基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准方法
技术领域
1.本发明涉及一种多纵模激光雷达校准方法，特别涉及一种基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准方法。
背景技术：2.目前的多普勒激光雷达，无论采用的是相干探测体制，还是直接探测体制，其发射源均采用的是窄线宽、稳频的单纵模激光器。这就造成了现有的多普勒激光雷达系统对工作环境的要求比较苛刻，一旦环境条件不满足就可能影响系统的探测性能，甚至无法正常工作，严重制约了多普勒激光雷达的产业化应用及机载和星载应用。多普勒激光雷达若可以采用多纵模激光器作为发射光源，则不仅可以降低系统成本、减小系统体积、提高系统的稳定性和环境适应性，而且可以提高系统测量精度。因此，尝试将多纵模激光器用做多普勒激光雷达的发射源是当前研究的前沿热点之一。2008年，巩马理等人对多纵模激光用作f-p干涉仪双边缘多普勒激光雷达发射源的可行性做了初步的分析研究，提出要实现基于多纵模激光源和f-p干涉仪鉴频器的多普勒测量，多纵模激光器谐振腔腔长和f-p干涉仪腔长需满足匹配关系。申请人从理论上做了深入研究后发现：在基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达系统中，要使多纵模激光的所有纵模均可高效地用于测量，即采用多纵模激光源单次测量效果与采用单纵模激光源多次测量效果相同，多纵模激光的纵模间隔λ与f-p干涉仪的自由谱间距ν
fsr
需要严格匹配，即要满足匹配条件λ＝pν
′
fsr
，p＝1，2，...。然而，实际λ与ν
fsr
可能失配，即存在匹配误差δν
fsr
＝|λ-ν
fsr
|。随着该匹配误差增大，双f-p干涉仪的透过率曲线线宽增大、峰值降低，风速测量灵敏度减小。这是多纵模激光雷达才有的误差，它将引起风速测量误差增大，甚至导致无法测量。因此，在风场测量之前，需要对多纵模多普勒激光雷达进行校准，使得在λ与ν
fsr
完全匹配情况下，测得双f-p干涉仪透过率校准曲线。通过调研发现，对基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达系统进行校准的方法目前还未见报道。
技术实现要素：3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准方法，能用于基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达系统校准。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准光路如图1所示，其中双f-p干涉仪为可调谐式的，其腔长在较大范围内可调节，且有粗调和细调两种调谐模式，它由f-p干涉仪控制器控制。多纵模激光器发出中心频率为v0的脉冲激光由1
×
2光纤耦合器的一个支端耦合进入一段100m长裸光纤后，其准连续的后向散射光从1
×
2光纤耦合器的另一个支端输出，并由准直器准直成近似平行光束。该平行光束先分出一小部分由光电探测器e接收；大部分平行光均分后正入射至f-p干涉仪1和f-p干涉仪2，透射光分别由光电探测器1和光电探测器2接收。当双f-p干涉仪腔长固定时，利用光电探测器1和光电探测器2的接收信
号与光电探测器e的接收信号的比值以及两个分束片的分束比，可以获得中心频率为v0的多纵模激光入射至f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的透过率值。
6.利用上述校准光路进行雷达系统校准通过以下方法来实现：
7.1、以步长δdμm(可视情形增大步长)增大或减小双f-p干涉仪腔长(粗扫)，相应的f-p干涉仪的自由谱间距v
fsr
mhz减小或增大2δdν
fsr2
/c mhz，其中c为光速。腔长改变δdμm后，采用多纵模激光在
±
λnm范围内(λ为入射激光波长)再对双f-p干涉仪腔长细扫，扫描步长为δdnm(腔长改变δdnm等同于发射激光中心频率改变δv0＝2ν
fsr
δd/λ mhz，以δdnm步长细扫腔长等同于以步长δv0不断改变发射激光中心频率)，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列。利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合，得到f-p干涉仪1和2的透过率曲线；
8.2、对比腔长改变δdμm前后两次的透过率曲线峰值的高低，选择峰值逐渐增大的方向为腔长改变方向；
9.3、根据步骤2确定的腔长改变方向，以步长δdμm扫描双f-p干涉仪腔长(粗扫)，每扫一步(步数计为m)，再以步长δdnm细扫腔长，得到一组与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列(如图2所示)；
10.4、对步骤3获得的多组数据序列，采用非线性最小二乘法拟合得到每条透过率曲线峰值t
p
，进而获得一系列双f-p干涉仪腔长改变步数m-透过率峰值t
p
数据对(如图3所示)，并对该数据对进行非线性拟合，确定出最大峰值所对应的腔长步数，再将双f-p干涉仪腔长调节至对应位置，此时实现λ与ν
fsr
匹配校准；
11.5、停止对双f-p干涉仪腔长粗扫，再次对双f-p干涉仪腔长以步长δv0(或采用更小步长)细扫，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列，再利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合得到f-p干涉仪1和2的透过率校准曲线。
12.发明原理
13.频率为ν的单色光平行光正入射至第i个f-p干涉仪的透过率函数为
[0014][0015]
其中：i＝1，2；ηi＝t
p，i
(1-r
e，i
)/(1+r
e，i
)为第i个f-p干涉仪的平均透过率，t
p，i
和r
e，i
分别为第i个f-p干涉仪的峰值透过率和平板有效反射率，νi和ν
fsr
分别为第i个f-p干涉仪的中心频率和自由谱间距。
[0016]
多纵模中的每一条单纵模谱线可以用高斯线型近似，只是各条纵模的强度受到激光介质增益曲线的调制。因此，多纵模发射激光的谱函数为：
[0017][0018]
其中：δv
l
＝δv/(4ln2)
1/2
为单个纵模激光谱1/e高度处谱宽，δv为发射激光单个纵模的半高谱宽；ν0为发射激光中心频率；q是以选定的中心频率ν0(中心频率的q为0)为参考的纵模序数；λ为纵模间隔；cq为各条谱线的相对强度(规定ν0处相对强度为1)。
[0019]
经准直镜准直后，全发散角为2θ0的发射激光入射至双f-p干涉仪的透过率分别为
[0020][0021]
将(1)～(2)式带入(3)式积分得：
[0022]
t
il
(ν0)＝ηi(1+2σ
il
)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)式中
[0023][0024]
其中ν
′
fsr
＝2ν
fsr
/(1+cosθ0)。当满足条件λ＝pν
′
fsr
，p＝1，2，...时，上式可简化为
[0025][0026]
该式和采用单纵模光源获得的结果完全一致。
[0027]
对于真空腔f-p干涉仪有ν
fsr
＝c/2d，则
[0028][0029]
因此，δν
fsr
＝-2δdν
fsr2
/c，即腔长改变δd，f-p干涉仪自由谱间距改变δν
fsr
。
[0030]
此外，根据(4)～(5)两式，当中心频率ν0增加δν0，其透过率为t
il
(ν0+δν0，d)，令t
il
(ν0+δν0，d)＝t
il
(ν0，d+δd)，则有
[0031][0032]
因此，δν0＝-ν0δd/d＝-2ν
fsr
δd/λ，即f-p干涉仪的腔长减小δd，等效于入射光频率增大了δν0，对入射光频率的扫描可以用对f-p干涉仪腔长的扫描等效。
[0033]
图2为仿真得到的不同匹配误差时，腔长细扫步数乘以步长与f-p干涉仪1和2的透过率关系曲线。可以看出：频率匹配误差越小，透过率峰值越大；频率完全匹配时，峰值达到最大。图3为腔长粗扫步数乘以步长与f-p干涉仪1和2的透过率峰值的关系曲线，据此可确定频率完全匹配时的f-p干涉仪腔长。将腔长粗扫步数乘以步长转化为扫描频率，再扣除曲线峰值处所对应的频率值，就得到腔长粗扫步数乘以步长与匹配误差的对应关系，图3也可表示f-p干涉仪1或2透过率峰值随匹配误差的变化曲线。
[0034]
由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：在不改变激光雷达光路结构的前提下，能够准确、便捷的实现对基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达系统校准，包括激光纵模间隔λ与f-p干涉仪的自由谱间距ν
fsr
的匹配校准和双f-p干涉仪透过率曲线校准，在λ与ν
fsr
匹配的前提下，获得最优的双f-p干涉仪透过率校准曲线，使激光雷达系统的探测性能达最佳。
附图说明
[0035]
图1是本发明的实施光路图。
[0036]
图2是本发明实施过程中，不同匹配误差时，腔长细扫步数乘以步长与f-p干涉仪1和2的透过率关系曲线。
[0037]
图3是本发明实施过程中，腔长粗扫步数乘以步长与f-p干涉仪1和2的透过率峰值的关系曲线。
具体实施方式
[0038]
本发明的具体实施方法如下：
[0039]
1、利用图1所示的校准光路，以步长δdμm粗扫双f-p干涉仪腔长，相应的f-p干涉仪的自由谱间距ν
fsr
mhz减小或增大2δdν
fsr2
/c mhz，其中c为光速。当双f-p干涉仪腔长每改变δd μm后，采用多纵模激光在
±
λnm范围内(λ为入射激光波长)再对双f-p干涉仪腔长以步长δdnm细扫(等同于腔长不变，发射激光中心频率以步长δv0＝2ν
fsr
δd/λmhz细扫)，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列。利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合，得到f-p干涉仪1和2的透过率曲线，对比腔长改变δdμm前后两次的透过率曲线峰值的高低，选择峰值逐渐增大的方向为腔长改变方向；
[0040]
2、以步长δd μm沿确定的方向粗扫双f-p干涉仪腔长，每粗扫一步后，再以步长δdnm细扫腔长，得到一组与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列，每组数据序列与粗扫步数一一对应；
[0041]
3、对测得的多组数据序列采用非线性最小二乘法拟合，得到每条透过率曲线峰值t
p
，进而获得一系列双f-p干涉仪腔长粗扫步数与透过率峰值t
p
的数据对，并对该系列数据对进行非线性拟合，确定出最大峰值所对应的粗扫腔长步数；
[0042]
4、将双f-p干涉仪腔长调节至最大峰值所对应的位置，完成λ与ν
fsr
匹配校准，停止对腔长粗扫，再次对双f-p干涉仪腔长以步长δv0细扫，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列，再利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合得到f-p干涉仪1和2的透过率校准曲线。
技术特征：1.一种基于双f-p干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准方法。其特征是：采用在不改变激光雷达光路结构基础上构建的校准光路；双f-p干涉仪为可调谐式的，其腔长在较大范围内可调节，且有粗调和细调两种调谐模式，它由f-p干涉仪控制器控制；校准光源为发射激光脉冲入射至长裸光纤后的多纵模、准连续后向散射光。首先，以步长δdμm粗扫双f-p干涉仪腔长，相应的f-p干涉仪的自由谱间距ν
fsr
mhz减小或增大2δdν
fsr2
/c mhz，其中c为光速。当双f-p干涉仪腔长改变δdμm后，采用多纵模激光在
±
λnm范围内(λ为入射激光波长)再对双f-p干涉仪腔长以步长δd nm细扫(等同于腔长不变，发射激光中心频率以步长δv0＝2ν
fsr
δd/λmhz细扫)，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列。利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合，得到f-p干涉仪1和2的透过率曲线，对比腔长改变δdμm前后两次的透过率曲线峰值的高低，选择峰值逐渐增大的方向为腔长改变方向；然后，以步长δdμm沿确定的方向粗扫双f-p干涉仪腔长，每粗扫一步后，再以步长δd nm细扫腔长，得到一组与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列，而每组数据序列与粗扫步数一一对应；其次，对测得的多组数据序列采用非线性最小二乘法拟合，得到每条透过率曲线峰值t
p
，进而获得一系列双f-p干涉仪腔长粗扫步数与透过率峰值t
p
的数据对，并对该系列数据对进行非线性拟合，确定出最大峰值所对应的粗扫腔长步数；最后，将双f-p干涉仪腔长调节至最大峰值所对应的位置，完成λ与ν
fsr
匹配校准，停止对腔长粗扫，再次对双f-p干涉仪腔长以步长δv0细扫，得到与腔长细扫步数对应的f-p干涉仪1和2的透过率数据序列，再利用非线性最小二乘法对数据序列进行拟合得到f-p干涉仪1和2的透过率校准曲线。
技术总结本发明公开了一种基于双F-P干涉仪的多纵模多普勒激光雷达校准方法。双F-P干涉仪的腔长在较大范围内可调节，且有粗调和细调两种调谐模式，由F-P干涉仪控制器控制；校准光源为发射激光脉冲入射至长裸光纤后的多纵模、准连续后向散射光。校准时采用F-P干涉仪腔长粗扫和细扫交替扫描的方法。本发明在不改变激光雷达光路结构的前提下，能够准确、便捷的实现对基于双F-P干涉仪的多纵模多普勒激光雷达系统校准，包括激光纵模间隔Λ与F-P干涉仪的自由谱间距ν
技术研发人员：沈法华 徐菁苑 庄鹏 范安冬
受保护的技术使用者：盐城师范学院
技术研发日：2022.07.17
技术公布日：2022/11/1
