[发明专利]激光测风雷达流场环境测试系统

说明书

本发明公开的一种激光测风雷达流场环境测试系统，旨在提供一种通过激光调制模拟产生激光测风雷达在流场环境中与大气粒子相互作用后的散射信号光的系统，本发明通过下述技术方案予以实现：光学系统依次连接环形器以及调制模块，调制模块与控制器和检测模块相连接，控制器与上位机和检测模块互连。光学系统接收激光测风雷达的出射激光并耦合进入光纤，出射激光通过光纤传输进入环形器，环形器通过光纤定向引导出射激光进入调制模块，控制模块结合检测模块和上位机的状态控制调制模块从延迟、偏振、频移和衰减等不同方面对出射激光进行有序调制，产生信号光，信号光通过环形器进入光学系统，光学系统将信号光发射进入激光测风雷达。

技术领域

本发明涉及一种用于激光测风雷达流场环境模拟的测试系统，尤其是针对基于相干探测体制的激光多普勒测风雷达的测试系统。

背景技术

激光测风雷达是一种以激光作为载波进行风场测量的设备，在航空、风电、气象等领域均有重要应用。相比传统的气动式、超声波式、涡轮式和热线风速仪等手段，激光测风雷达具有遥感定点测量、精度高、测速范围大、实时性好等显著优势。激光测风雷达的类型可根据出射激光的特征(连续光/脉冲光、聚焦光/平行光)进行细分，其中应用最广泛的是基于相干探测体制的激光多普勒测风雷达。应用于不同场景的激光测风雷达类型不同，但都以激光多普勒效应和气溶胶粒子米散射效应为基本原理。激光测风雷达通过一个或多个天线出射激光，激光在大气中与气溶胶粒子发生米散射作用，散射光由于多普勒效应会产生正比于风速的多普勒频移，散射光被天线接收后通过相干混频方式解调出多普勒频移量，并计算出风速。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。在这个基础上，激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统，它在保证发射、接收视场重叠的前提下，控制激光束投射到指定的方向，使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。

激光测风雷达的本质是通过探测气溶胶粒子的运动来实现风速测量。多普勒测风激光雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。相干测风激光雷达作为相干多普勒激光雷达，通过测量发射的激光信号和回波信号之间的差频实现风场的测定，工作在人眼不可见的红外波段，可实现地面至低空3000米大气风场的无盲区探测，具有很高的时间分辨率、空间分辨率和精确度，可填补风廓线雷达低空探测能力的不足。非相干多普勒激光雷达，主要用于大气边界层和低空对流层大气环境及气象参数的探测，系统采用气溶胶散射灵敏型探测波段，并兼顾大气分子散射效率，能够测量大气风廓线、三维风场、云底高度、气溶胶浓度三维分布、气溶胶消光系数、能见度及温度廓线等。

现有测风雷达的测试方法主要包括：风洞试验、车载试验、机载挂飞试验以及自然风场试验。风洞只能用于测试出射激光为聚焦激光且探测距离较短的激光测风雷达，且对风洞流场品质及试验段长度要求较高，目前只有固定式的大中型风洞才能满足测试要求，此类风洞的建设及运行成本高昂。对于出射激光为平行光或出射激光为聚焦光束但焦点较远或瑞利长度较长的激光测风雷达，一般风洞无法满足测试需求。车载试验是通过车载平台搭载激光测风雷达和对比测风设备进行试验，自然风场试验完全依靠自然风进行试验，是地基激光测风雷达的主要试验方式，但严重依赖自然流场环境，车载试验和自然风场试验都不能形成准确规范的测试流程。机载挂飞试验主要针对航空应用的激光测风雷达(即光学大气数据系统)，机载试飞可有效测试光学大气数据系统在真实应用环境下的综合性能，但试验成本极高。而且对于探测距离较远或出射激光的瑞利长度较长的激光测风雷达，现有流场测试方法需要在一个较大的空间内才能完成测试。

针对不同类型激光测风雷达和不同的应用场景，需要的流场测试环境不同，一般需要对气压高度(气溶胶粒子浓度不同)、流速、流场品质及其它因素进行调节，调节流场环境的方法往往需要非常复杂的外部手段，尤其是针对复杂应用场景或极端条件的模拟测试，采用流场环境测试则更为困难。因此希望测试系统在满足需求基础上，具有简捷、低成本、重复性好等特点。

发明内容