[发明专利]一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种相干激光多普勒测风雷达系统，特别是一种使用2μm收发合置离轴卡塞格伦光学天线的人眼安全的2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统。

背景技术

传统的雷达系统结构都是采用自由空间光路结构，缺点是结构体积大，由于采用了大量的光学元件，其成本高，调节困难，稳定性差，可操作性不强，并且需要反复的校准调节。

随着激光技术和光通讯技术的迅速发展，特别是光纤技术的迅速发展，给激光雷达系统结构优化带来了契机。因此，很多国内外科研工作者都把目光转移到了光纤技术上，希望通过低成本，高光束传输质量的光纤器件来解决传统雷达系统结构存在的种种问题。

直至现在，国内外学者已经提出了多种技术方案，特别是光通信波段的雷达系统结构已经充分达到了全光纤化和小型化的要求，而对于常用的光通讯波段1.5μm雷达系统，其主要优点是人眼可承受的光强要比2μm处高10倍以上。但这种激光器技术不太成熟，有效测量距离近，效率低，使得光通信波段的雷达系统未能得到广泛的应用。

近十年来，2μm激光器得到了飞速发展。2μm激光器主要特点是：系统无需制冷，泵浦能量耦合效率高，稳定性强，光束质量好，寿命长，结构紧凑。尤其是2μm左右的二极管泵浦固体激光器是相干激光雷达的最佳匹配。为了提高对小尺度涡流扰动测量的分辨率和分析精度，促进了2μm相干激光雷达的发展，目前，美国、英国、德国、法国、荷兰、爱尔兰、日本等国都致力于2μm固体激光器、探测器、光学系统及其性能测试和测量地球大气、地球风场等应用方面的研究，这使得2μm相干激光多普勒测风雷达成为了国内外研究热点。

但是，2μm光纤器件的发展比较落后，没有跟上2μm激光器技术发展的步伐。因此，目前的2μm相干激光多普勒测风雷达系统的结构都存在各自的问题，即没有完全解决接收光学系统的全光纤小型化问题，不能满足目前车载、空载和星载2μm相干激光多普勒测风雷达系统小型化的要求。

总之，现有的2μm相干激光多普勒测风雷达系统结构优化的技术方案都存在或多或少的不足，无法同时达到成本低、人眼安全、稳定性好、实时性好、可操作性强、有效测量距离远、测量(测速和测距)精度高和全光纤小型化的要求。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种使用2μm收发合置离轴卡塞格伦光学天线的人眼安全2μm相干激光多普勒测风雷达系统。

本发明提供了一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于：该2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统包括2μm收发合置离轴卡塞格伦光学天线系统、2μm激光光束分光系统、2μm线偏振种子注入激光器放大级、2μm监测探测器系统和2μm平衡式外差探测系统。所述的2μm离轴卡塞格伦光学天线系统包括光学天线主镜和次镜，还包括预扩束系统。所述光学天线采用收发合置的离轴卡塞格伦的双发射式结构，双反射系统中采用二次曲面来达到消除各种初级象差，发射系统的参数设计主要考虑激光的光束截断以及激光照射到目标后的散斑效应。发射光学天线系统的发射光束直径10mm，发射光学天线系统放大倍数为15倍，主镜口径为160mm，有效口径为150mm；次镜口径为12.7mm，有效孔径为10mm。主镜和次镜都选用的非球面面型均为二次抛物面。主镜面型为抛物面，主镜顶点曲率半径1500mm，主镜的离轴量为190mm，次镜面型同样为抛物面，次镜顶点的曲率半径100mm，次镜的离轴量为12.67mm。系统视场角为0.1mrad，达到了衍射极限水平；接收光学天线有效主口径为150mm，瞬时视场角与相干接收视场角匹配2ω＝0.017mrad，系统有效焦距f′＝4500mm，成像质量要求达到衍射极限水平，波前畸变要求小于λ/20当光学天线系统的有效口径为150mm，波长为2μm，作用距离为R＝1～10km时，在弱湍流情况下，系统的天线效率为0.51，在强湍流下，系统的天线效率为0.03。所述2μm平衡式外差探测系统包括2μm平衡式InGaAs光电探测器、2μm光纤准直器和光纤合束器。其中，2μm平衡式InGaAs光电探测器采用在一个探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管，依据平衡式外差监测理论设计而成，光敏面口径为1mm左右，带宽200MHz，灵敏度0.65A/W，可以达到衍射极限水平，充分消除散粒噪声对外差信噪比的影响。