【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及激光遙感，具體涉及一種非相干測風激光雷達及大氣風速測量方法。
技術介紹
1、利用激光雷達技術進行大氣風速探測是一種先進的光學主動遙感技術，其具有時空分辨率高、探測范圍大的顯著特征。激光由激光源發射，經過發射系統擴束準直之后射向大氣，經過大氣的衰減，被大氣中的粒子散射，大氣后向散射包括米散射、瑞利散射、拉曼散射等。大氣后向散射的激光在返回的路程中再次被大氣消光，然后由接收光學系統接收，通過光電探測器和采集計數系統，最終對回波信號進行數據處理得到測量風速信息。
2、現有技術中，由于中高層大氣中氣溶膠含量較少，相干激光雷達無法進行中高層大氣風速測量，因此采用基于大氣分子散射的非相干測風激光雷達進行中高層大氣風速測量。而在非相干測風激光雷達的光學接收系統中，需要借助光學鑒頻器才可以得到出射激光因多普勒效應而產生的頻移，從而得到風速結果。目前使用的鑒頻器主要包括法布里珀羅標準具以及碘吸收池。使用上述鑒頻器的非相干測風激光雷達，在邊界層頂向自由空間大氣過渡的低對流層區域（2-5km），一方面，受到氣溶膠散射信號的干擾，存在鑒頻曲線失真，頻率響應函數誤差大的問題；另一方面，由于氣溶膠濃度隨邊界層高度、熱對流、風切變等日內變化很大，上述誤差很難通過系統校準來加以消除。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術實施例提供一種非相干測風激光雷達及大氣風速測量方法，以解決低對流層大氣風場探測易受氣溶膠干擾的問題，進而實現在邊界層頂向自由空間大氣過渡的低對流層區域的大氣風速準確探測
2、為實現上述目的，本專利技術實施例提供如下技術方案：
3、本專利技術實施例第一方面公開了一種非相干測風激光雷達，所述非相干測風激光雷達包括：發射系統、光處理系統、第一光電探測器、第二光電探測器、亞穩態鋇原子鑒頻器和數據采集與處理系統；
4、所述發射系統，用于生成脈沖線偏振光；
5、所述光處理系統，用于對所述脈沖線偏振光進行處理得到指向大氣探測方向的出射激光；對接收到的第一大氣回波信號進行偏振態調整得到第二大氣回波信號；對所述第二大氣回波信號進行分路處理，得到第三大氣回波信號和目標信號；
6、所述亞穩態鋇原子鑒頻器，用于對所述第三大氣回波信號進行鑒頻處理，得到第四大氣回波信號；
7、所述數據采集與處理系統，用于通過所述第一光電探測器采集所述第四大氣回波信號的信號強度，得到第一信號強度值；通過所述第二光電探測器采集所述目標信號的信號強度，得到第二信號強度值；計算所述第一信號強度值與所述第二信號強度值之間的目標比值；基于預先實驗得到的信號強度比值與多普勒頻移之間的對應關系，得到所述目標比值對應的目標多普勒頻移；基于所述目標多普勒頻移反演得到大氣風速。
8、優選的，所述亞穩態鋇原子鑒頻器，包括：泵浦激光器、真空泵、鋇原子池和加熱控制系統；
9、所述真空泵連接所述鋇原子池，用于抽出所述鋇原子池中的空氣，使得所述鋇原子池中不含氧氣；
10、所述加熱控制系統，用于對不含氧氣的所述鋇原子池進行加熱，使得所述鋇原子池保持在預設溫度；
11、所述泵浦激光器，用于向所述鋇原子池射入泵浦激光，將所述鋇原子池中的鋇原子激發到亞穩態，以利用鋇原子在能級之間躍遷的共振吸收特性，吸收所述第三大氣回波信號中目標頻率的信號，得到第四大氣回波信號，并使得所述第四大氣回波信號射入所述第一光電探測器；所述目標頻率與所述預設溫度之間為對應關系，并且所述第三大氣回波信號中所述目標頻率的信號的吸收比例與所述預設溫度之間為對應關系。
12、優選的，所述加熱控制系統，包括：不銹鋼加熱爐和絕緣性加熱帶；
13、所述絕緣性加熱帶纏繞所述不銹鋼加熱爐，用于將不含氧氣的所述鋇原子池放入所述不銹鋼加熱爐內，利用所述絕緣性加熱帶進行加熱，使得所述鋇原子池保持在預設溫度。
14、優選的，所述發射系統包括：可調諧脈沖激光器和擴束鏡；
15、所述可調諧脈沖激光器，用于生成待處理的脈沖線偏振光，并將所述待處理的脈沖線偏振光射入所述擴束鏡；
16、所述擴束鏡，用于對所述待處理的脈沖線偏振光進行擴束處理和壓縮發散角處理，得到脈沖線偏振光并將所述脈沖線偏振光射入所述光處理系統。
17、優選的，所述光處理系統包括：偏振分光棱鏡、四分之一波片、望遠系統、濾光片和非偏振分光棱鏡；
18、所述偏振分光棱鏡，用于濾除所述脈沖線偏振光中的s偏振光，得到只包含p偏振光的脈沖線偏振光，并將所述只包含p偏振光的脈沖線偏振光射入所述四分之一波片；濾除所述四分之一波片射入的第二大氣回波信號中的s偏振光，得到只包含p偏振光的第二大氣回波信號，并將所述只包含p偏振光的第二大氣回波信號射入所述濾光片；
19、所述四分之一波片，用于調整所述只包含p偏振光的脈沖線偏振光的偏振態得到出射激光，并將所述出射激光射入所述望遠系統；調整所述望遠系統接收的第一大氣回波信號的偏振態，得到第二大氣回波信號，并將所述第二大氣回波信號射入所述偏振分光棱鏡；
20、所述望遠系統，用于將所述出射激光指向大氣探測方向；接收由大氣分子反射所述出射激光產生的第一大氣回波信號；將所述第一大氣回波信號射入所述四分之一波片；
21、所述濾光片，用于濾除所述只包含p偏振光的第二大氣回波信號中的背景光信號，得到無干擾的第二大氣回波信號，并將所述無干擾的第二大氣回波信號射入所述非偏振分光棱鏡；
22、所述非偏振分光棱鏡，用于將所述無干擾的第二大氣回波信號分為第三大氣回波信號和目標信號；將所述第三大氣回波信號射入所述亞穩態鋇原子鑒頻器；將所述目標信號射入所述第二光電探測器。
23、優選的，所述非偏振分光棱鏡，具體用于：
24、將80%的所述無干擾的第二大氣回波信號劃分為第三大氣回波信號，將20%所述無干擾的第二大氣回波信號劃分為目標信號；將所述第三大氣回波信號射入所述亞穩態鋇原子鑒頻器；將所述目標信號射入所述第二光電探測器。
25、優選的，還包括：第一耦合透鏡；
26、所述第一耦合透鏡設置在所述亞穩態鋇原子鑒頻器和所述第一光電探測器之間，用于對所述第四大氣回波信號進行耦合處理，將耦合處理后的所述第四大氣回波信號射入所述第一光電探測器。
27、優選的，還包括：第二耦合透鏡；
28、所述第二耦合透鏡設置在所述光處理系統和所述第二光電探測器之間，用于對所述目標信號進行耦合處理，將耦合處理后的所述目標信號射入所述第二光電探測器。
29、優選的，所述脈沖線偏振光的波長為354.8nm。
30、本專利技術實施例第二方面公開了一種大氣風速測量方法，應用于本專利技術實施例第一方面公開的任一種非相干測風激光雷達，所述方法包括：
31、利用發射系統生成脈沖線偏振光；
32、利用光處理系統對所述脈沖線偏振光進行處理得到指向大氣探測方向的出射激光；對接本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種非相干測風激光雷達，其特征在于，所述非相干測風激光雷達包括：發射系統、光處理系統、第一光電探測器、第二光電探測器、亞穩態鋇原子鑒頻器和數據采集與處理系統；
2.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述亞穩態鋇原子鑒頻器，包括：泵浦激光器、真空泵、鋇原子池和加熱控制系統；
3.根據權利要求2所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述加熱控制系統，包括：不銹鋼加熱爐和絕緣性加熱帶；
4.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述發射系統包括：可調諧脈沖激光器和擴束鏡；
5.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述光處理系統包括：偏振分光棱鏡、四分之一波片、望遠系統、濾光片和非偏振分光棱鏡；
6.根據權利要求5所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述非偏振分光棱鏡，具體用于：
7.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，還包括：第一耦合透鏡；
8.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，還包括：第二耦合透鏡；
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10.一種大氣風速測量方法，其特征在于，應用與權利要求1至9任一所述的非相干測風激光雷達，所述方法包括：
...【技術特征摘要】
1.一種非相干測風激光雷達，其特征在于，所述非相干測風激光雷達包括：發射系統、光處理系統、第一光電探測器、第二光電探測器、亞穩態鋇原子鑒頻器和數據采集與處理系統；
2.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述亞穩態鋇原子鑒頻器，包括：泵浦激光器、真空泵、鋇原子池和加熱控制系統；
3.根據權利要求2所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述加熱控制系統，包括：不銹鋼加熱爐和絕緣性加熱帶；
4.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在于，所述發射系統包括：可調諧脈沖激光器和擴束鏡；
5.根據權利要求1所述的非相干測風激光雷達，其特征在...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉恒嘉，張書華，韓於利，陳沖，陳廷娣，孫東松，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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