雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，旨在提供一種能保證脈沖光纖激光測風雷達最大探測距離，又能同時盡可能減小近距離探測盲區(qū)的處理系統(tǒng)。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：聲光調(diào)制器通過并聯(lián)信息處理模塊接收中控計算機指令，向聲光調(diào)制器發(fā)出調(diào)制信號，輸出與調(diào)制信號參數(shù)對應的種子激光脈沖，光學天線發(fā)射接收雙模激光脈沖及其回波信號注入光電探測器轉(zhuǎn)換為光電信號，將光電信號傳輸至信息處理模塊，將距離門頻譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳入中控計算機完成雙模式距離門頻譜數(shù)據(jù)組合，交替輸出兩種參數(shù)模式的激光脈沖，對不同參數(shù)模式下激光回波信號進行處理，檢測激光雷達最大探測距離和高重頻短脈寬檢測近距離探測盲區(qū)。
【專利說明】
雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于信號控制與處理領(lǐng)域，更具體地說本發(fā)明特別涉及一種脈沖光纖激光測風雷達的激光輸出參數(shù)控制與回波信號處理的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雷達探測不再局限于硬目標測距領(lǐng)域，已開始向氣體濃度、云層厚度、溶膠濃度氣等方向擴展，用激光的氣溶膠粒子散射來測量大氣要素的研究越來越多。脈沖光纖激光測風雷達利用大氣中隨風漂移的微小顆粒對激光散射回波的多普勒頻移來進行大氣風場的測量，其最大探測距離依賴于發(fā)射激光的能量，在發(fā)射激光峰值功率一定的情況下，激光能量與激光脈沖寬度密切相關(guān)，脈沖寬度越長，能量越大，雷達最大探測距離越遠;脈沖寬度越短，能量越小，雷達最大探測距離越近。另一方面，雷達近距離盲區(qū)長度與激光脈沖寬度有關(guān)，較長的激光脈沖會引起雷達近距離探測盲區(qū)增大。為減小激光雷達探測盲區(qū)，可通過縮短激光脈沖寬度來實現(xiàn);然而短脈寬激光能量較低，會引起激光雷達最大探測距離減小。所以，較遠的探測距離和較小的近距離探測盲區(qū)二者在傳統(tǒng)激光測風雷達中是不可兼得的。
[0003]脈沖光纖激光測風雷達以脈沖光纖激光器做發(fā)射源，當激光器平均功率、脈沖重復頻率一定時，脈寬減小，激光峰值功率升高，脈沖光纖激光器將產(chǎn)生非線性效應(受激布里淵(SBS)效應)，使得激光輸出脈沖波形畸變，引起激光雷達探測能力下降，同時SBS效應也會影響激光器使用壽命。為抑制非線性效應，在減小激光脈沖寬度的同時，需提高激光脈沖重復頻率，以避免非線性效應的產(chǎn)生。因此，為保證激光雷達最大探測距離的同時盡可能減小近距離探測盲區(qū)，可采用低重頻長脈寬、高重頻短脈寬兩種參數(shù)模式的激光脈沖相結(jié)合的方法進行處理?，F(xiàn)有的脈沖光纖激光測風雷達為減小盲區(qū)，通常都采用短脈寬的發(fā)射激光脈沖工作，由于激光能量相對較低，因此最大探測距離通常較近;而采用長脈寬脈沖的激光測風雷達，其探測盲區(qū)都較大，無法進行近距離風場測量。綜上所述，目前的脈沖光纖激光測風雷達并無兼顧遠近風場探測距離的有效技術(shù)手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是對現(xiàn)有技術(shù)的進一步改進和發(fā)展，其目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種可控制激光測風雷達交替輸出兩種參數(shù)模式的激光，能保證脈沖光纖激光測風雷達最大探測距離，又能同時盡可能減小近距離探測盲區(qū)，并對兩種參數(shù)模式下激光脈沖對應回波信號進行處理的系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，包括:激光測風雷達系統(tǒng)中，通過光纖8，采用按順序串聯(lián)的I光纖激光器、聲光調(diào)制器2、脈沖光纖放大器3、光學天線4、光電探測器5和經(jīng)射頻線纜9串聯(lián)的信息處理模塊6和經(jīng)總線10串聯(lián)的中控計算機7，其特征在于:聲光調(diào)制器2通過射頻線纜9并聯(lián)信息處理模塊6，接收中控計算機7指令后，向聲光調(diào)制器2發(fā)出調(diào)制信號，聲光調(diào)制器2輸出與調(diào)制信號參數(shù)對應的種子激光脈沖，種子激光脈沖再輸入脈沖光纖放大器3進行功率放大輸出，光學天線4發(fā)射接收雙模激光脈沖及其回波信號通過光纖8耦合注入光電探測器5轉(zhuǎn)換為光電信號，并通過射頻線纜9將光電信號傳輸至信息處理模塊6對光電信號進行A/D采集、距離門劃分和距離門頻譜處理，將距離門頻譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳入中控計算機7完成雙模式距離門頻譜數(shù)據(jù)組合，控制激光測風雷達交替輸出兩種參數(shù)模式的激光脈沖，同時對不同參數(shù)模式下激光回波信號進行處理，利用低重頻長脈寬檢測激光雷達最大探測距離和高重頻短脈寬檢測近距離探測盲區(qū)。
[0006]本發(fā)明有以下有益效果:
本發(fā)明基于脈沖光纖激光測風雷達，利用低重頻長脈寬保證激光雷達最大探測距離，利用高重頻短脈寬減少近距離探測盲區(qū)，可控制激光測風雷達交替輸出兩種參數(shù)模式的激光脈沖，由光學天線進行發(fā)射接收，回波信號經(jīng)光電探測器接收，再由信息處理模塊對不同參數(shù)模式下激光回波信號進行處理，處理結(jié)果數(shù)據(jù)最后由中控計算機進行組合存儲，從而完成一次完整的徑向風探測。激光測風雷達采用本發(fā)明，可以突破較遠作用距離和較小近距離盲區(qū)二者之間的相互制約，從而在減小近距離探測盲區(qū)的同時，保證了不損失最大探測距離，而無需額外對激光器進行更換或設(shè)計改進。
【附圖說明】
[0007]為了進一步說明而不是限制本發(fā)明的上述實現(xiàn)方式，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施范圍之中。所有這些構(gòu)思應視為本技術(shù)所公開的內(nèi)容和本發(fā)明的保護范圍。
[0008]圖1是本發(fā)明雙模激光脈沖發(fā)射控制與回波信號處理系統(tǒng)的原理框圖。
[0009]圖2是圖1的控制處理流程圖。
[0010]圖3是圖1的控制處理數(shù)據(jù)組合示意圖。
[0011]圖中:I光纖激光器，2聲光調(diào)制器，3脈沖光纖放大器，4光學天線，5光電探測器，6信息處理模塊，7中控計算機，8光纖，9射頻線纜，10總線，61高重頻模式，611發(fā)射高重頻激光，612高重頻回波接收與光電轉(zhuǎn)換，613高重頻信號采集與距離門劃分，614高重頻信號距離門頻譜處理，62低重頻模式，621發(fā)射低重頻激光，622低重頻回波接收與光電轉(zhuǎn)換，623低重頻信號采集與距離門劃分，624低重頻信號距離門頻譜處理，71高重頻信號頻譜數(shù)據(jù)存儲，72-低重頻信號頻譜數(shù)據(jù)存儲，73-數(shù)據(jù)組合，11高重頻模式探測盲區(qū)，12高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)，13低重頻模式探測盲區(qū)，14低重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)，15高重頻模式保留距離門頻譜數(shù)據(jù)，16組合完成后的探測盲區(qū)，17組合完成后的距離門頻譜數(shù)據(jù)。
【具體實施方式】
[0012]參閱圖1。在以下描述的一個最佳實施例中，一種雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，包括:激光測風雷達系統(tǒng)中，通過光纖8，采用按順序串聯(lián)的I光纖激光器、聲光調(diào)制器2、脈沖光纖放大器3、光學天線4、光電探測器5和經(jīng)射頻線纜9串聯(lián)的信息處理模塊6和經(jīng)總線10串聯(lián)的中控計算機7。聲光調(diào)制器2通過射頻線纜9并聯(lián)信息處理模塊6，接收中控計算機7指令后，向聲光調(diào)制器2發(fā)出調(diào)制信號，聲光調(diào)制器2輸出與調(diào)制信號參數(shù)對應的種子激光脈沖，種子激光脈沖再輸入脈沖光纖放大器3進行功率放大輸出，光學天線4發(fā)射接收雙模激光脈沖及其回波信號通過光纖8耦合注入光電探測器5轉(zhuǎn)換為光電信號，并通過射頻線纜9將光電信號傳輸至信息處理模塊6對光電信號進行A/D采集、距離門劃分和距離門頻譜處理，將距離門頻譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳入中控計算機7完成雙模式距離門頻譜數(shù)據(jù)組合，控制激光測風雷達交替輸出兩種參數(shù)模式的激光脈沖，同時對不同參數(shù)模式下激光回波信號進行處理，利用低重頻長脈寬檢測激光雷達最大探測距離和高重頻短脈寬檢測近距離探測盲區(qū)。其中，脈沖光纖放大器3對接收到的種子激光脈沖進行功率放大，并通過光學天線4發(fā)射;光學天線4為收發(fā)合一共口徑天線;聲光調(diào)制器5接收信息處理模塊6發(fā)出的調(diào)制信號，調(diào)制出與參數(shù)對應的種子激光脈沖，并將種子激光脈沖輸入脈沖光纖放大器3。中控計算機7通過PC104+總線接口與信息處理模塊6實現(xiàn)通信。信息處理模塊6采用AD+FPGA+DSP硬件構(gòu)架，由FPGA產(chǎn)生控制聲光調(diào)制器的調(diào)制信號，產(chǎn)生的調(diào)制信號為高重頻短脈寬、低重頻長脈寬兩種模式的調(diào)制信號。信息處理模塊對兩種參數(shù)模式下的激光回波信號進行數(shù)據(jù)處理，包括AD采集、距離門劃分、距離門頻譜處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)存入中控計算機完成數(shù)據(jù)組合。
[0013]當雷達開始工作時，中控計算機發(fā)出開始工作指令;信息處理模塊接收到開始工作指令后，向聲光調(diào)制器發(fā)出“高重頻短脈寬”模式調(diào)制信號，聲光調(diào)制器調(diào)制出高重頻短脈寬種子激光脈沖，并輸入至脈沖光纖放大器;脈沖光纖放大器對高重頻短脈寬種子激光脈沖進行功率放大，并通過光學天線發(fā)射;發(fā)射激光脈沖的后向散射回波信號由光學天線接收并與本振光信號通過光纖耦合混頻后注入光電探測器;光電探測器將激光回波信號轉(zhuǎn)換為中頻電信號，中頻電信號再傳輸至信息處理模塊;信息處理模塊對中頻電信號進行AD采集，并對采樣點進行距離門劃分、距離門頻譜處理;信息處理模塊將處理結(jié)果數(shù)據(jù)送入中控計算機完成數(shù)據(jù)組合；中控計算機向信息處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號，信息處理模塊接收到結(jié)束信號后，再向聲光調(diào)制器發(fā)出“低重頻長脈寬”模式調(diào)制信號，聲光調(diào)制器調(diào)制出低重頻長脈寬種子激光脈沖，輸入脈沖光纖放大器;系統(tǒng)按上述步驟重復進行激光脈沖發(fā)射和回波接收處理，直至中控計算機再次向信息處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號。此時，完成了一次徑向風探測。系統(tǒng)重復進行以上雙參數(shù)模式的激光脈沖發(fā)射和回波接收處理，對測量風場數(shù)據(jù)進行刷新。
[0014]本發(fā)明中約定激光高重頻為> I OkHz，低重頻為彡I OkHz。
[0015]參閱圖2。為實現(xiàn)脈沖光纖激光測風雷達的激光回波信號接收處理，可根據(jù)以下工作步驟逐一實現(xiàn)。圖1中的脈沖光纖放大器工作于高重頻模式61，經(jīng)光學天線發(fā)射高重頻激光611，光電探測器完成回波信號接收與光電轉(zhuǎn)換612，對光電探測器轉(zhuǎn)換后的中頻電信號進行采集與距離門劃分613，完成高重頻信號頻譜處理614，將得到的高重頻距離門頻譜數(shù)據(jù)71存儲在中控計算機7。高重頻模式完成后，脈沖光纖放大器切換至低重頻模式62，經(jīng)光學天線發(fā)射低重頻激光621，光電探測器完成回波信號接收與光電轉(zhuǎn)換622，對光電探測器轉(zhuǎn)換后的中頻電信號進行采集與距離門劃分623，完成低重頻信號頻譜處理624，將得到的低重頻距離門頻譜數(shù)據(jù)72存儲在中控計算機7。中控計算機7將高重頻與低重頻模式下的距離門頻譜數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)組合73以獲得最終距離門頻譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
[0016]參閱圖3。信息處理模塊將高低重頻距離門頻譜數(shù)據(jù)存入中控計算機進行數(shù)據(jù)組合73。其過程如下:高重頻模式探測盲區(qū)11，高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)12，探測距離起點為NI，探測距離終點為N2;低重頻模式探測盲區(qū)13，低重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)14，探測距離起點為N3，探測距離終點為N4。信息處理模塊在高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)12中，找到與低重頻模式距離門起點N3對應的距離門位置，記該位置為N5;將高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)NI至N5距離門的頻譜數(shù)據(jù)15，插入低重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)之前，最終獲得組合后的距離門頻譜數(shù)據(jù)17，同時組合后的距離門頻譜數(shù)據(jù)探測盲區(qū)16即為高重頻模式探測盲區(qū)13ο
【主權(quán)項】
1.一種雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，包括:激光測風雷達系統(tǒng)中，通過光纖(8)，采用按順序串聯(lián)的(I)光纖激光器、聲光調(diào)制器(2)、脈沖光纖放大器(3)、光學天線⑷、光電探測器(5)和經(jīng)射頻線纜(9)串聯(lián)的信息處理模塊(6)和經(jīng)總線(10)串聯(lián)的中控計算機(7)，其特征在于:聲光調(diào)制器(2)通過射頻線纜(9)并聯(lián)信息處理模塊(6)，接收中控計算機(7)指令后，向聲光調(diào)制器(2)發(fā)出調(diào)制信號，聲光調(diào)制器(2)輸出與調(diào)制信號參數(shù)對應的種子激光脈沖，種子激光脈沖再輸入脈沖光纖放大器(3)進行功率放大輸出，光學天線(4)發(fā)射接收雙模激光脈沖及其回波信號通過光纖(8)耦合注入光電探測器(5)轉(zhuǎn)換為光電信號，并通過射頻線纜(9)將光電信號傳輸至信息處理模塊(6)對光電信號進行A/D采集、距離門劃分和距離門頻譜處理，將距離門頻譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳入中控計算機(7)完成雙模式距離門頻譜數(shù)據(jù)組合，控制激光測風雷達交替輸出兩種參數(shù)模式的激光脈沖，同時對不同參數(shù)模式下激光回波信號進行處理，利用低重頻長脈寬檢測激光雷達最大探測距離和高重頻短脈寬檢測近距離探測盲區(qū)。2.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:脈沖光纖放大器(3)對接收到的種子激光脈沖進行功率放大，并通過光學天線(4)發(fā)射;光學天線(4)為收發(fā)合一共口徑天線。3.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:聲光調(diào)制器(5)接收信息處理模塊(6)發(fā)出的調(diào)制信號，調(diào)制出與參數(shù)對應的種子激光脈沖，并將種子激光脈沖輸入脈沖光纖放大器(3)。4.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:中控計算機(7)通過PC104+總線接口與信息處理模塊(6)實現(xiàn)通信。5.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:信息處理模塊(6)采用AD+FPGA+DSP硬件構(gòu)架，由FPGA產(chǎn)生控制聲光調(diào)制器的調(diào)制信號，產(chǎn)生的調(diào)制信號為高重頻短脈寬、低重頻長脈寬兩種模式的調(diào)制信號。6.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:信息處理模塊對兩種參數(shù)模式下的激光回波信號進行數(shù)據(jù)處理，包括AD采集、距離門劃分、距離門頻譜處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)存入中控計算機完成數(shù)據(jù)組合。7.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:信息處理模塊接收到開始工作指令后，向聲光調(diào)制器發(fā)出“高重頻短脈寬”模式調(diào)制信號，聲光調(diào)制器調(diào)制出高重頻短脈寬種子激光脈沖，并輸入至脈沖光纖放大器;脈沖光纖放大器對高重頻短脈寬種子激光脈沖進行功率放大，并通過光學天線發(fā)射;發(fā)射激光脈沖的后向散射回波信號由光學天線接收并與本振光信號通過光纖耦合混頻后注入光電探測器;光電探測器將激光回波信號轉(zhuǎn)換為中頻電信號，中頻電信號再傳輸至信息處理模塊;信息處理模塊對中頻電信號進行AD采集，并對采樣點進行距離門劃分、距離門頻譜處理;信息處理模塊將處理結(jié)果數(shù)據(jù)送入中控計算機完成數(shù)據(jù)組合；中控計算機向信息處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號，信息處理模塊接收到結(jié)束信號后，再向聲光調(diào)制器發(fā)出“低重頻長脈寬”模式調(diào)制信號，聲光調(diào)制器調(diào)制出低重頻長脈寬種子激光脈沖，輸入脈沖光纖放大器;按上述步驟重復進行激光脈沖發(fā)射和回波接收處理，直至中控計算機再次向信息處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號，并重復進行以上雙參數(shù)模式的激光脈沖發(fā)射和回波接收處理，對測量風場數(shù)據(jù)進行刷新。8.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:脈沖光纖放大器工作于高重頻模式，經(jīng)光學天線發(fā)射高重頻激光(611)，光電探測器完成回波信號接收與光電轉(zhuǎn)換，對光電探測器轉(zhuǎn)換后的中頻電信號進行采集與距離門劃分，完成高重頻信號頻譜處理，將得到的高重頻距離門頻譜數(shù)據(jù)存儲在中控計算機7。9.如權(quán)利要求8所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:高重頻模式完成后，脈沖光纖放大器切換至低重頻模式，經(jīng)光學天線發(fā)射低重頻激光，光電探測器完成回波信號接收與光電轉(zhuǎn)換對光電探測器轉(zhuǎn)換后的中頻電信號進行采集與距離門劃分，完成低重頻信號頻譜處理，將得到的低重頻距離門頻譜數(shù)據(jù)存儲在中控計算機(7)。10.如權(quán)利要求1所述的雙模激光脈沖發(fā)射控制及回波信號處理系統(tǒng)，其特征在于:信息處理模塊在高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)中，找到與低重頻模式距離門起點N3對應的距離門位置，記該位置為N5;將高重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)NI至N5距離門的頻譜數(shù)據(jù)，插入低重頻模式距離門頻譜數(shù)據(jù)之前，最終獲得組合后的距離門頻譜數(shù)據(jù)，同時組合后的距離門頻譜數(shù)據(jù)探測盲區(qū)即為高重頻模式探測盲區(qū)。
【文檔編號】G01S17/95GK105891844SQ201610257662
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月24日
【發(fā)明人】趙彬, 羅雄, 呂明愛, 馮振中, 馮力天, 周杰, 周鼎富
【申請人】西南技術(shù)物理研究所