[发明专利]一种全光纤相干测风激光雷达及其测风方法

说明书

技术领域

本发明涉及测风激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种使用光子晶体激光器作为光源的全光纤相干测风激光雷达及其测风方法。

背景技术

测风激光雷达技术应用多普勒效应，通过测量反射激光束的频移来测量风速。该技术主要分为两大类：直接测量方法和相干测量方法，由于直接测量方法通常使用F-P标准具来测量多普勒频移，需要相对复杂的光学系统，因此相干测量方法越来越受到大家的关注。

相干测量方法通过将基频信号和频移后的回波信号进行混频，得到差频信号后再经信号处理电路获得风速。由于在低风速下多普勒频移量比较小，基频信号与频移后的回波信号的频率差非常小，不容易获得，通常的做法是通过声光调频或其他外加调频办法来增大基频信号与频移后的回波之间的频率差，这不但增加了系统的复杂度和成本，给整个系统增加负荷，而且也降低了信号的信噪比，进而降低测得的风速的精度。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明旨在提供一种全光纤相干测风激光雷达及其测风方法，该全光纤相干测风激光雷达不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及径向风向。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种全光纤相干测风激光雷达，包括光子晶体激光器、光纤环形器装置、光探测装置、发射/接收光学装置及信号处理与激光驱动装置；所述光子晶体激光器发射激光信号，所述激光信号的波长根据驱动电流的变化在一定范围内进行线性调制；所述光纤环形器装置包括三个端口，光子晶体激光器发射的激光信号传输至第一端口，由第一端口输入的激光信号的一部分在第二端口端面处发生反射经第三端口传输至光探测装置，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口输入的激光信号的另一部分经第二端口传输至发射/接收光学装置并经其聚焦于探测点，由探测点反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口输入经第三端口传输至光探测装置；所述光探测装置用于将所述基频信号与回波信号进行混频得到差频信号；所述信号处理与激光驱动装置给光子晶体激光器提供驱动电流并对接收自光探测装置的差频信号进行处理得到探测点的径向风速及风向。

上述方案中，通过使用光子晶体激光器作为激光信号源，并对信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流进行线性调制，使光子晶体激光器直接发射出调制后的激光信号，利用光纤环形器装置获取该激光信号的基频信号与回波信号，利用光探测装置对基频信号与回波信号进行混频得到差频信号，通过计算该差频信号即可实现探测点的径向风速及风向的测量。该全光纤相干测风激光雷达不但复杂度低、成本低，而且发射的激光信号的信噪比较高，可以测得高精度的径向风速及风向。

优选地，为了进一步增大基频信号与回波信号之间的频率差，以提高测得的径向风速及风向的精度，将信号处理与激光驱动装置给光子晶体激光器提供的驱动电流按照连续的三角波进行调制。

优选地，该全光纤相干测风激光雷达还包括将光子晶体激光器发射的低功率激光信号放大至所需功率光纤的光放大装置。这样设置可以更进一步增大基频信号与回波信号之间的频率差，有助于提高测得的径向风速及风向的精度。

优选地，所述光放大装置为EDFA光放大装置。EDFA光放大装置不但成本低，而且放大激光信号时噪音低，可以保证激光信号的信噪比。

优选地，所述探测点为发射/接收光学装置的焦点位置。

优选地，所述激光信号在单模光纤中进行传输。单模光纤色散小，可以保证传输的激光信号的频率，有助于提高测得的径向风速及风向的精度。

本发明的另一个目的是提供一种全光纤相干测风激光雷达的测风方法，包括如下步骤：

1.1）获取调制后的激光信号；将信号处理与激光驱动装置提供给光子晶体激光器的驱动电流按照线性方式进行调制，使光子晶体激光器发出调制后的激光信号；

1.2）获取基频信号与回波信号并将基频信号与回波信号传输至光探测装置；将获取的调制后的激光信号传输至光纤环形器装置的第一端口，由第一端口输入的激光信号的一部分在第二端口端面处发生反射经第三端口传输至光探测装置，将这部分激光信号作为基频信号，由第一端口输入的激光信号的另一部分经第二端口传输至发射/接收光学装置并经其聚焦于探测点，由探测点反射回来的激光信号作为回波信号由第二端口输入经第三端口传输至光探测装置；

1.3）根据基频信号与回波信号获取差频信号；光探测装置将基频信号与回波信号进行混频，获取差频信号；