單腔f-p干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激光雷達的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多普勒測風激光雷達技術領域，尤其涉及一種單腔F-P干涉儀單探測 器實現的透反式雙邊緣測風激光雷達。
【背景技術】
[0002] 測風激光雷達對提高長期天氣預報的準確性、改進氣候研究模型、提高軍事環境 預報等有重大意義。因此，大氣風場的測量受到越來越多的關注，國際民航機構、世界氣 象組織、世界各國航空航天的研究機構等組織都正在積極地開展風場探測系統的研究與開 發。
[0003] 多普勒測風激光雷達根據探測原理的不同可分為相干探測和直接探測。相干探測 通過激光大氣回波信號與本振激光相干的方式探測風速探測。直接探測則利用鑒頻器將多 普勒頻移信息轉化為能量的相對變化以探測大氣風速。直接探測可分為條紋技術和邊緣技 術。條紋技術采用F-P干涉儀（Fabry-Perot interferometer，法布里-?羅干涉儀）或 Fizeau干涉儀（斐索干涉儀）產生干涉條紋，通過條紋重心的偏移測定大氣后向散射信號 的多普勒頻移。邊緣技術利用具有陡峭響應曲線的濾波器，通過檢測透過率的變化測量多 普勒頻移量。邊緣技術中，除采用上述兩種干涉儀外，還可以采用分子吸收線、Mi che I son干 涉儀（邁克爾遜干涉儀）、光柵、棱鏡、Mach-Zehnder干涉儀（馬赫-曾德干涉儀）等高分 辨鑒頻率器。
[0004] 采用邊緣技術的測風激光雷達中，F-P干涉儀具有陡峭的邊緣，高的速度靈敏度， 針對不同探測目標和工作波長可優化設定等優點，是直接探測測風激光雷達中應用最廣泛 的鑒頻器。國外開展基于F-P干涉儀的多普勒直接探測測風激光雷達的研究單位主要有法 國的OHP觀測站、美國NASA、歐空局（European Space Agency, ESA)、德國、英國、挪威、聯合 建設的北極激光雷達觀測站（ALOMAR, Arctic Lidar Observation of Middle Atmosphere Research)，同時，丹麥、荷蘭、日本也均有報道。國內開展基于直接探測測風激光雷達的研 究單位主要有中國科學技術大學、西安理工大學、中國科學院空間科學與應用研究中心、中 國海洋大學、哈爾濱工業大學、電子科技大學、北京航天航空大學和蘇州大學等。
[0005] 傳統的雙邊緣測風激光雷達中需采用兩個F-P干涉儀或者雙通道F-P干涉儀，同 時雙通道探測需要配備兩個探測器，多個F-P干涉和多個探測器的系統存在如下缺點：
[0006] 1)F-P干涉儀和探測器造價高，從而導致系統成本高；2)激光雷達信號的利用率 不高，多通道探測通過分光器件實現，而F-P干涉儀的反射信號被浪費；3)兩個F-P干涉儀 和兩個探測器的系統，無法避免工作時環境不一致所引入的系統誤差，如環境溫度不同將 導致探測器的噪聲分布不同；探測器輸入電壓不同將導致探測器的響應不同；激光雷達處 于振動環境下時，兩個探測器的耦合效率不同；另外，光學污染和探測器老化問題也無法避 免引起探測器的差異；4)雙通道導致光路調節困難，并且增加了系統校正參數。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是提供一種單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激 光雷達，其具有激光雷達信號利用率高、風速探測精度高、造價低、系統穩定、人眼相對安 全、全光纖鏈接、結構緊湊等優點。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0009] 一種單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激光雷達，包括：連續激 光器1、光纖隔離器2、強度調制器3、任意函數發生器4、光纖放大器5、第一光纖環形器6、 標定光纖7、光學收發和掃描系統8、光纖布拉格光柵9、第二光纖環形器10、光纖F-P干涉 儀11、延時光纖12、光纖耦合器13、探測器14、采集卡15與計算機16 ;其中各器件連接關 系為：
[0010] 連續激光器1的輸出端與光纖隔離器2的輸入端連接，光纖隔離器2的輸出端與 強度調制器3的輸入端連接，強度調制器3的輸出端與光纖放大器5的輸入端連接，任意函 數發生器4的輸出端與強度調制器3的控制端連接；
[0011] 光纖放大器5的輸出端與第一光纖環形器6輸入端A連接，第一光纖環形器6的 端口 B與標定光纖7的輸入端連接，標定光纖7的輸出端與光學收發和掃描系統8的輸入 端連接，由光學收發和掃描系統8將接收到的激光向大氣中發送，并接收后向散射信號；第 一光纖環形器6的端口 C與光纖布拉格光柵9的輸入端連接，由光纖布拉格光柵9濾除所 述后向散射信號中背景噪聲；
[0012] 第一光纖環形器6的端口 D與第二光纖環形器10的端口 A連接，第二光纖環形器 10的端口 B與光纖F-P干涉儀11的輸入端連接，光纖F-P干涉儀11的透射信號輸出端與 光纖耦合器13的輸入端A連接；第二光纖環形器10的端口 C與延時光纖12的輸入端連 接，延時光纖12的輸出端與光纖親合器13的輸入端B連接；
[0013] 光纖耦合器13的輸出端與探測器14的輸入端連接，探測器14的輸出端與采集卡 15的輸入端連接，采集卡15的輸出端與計算機16的輸入端連接。
[0014] 進一步的，通過光纖F-P干涉儀11的透反信號實現雙邊緣技術；具體的：所述光 纖F-P干涉儀11的透射信號通過其透射信號輸出端傳輸至光纖耦合器13的輸入端A，所述 光纖F-P干涉儀11的反射信號經過第二光纖環形器10的端口 B到達第二光纖環形器10 的端口 C，再通過與所述第二光纖環形器10的端口 C相連的延時光纖12傳輸至光纖耦合器 13的輸入端B。
[0015] 進一步的，還包括：用于放置所述光纖F-P干涉儀11的恒溫箱17。
[0016] 進一步的，所述連續激光器1、光纖隔離器2、強度調制器3、光纖放大器5與第一 光纖環形器6之間，所述第一光纖環形器6與光纖布拉格光柵9之間，以及第一光纖環形器 6、第二光纖環形器10與光纖F-P干涉儀11之間均采用保偏光纖連接。
[0017] 進一步的，所述標定光纖7和延時光纖12為保偏光纖，其損耗< 0. 2dB/Km。
[0018] 進一步的，根據光纖F-P干涉儀11透射曲線與反射曲線的交叉點鎖定激光頻率， 該交叉點處頻率響應函數Q = 〇。
[0019] 由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明使用單腔光纖F-P干涉儀作為鑒 頻器，利用單腔光纖F-P干涉儀的透射曲線和反射曲線構成雙邊緣，采用透射曲線和反射 曲線的交叉點鎖定激光出射頻率，采用時分復用技術，在光纖F-P干涉儀的反射光路中增 加低損耗的延時光纖，使單個探測器同時采集光纖F-P干涉儀的透反信號。本發明可實現 風速探測。本發明僅使用單腔光纖F-P干涉儀和單個探測器實現雙邊緣探測，其具有激光 雷達信號利用率高、風速探測精度高、造價低、系統穩定、人眼相對安全、全光纖鏈接、結構 緊湊等優點。
【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 附圖。
[0021] 圖1為本發明實施例提供的單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激 光雷達的結構示意圖；
[0022] 圖2為本發明實施例提供的單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激 光雷達的時序圖；
[0023] 圖3為本發明實施例提供的基于光纖F-P干涉儀透反曲線形成雙邊緣曲線的原理 圖；
[0024] 圖4為本發明實施例提供的單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激 光雷達的頻率響應分布圖；
[0025] 圖5為本發明實施例提供的單腔F-P干涉儀單探測器實現的透反式雙邊緣測風激 光雷達的頻率靈敏度分布圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地