋁、鋼等。系統(tǒng)所用2 ym光纖準(zhǔn)直器外徑 為15mm，有效通光口徑10mm，長為50mm，對于準(zhǔn)平行光的耦合效率為86%左右。將各器件 按照圖4所示組裝好，當(dāng)激光入射到梯度折射率透鏡404表面時，細(xì)心調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器的位置， 可以找到耦合效率最大的位置。圖5是2iim平衡式光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5(b)所示包括信號光510、本振 光511、光電探測器512和513、前置放大器514和515、濾波器516和517、加法器或差分器 518、中頻電流519及分束器520。2 ym平衡式光電探測器依據(jù)平衡式外差監(jiān)測理論IIF=IP1 -IP2 =2i 7^cos[-K -0)lo)t + M>\ + iJJ、-iJjt、⑴設(shè)計而成。其中，inl (t)、in2(t)——分別表示兩支路中的散粒噪聲電流。所用2 y m 平衡式光電探測器光敏面口徑為1mm左右，帶寬150MHz，靈敏度0. 65A/W，可以達(dá)到衍射極 限水平，充分消除散粒噪聲對外差信噪比的影響。當(dāng)在一個探測單元上同時制作兩個參數(shù)幾乎完全相同的PIN光電二極管時，入射 的信號光510和本振光分別經(jīng)過分束器520分為兩束，然后分別入射到兩個參數(shù)匹配的兩 個反向(或同向時，在其中一路加入一個180°移相器)光電探測器513和514光敏面上進(jìn) 行光混頻，各自產(chǎn)生外差信號，分別通過前置放大器514和515后進(jìn)入各自光路中的濾波器 516和517，最后經(jīng)濾波的兩路外差信號的中頻電流經(jīng)加法器518 (或差分器)輸出平衡外 差中頻電流信號I。ut。平衡接收機(jī)與單探測器接收機(jī)相比，有兩個重要的優(yōu)點①能有效的 抑制本振激光過剩強(qiáng)度的噪聲，提高系統(tǒng)的靈敏度；②能充分利用本振激光器的能量。圖6是2 y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。包括2 y m連續(xù)線偏振 激光種子源601、2 y m線偏振脈沖激光放大器602、2 y m全光纖聲光移頻器603、在線式光 纖分束器604及605、2 ii m分光鏡606、2 y m單模光纖準(zhǔn)直器607、預(yù)擴(kuò)束器608、2 y m強(qiáng)激 光立方體分光棱鏡609、四分之一波片610、2 y m離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)次鏡611、主鏡 612、二分之一波片613、2 y m單模光纖準(zhǔn)直器614、在線式光纖合束器615及616、2 y m監(jiān)測 探測器617和2 y m平衡式外差探測器618。在收發(fā)合置的離軸卡塞格倫光學(xué)天線調(diào)試完畢之后，2 u m連續(xù)線偏振種子激光器 601發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器604后分成兩束，其中一束種子光作為本振光，本振 光被在線式光纖分束器605分成兩束；另一束種子光經(jīng)2 u m全光纖聲光移頻器603后注入 到2 y m線偏振脈沖激光放大器602中，經(jīng)放大器放大的線偏振激光通過2 u m分光鏡606分成兩束，反射光被2 u m單模準(zhǔn)直器607耦合進(jìn)入光纖與一束本振光通過在線式光纖合束 器615合束后注入到2 u m監(jiān)測探測器617的光敏面上，用來監(jiān)測種子源激光器頻率的穩(wěn) 定性；而透射光被預(yù)擴(kuò)束器608擴(kuò)束，擴(kuò)束的線偏振光經(jīng)2 u m強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡 609和四分之一波片610后入射到光學(xué)天線的次鏡611反射面上，之后線偏振光又被次鏡反 射到主鏡617反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡611、次 鏡612、四分之一波片610后被2 y m強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡609反射，反射光經(jīng)二分之 一波片613后被2 y m單模光纖準(zhǔn)直器614耦合進(jìn)入光纖，進(jìn)入光纖的線偏振激光與另一束 本振光通過在線式光纖合束器616合束后注入到2 u m平衡式探測器618光敏面上，通過示 波器可以觀察外差信號的波形，然后經(jīng)后續(xù)的信號處理既可以反演出風(fēng)場的相關(guān)信息。其中，本振光要求是連續(xù)的，因此，在2 P m連續(xù)種子源激光器601分出一路做本振 光，分別與脈沖激光放大器602和回波信號光進(jìn)行拍頻，從而觀察外差信號波形。激光器發(fā)射系統(tǒng)采用的種子注入放大方式，性能良好的激光器種子源601注入到 脈沖調(diào)制放大器602中，經(jīng)過放大的脈沖激光通過收發(fā)合置的離軸卡塞格倫光學(xué)天線發(fā)射 到大氣中，之后與大氣中的氣溶膠粒子相互作用產(chǎn)生后向散射攜帶大氣多普勒頻移信息的 回波信號，其又經(jīng)過收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學(xué)天線接收，然后與本振光進(jìn)行外差來獲取 多普勒頻移信息，當(dāng)觀察到外差信號頻域波形之后，便可以通過數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行實 時的大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)采集，從而根據(jù)多普勒頻移來反演出三維風(fēng)場信息和風(fēng)切變的變化規(guī) 律。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的2pm全光纖相干 激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了 詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換， 都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
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權(quán)利要求
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)包括該2μm收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)、2μm激光光束分光系統(tǒng)、2μm線偏振種子注入激光器放大級、2μm監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2μm平衡式外差探測系統(tǒng)。所述的2μm種子注入激光器放大級包括2μm連續(xù)線偏振激光種子源、2μm線偏振脈沖激光放大級、2μm全光纖聲光移頻器、2μm在線式光纖分束器和2μm分束鏡。所述2μm全光纖聲光移頻器在射頻驅(qū)動信號源作用下，分別產(chǎn)生零級和一級衍射光，一級衍射光保持入射激光的頻率，而一級衍射光相對于入射激光將會產(chǎn)生頻率移動，其頻率移動大小等于射頻驅(qū)動信號源的頻率。2μm全光纖聲光移頻器的衍射效率為95％，帶寬10MHz，移頻范圍為95～105MHz，射頻驅(qū)動功率0.5W，中心頻率100MHz，布拉格衍射角為41°，2μm全光纖聲光移頻器所使用的聲光晶體為氧化物玻璃，其折射率為2.7，激光損傷閾值為3W/mm2，聲速為2.52×103m/s，品質(zhì)因數(shù)為1.64x10-13m2/w，并且2μm全光纖聲光移頻器的激光輸入、零級和一級全為2μm單模保偏光纖輸出，輸入和輸出端口類型為FC/APC。2μm連續(xù)線偏振種子激光器發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器后分成兩束，其中一束種子光作為本振光，本振光被在線式光纖分束器分成兩束；另一束種子光經(jīng)2μm全光纖聲光移頻器后注入到2μm線偏振脈沖激光放大級中，經(jīng)放大級放大的線偏振激光通過2μm分光鏡分成兩束，反射光被2μm單模準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光纖與一束本振光通過合束器合束后注入到2μm監(jiān)測探測器中；而透射光被預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束，擴(kuò)束的線偏振光經(jīng)2μm強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡和四分之一波片后入射，到光學(xué)天線的次鏡反射面上，之后線偏振光又被次鏡反射到主鏡反射面上，最終射向大氣；被大氣后向散射的光又依次經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡、次鏡、四分之一波片后被2μm強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡反射，反射光經(jīng)二分之一波片后被2μm單模光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光纖，進(jìn)入光纖的線偏振激光與另一束本振光通過在線式光纖合束器合束后注入到2μm平衡式探測器中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)包括光學(xué)天線主鏡和次鏡，主鏡有效口徑150mm，次鏡 有效口徑10mm，主鏡離軸量為190mm，次鏡離軸量12. 67mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的2u m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述光學(xué)天線主鏡和次鏡反射部分表面鍍有增加激光光束反射效率的高反膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的2u m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述光學(xué)天線主鏡和次鏡反射部分表面的面型為拋物面、橢球面、雙曲面和球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m激光光束分光系統(tǒng)包括2 u m強(qiáng)激光立方體偏振分光棱鏡、四分之一波片和二分之 一波片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m監(jiān)測探測器系統(tǒng)包括2 u m InGaAs光電探測器、在線式光纖合束器和2 u m單模光纖準(zhǔn)直器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的2y m全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 i! m單模光纖準(zhǔn)直器的耦合效率為80%以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 P m平衡式外差探測系統(tǒng)包括2 u m平衡式InGaAs光電探測器、2 y m單模光纖準(zhǔn)直器和在線式光纖合束器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的2 ym全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m平衡式InGaAs光電探測器可以達(dá)到衍射極限水平，充分消除散粒噪聲對外差信噪 比的影響。
全文摘要
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，其系統(tǒng)由2μm離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)、2μm激光光束分光系統(tǒng)、2μm種子注入激光器放大級、2μm監(jiān)測探測器系統(tǒng)和2μm平衡式外差探測系統(tǒng)構(gòu)成。彌補(bǔ)了自由空間光路存在環(huán)境干擾的缺陷，克服了散粒噪聲對外差接收信噪比的影響，解決了2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)全光纖小型化的問題，使2μm全光纖相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，此外，本發(fā)明還具有激光對于人眼安全、光路采用柔性光纖器件連接、可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、成本低、實時性好、有效測量距離遠(yuǎn)和測量(測速和測距)精度高等特點，在相干激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)領(lǐng)域具有很高的實用價值。
文檔編號G01S17/95GK101825713SQ20091021740
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)