一种基于dwdm光开关模块测量三维风量的光路切换通道和切换方法、及激光雷达
阅读说明：本技术 一种基于dwdm光开关模块测量三维风量的光路切换通道和切换方法、及激光雷达 (Optical path switching channel and switching method for measuring three-dimensional air volume based on DWDM optical switch module, and laser radar ) 是由 卢立武 肖增利 罗浩 李五一 乔乃燕 李智 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于DWDM光开关模块测量三维风量的光路切换通道,该通道是通过可调谐种子源激光器发出不同波段的激光,经过隔离分路、调制、放大,再通过DWDM光开关模块,进行分配到不同的对应的波长光路中的通道,其中还包括可调谐种子源激光器输出不同波长是通过可调谐种子驱动调整电流来实现的。同时还提供了包括上述光路切换通道的切换方法及激光雷达,是可调谐种子源和DWDM光开关取代原先MEMS光开关的新型方法,是能够通过采用DWDM光开关替换常规MEMS光开关,DWDM作为无源器件,无需外接供电,也不需要电路时序控制,插损较低,成本低,可靠性高,易于集成,可维护性高,满足目前批量生产激光雷达的需求。(The invention provides an optical path switching channel for measuring three-dimensional air volume based on a DWDM optical switch module, which is characterized in that the channel is a channel which is distributed to different corresponding wavelength optical paths through a DWDM optical switch module after laser of different wave bands is emitted by a tunable seed source laser, isolated, shunted, modulated and amplified, and the output of different wavelengths by the tunable seed source laser is realized by driving and adjusting current through tunable seeds. The DWDM is used as a passive device, external power supply is not needed, circuit time sequence control is not needed, insertion loss is low, the cost is low, the reliability is high, the integration is easy, the maintainability is high, and the requirement of the existing laser radar in batch production is met.)
技术领域
本发明属于三维风量测量设备及方法的技术领域，特别是涉及一种基于DWDM光开关模块测量三维风量光通道和切换方法、及激光雷达。
背景技术
相干多普勒激光雷达利用气溶胶后向散射信号和本振光的拍频信号，获取散射信号的多普勒频移，从而获得风速信息。而反演三维风场需要至少三个方向的风速值，通常激光雷达都会通过扫描方式来测量多个方向的风速。一般激光器环形器只有单个输出头，只能测量单个径向风速，无法辨别区域类的一个风速和风向的状态，我们需要在后面增加一个实现多通道切换的光学器件，从而实现多方向形成三维风量的测量方式。
现有的光切换的方法有：(1)机械式CDL结构，在望远镜筒的前方加装扫描器，扫描器的中心有一个8°的光楔元件，当光通过光楔时会发生折射，当扫描器旋转一周后，所扫到的一周形成倒立圆锥形，激光雷达在该扫描区域形成几个方向的坐标系，通过确认坐标系中的不同方向的风速，从而获得该风场风速信息。该方案，不过价格偏高，频率不宜过快，偏转角度控制比较繁琐，需要单独的控制器来控制扫描方式，可靠性一般；长期旋转对轴承的损耗比较大，导致光路中心容易有偏差，装入雷达使其整体结构偏大。
(2)磁光开光结构，在环形器的后面接入磁光开关，磁光开关是利用法拉第磁光效应的光开关，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，达到光路切换的效果，在通过不同指向的望远镜进行收发激光，从而实现三维风场的探测。该方案结构小巧，开关速度快，稳定性高，驱动电压低，串扰小，寿命时间长，但是价格比较高，需要额外信号控制时序，需要控温，来防止器件的插损变化，内部光学元件过多，器件参数的一致性难以控制，其制作周期较长，无法满足批量生产的需求。
(3)微机械式MEMS光开关，光通过透镜聚焦在mems振镜上，振镜通过电调谐，使其转动不同方向后，将光耦合的光纤阵列中，从而达到切换的光通道的效果，该方案价格便宜，内部光学元件少易集成，器件参数一致性比较好控制，制作周期短，能满足批量生产的需求，可调速率高，但是MEMS芯片属于半活动部件，偏转次数有寿命限制，和磁光开关比少了10^6，而且其内部光斑小，器件承受峰值功率高，耐受功率低。需要外部提供电路作为控制信号，且时序控制时容易出现漏切光或不切光的状态。
同时，现有使用MEMS光开关还存在以下的问题：
(a)现有方法使用MEMS光开关,耐受功率低，不利于现有激光雷达提升性能，容易被高功率打坏pigtail，导致插损变大，甚至不出光，器件直接损坏；且光纤阵列膜层无法承受过高功率，光纤通过C-LENS透镜聚焦在微振镜上，温度非常高，反射光直接将光纤阵列的膜层打坏；DWDM密集波分复用器为无源器件，对于功率可定制化，内部元器件可通过镀激光损伤膜层，防止元器件在雷达提升性能过程中出现被高功率激光击穿等相应问题而导致的插损变大，不出光等情况。DWDM密集波分复用器，可使用大模场无源光纤，以及内部镀膜的工艺，提高光功率输入以及输出，以便于激光雷达对未来的大能量的提升有很大帮助。
(b)现有方法使用MEMS光开关，对温度比较敏感，内部的C-LENS透镜折射率发生变化，在激光耦合到光纤阵列时容易偏，打到周边的胶水上导致气化，汽化胶水的会附着在光纤阵列上，光通过后容易导致端面烧毁；DWDM密集波分复用器由于内部结构简单，受温度影响低，无透镜耦合因素的影响
(c)现有方法使用MEMS光开关，需要电路板时序精确调制，否则容易出现漏切光，或者不出光的状态，造成雷达探测到错误数据，误码率高；DWDM密集波分复用器，属于无源器件，无需外部的电源以及信号控制，通过内部的滤波片和反射镜结构，筛检不同的波长，从不同波长的光纤输出，从而达到切换通道的效果。
基于上述的现有方法不足，为了满足目前测风激光雷达光开关模块低成本，高可靠性，能批量生产要求，急需新的技术方案。
发明内容
技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明基于可调种子激光器+无源器件DWDM(其中DWDM又称为密集波分复用器)基础上，提出一种基于DWDM开关模块的新型光通道，以及光通道下的切换方法，进一步提出具有上述光通道结构的激光雷达。
基于DWDM开关模块的光通道，是通过可调种子激光器给出不同波段的激光，经过放大后通过DWDM后，可自动分配到所对应的波长光路中，后经过望远镜发射到大气中，同时接收到大气的回波信号，回波信号也从相应的通道接收，从而获得风速信息。
本发明提出了一种基于DWDM光开关模块测量三维风量的光路切换通道，具体内容为：该通道是通过可调谐种子源激光器发出不同波段的激光，经过隔离分路、调制、放大，再通过DWDM光开关模块，进行分配到不同的对应的波长光路中的通道，其中还包括可调谐种子源激光器输出不同波长是通过可调谐种子驱动调整电流来实现的。
同时，本发明还提出了包括上述光路切换通道的激光雷达，所述激光雷达采用权利要求1所述的光路切换通道，具体地包括可调谐种子源激光器、可调谐种子驱动隔离器、DWDM光开关模块、望远镜组、耦合器、光电探测器、A/D数据采集及信号处理模块；
所述可调谐种子驱动用于辅助可调谐种子源激光器发出不同波长的激光；所述可调谐种子源激光器用于发出不同波长的激光，发送至隔离器；
所述隔离器，将激光分为两路，一路激光经过DWDM光开关模块、望远镜组光路回传处理，与另一路激光在耦合器耦合、相干；
所述光电探测器，用于对耦合后光信号转化为电信号，输出差频信号；
所述A/D数据采集及信号处理模块，连接在光电探测器输出信号端，进行数据处理，获得信号的时域及频域图。
作为改进，还包括声光调制器、射频驱动器、激光放大模块；所述视频驱动器用于将外部信号输出至声光调制器；所述声光调制器设置在隔离器输出信号端，用于对激光进行调制处理；所述激光放大模块在声光调制器输出信号端，用于对调制器输出光放大至合适功率。
作为改进，还包括光纤环形器，包括多个端口，一个端口用于接收激光放大模块的光射光，第二个端口用于发射信号光，第三个端口用于接收依次经过DWDM光开关模块、望远镜组回传处理的回波信号光。
同时，本发明还提供了所述基于DWDM光开关模块测量三维风量的激光雷达的光路切换方法，具体步骤为：
(i)通过可调谐种子驱动调整种子源电流，来调谐种子源激光器发出不同波段的激光；
(ii)通过分束器将(i)中激光分为两路，一路是激光经过可调衰减器后作为本振光输入到耦合器；另一路是激光经过声光调制器后被调制成脉冲激光并产生移频量fAOM，脉冲激光经激光放大模块放大后，经过光纤环形器、DWDM光开关模块和望远镜组发射到大气中，脉冲激光与大气中运动的气溶胶粒子相互作用，气溶胶的后向散射信号产生多普勒频移fD，然后再返回DWDM光开关模块、光纤环形器，直至耦合器与本振光相干拍频；相干拍频后的信号又经过平衡光电探测器转换成模拟射频信号，用A/D数据采集及信号处理模块将模拟信号转换成数字信号，然后通过算法处理计算出信号的频率f＝fAOM+fD，fD为气溶胶后向散射信号产生的多普勒移频量。
作为改进，DWDM光开关模块将光路分为多通道，当建立坐标系，定义当f-f0>0时，径向风速应大于0，其中径向风速f：接收到的散射信号的总频率；fAOM：声光移频频率，其中建立坐标系的具体方法：将望远镜分为四份，同时以不同角度射向大气中，按照逆时针方向，以右上角为1号望远镜筒，进行顺序标注，依次标注los1、los2、los3、los4；其中los1、los3、los2、los4间隔的水平夹角为30°；los 1、los 2，los 3、los 4间隔的垂直夹角为25°，这样打出去的激光构成一个矩形方阵，以los1与los2射出的光束n1和n2在测试距离范围平面上，形成一条水平线，以此水平线为上光束平面；以los3与los4射出的光束n3和n4在测试距离范围平面上，形成一条水平线，以此水平线为下光束平面。
作为改进，根据几何关系，上光束平面中，两束激光视线方向风速分别为：
则xu、yu的解为：
上光束平面风速、风向分别为：
θup＝arctan2(-yu,-xu)。
作为改进，计算下波束平面风速分量vdown，在下光束平面中，根据几何关系，两束激光视线方向风速分别为：
则xd、yd的解为：
其中，下光束平面风速、风向分别为：
θdown＝arctan2(-yd,-xd)
其中η:激光器效率常数，θt：水平望远镜发射夹角，θup：上平光束夹角，Vup：上平面风速，Vdown:下平面风速，θdown：下平面光束夹角。
作为改进，其中进行计算出风切变的指数和湍流状态，以及不同高度层的风速状态如下：
(i)湍流状态
(ii)风切变指数
(iii)不同高度层的风速计算
其中STATUS(vlos)：为标志位，σlos：风速标注差；风速平均值；Hlidar：雷达安装高度；Xt：水平测量距离；θs：垂直光束角度；Hhub：轮毂高度。
有益效果：本发明提出技术内容是利用可调谐种子源和DWDM密集波分复用器取代原先激光雷达利用光开关的方法，是一种新型的光通道切换方法，具体是通过可调种子激光器给出不同波段的激光，经过放大后通过DWDM光开关模块后，可自动分配到所对应的波长光路中，后经过望远镜发射到大气中，同时接收到大气的回波信号，回波信号也从相应的通道接收，从而获得风速信息。
进一步地与现有的常规相比，具有如下的优势：采用DWDM光开关替换了常规的MEMS光开关，DWDM作为无源器件，无需外接供电，也不需要电路时序控制，插损较低，成本低，可靠性高，易于集成，可维护性高，满足目前批量生产激光雷达的需求。同时，无需外部电信号控制，无需外加控温系统，可集成于小型化，可输出多路，插损小，可按需求定制换大能量器件，对雷达提升性能有着极大的帮助。
其中，插损是指插入损耗，由光纤输出头的进入光功率比输出光功率的比值，具体表示为：
附图说明
图1为本发明的激光雷达结构示意图。
图2为本发明DWDM波分复用器的组成结构示意图。
图3为本发明可调谐种子源激光器的工作原理图。
图4为本发明激光雷达四光束的集合关系图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
见图1中，本发明的基于DWDM光开关模块测量三维风量的激光雷达具体的结构为：
可调谐种子源激光器1：用于输出不同波长的连续激光。
可调谐种子驱动2：用于调制种子源激光器1不同波长。
隔离器3：防止回光返回可调谐激光器1，保护可调谐种子源激光器1不受损伤；并且将可调谐种子源激光分为本振光和信号光两路。
声光调制器4：由隔离器3输出的连续光，经过声光调制器4后，进行脉冲调制形成脉冲激光，且频率发生相应变化移动(频率移频量取决于使用的声光调制器4的频率)。
射频驱动器5：将外部信号输出给声光调制器4进行调制工作。
激光放大模块6：将调制器输出光放大至适合功率，以便探测。
光纤环形器7：共有三个端口，一端口接收放大模块发射的光，二端口发射信号光，三端口接收回波信号光。
DWDM密集波分复用器，也可称为DWDM光开关模块8：将不同波长的激光分别通过不同的通道输出到望远镜后，发射到大气中，并通过收发同置的方式来接收大气的激光回波信号。
望远镜组9：将能量汇聚在所需的大气距离，同时接收大气中激光后向散射的信号。
耦合器10：将隔离器2输出的本振光和光纤放大器5的环形器回波信号进行耦合，相干，并将相干后的激光分为两束输出至平衡探测器8中。
光电探测器11：将7耦合的两束相干光进行拍频，拍频后的光信号转换成电信号后，输出差频信号。
A/D数据采集及信号处理模块12：将平衡光电探测器8输出的连续的模拟信号转换成离散的数字信号，进行数据处理，并得到信号的时域及频域图。
作为本发明的具体实施方式，采用上述的激光雷达具体的测试方法为：
通过可调谐种子驱动2调整可调谐种子源激光器1的电流，来控制可调谐种子源变化不同的波长输出连续激光，激光通过隔离器3，也可以为分路器后，一路分至本振光作为拍频，一路在主光路上作为信号光，与此同时雷达电路板提供给射频驱动器5同步调制信号，在由射频驱动器5给声光调制器4调制信号，信号光经过声光调制器4，被调制成脉冲激光且产生相应与声光调制器4的频率的移频量fAOM。
光纤放大器6被放大至探测所需的功率大小；输出的脉冲放大激光从光纤环形器7一端口输入，从光纤环形器7的二端口输出，接入DWDM光开关模块8进行不同波长的通道切换后经过望远镜组8发射到大气中的气溶胶上，激光遇到气溶胶后，会有向后散射效果，此时通过望远镜组9接收后向散射信号，通过光纤环形器7；回光信号和分路/隔离器3的一路本振光耦合至耦合器10中，进行相干拍频并分为两束；两束相干拍频后的光信号输入光电探测器11，由光电探测器11将光信号转换为电信号，输入到A/D数据采集及信号处理模块12。
可调谐种子驱动2调整可调谐种子源激光器1发出不同波长激光是通过如下的设置：激光器在谐振腔的两端分别有一个取样光栅作为反射光栅。将两取样光栅的光栅间隔设计得略微有些不同。这样产生的光谱会有不同模式的间隔。只有同时处于两个光纤反射峰值上的模式，才有可能形成光的谐振放大。通过改变注入电流来移动其中的一个光栅的反射谱，这样便可以使反射峰重合位置发生变化，从而得到不同频率的输出光。同样，中间有一级相位区，也是作为精细调节区，通过此区改变各模式振荡位置来实现准连续的波长调节，范围可达百纳米，且选择波长更为精细。
可选择地，通过增加电流调制出几个不同波长，由引一路光出来进入标准具，通过功率变化-电流变化-电压变化，来实现稳波长，主要原因在于风速反演中，风速大小和波长相关，波长精度会影响风速精度。
DWDM光开关模块8，又称为DWDM密集波分复用器的工作原理：类似于多个WDM器件集成在一起。多个波长通过多模光纤经过DWDM波分复用器后，通过波分复用器将不同的波长的激光分离开来。根据DBR可调谐种子源激光器调制出的几个波长合波激光通过光纤耦合至DWDM光器件中，光通过棱镜折射到每一个光纤阵列中，每个光纤阵列的前端放置介质膜的滤波片，只有光波长在该滤波范围内，才可通过滤波片进入光纤中发射出去；否则无法通过该波长的滤波片，会被该滤波片反射回去，此时，在模块的边缘镀了一层反射膜，将第一个滤波片反射回来的光再次反射到下一个光纤阵列的端口，同样下一个端口放置着不同波长的滤波片。依次反复作用，通过不同的滤波片和反射镜的来回反射找到合适波长后，光进入该光纤阵列对应端口，目的是将多模光纤中的多数波长分解为单一波长从不同的波长通道输出，实现光切换的方法。由于雷达系统里光开关模块需要低插损，高回损，耐受功率高，偏振态>18dB，可靠性高,这些关键参数DWDM都可以很好的满足要求。
实施例1
基于DWDM光开关模块测量三维风量的激光雷达的光路切换方法，具体步骤为：
(i)通过可调谐种子驱动2调整种子源电流，来调谐种子源激光器1发出不同波段的激光；
(ii)通过分束器将(i)中激光分为两路，一路是激光经过可调衰减器后作为本振光输入到耦合器10；另一路是激光经过声光调制器4后被调制成脉冲激光并产生移频量fAOM，脉冲激光经激光放大模块6放大后，经过光纤环形器7、DWDM光开关模块8和望远镜组9发射到大气中，脉冲激光与大气中运动的气溶胶粒子相互作用，气溶胶的后向散射信号产生多普勒频移fD，然后再返回DWDM光开关模块8、光纤环形器7，直至耦合器10与本振光相干拍频；相干拍频后的信号又经过平衡光电探测器11转换成模拟射频信号，用A/D数据采集及信号处理模块12将模拟信号转换成数字信号，然后通过算法处理计算出信号的频率f＝fAOM+fD，fD为气溶胶后向散射信号产生的多普勒移频量。
因为已知fAOM，通过公式v＝fD*λ/2(其中fD为气溶胶后向散射信号产生的多普勒移频量，λ为激光波长，v为光探测方向上的风速)和脉冲激光飞行时间ΔT计算出不同距离D＝(ΔT*c)/2的风速(c＝3*102m/s，为光速)。由于激光雷达测量的是一个风场的风速变化信息，而单一通道只能探测到激光雷达的径向风速，无法测风向，及变化的状态；如图1，光开将光路分为多通道可实现反演三维风场的风向，风速以及变化的状态。
(1)测量径向风速v1、v2、v3、v4，其计算公式为：
根据前面坐标系定义，当f-f0>0时，径向风速应大于0，因此，对于得到的径向风速，实际应用时，v＝-v，其中f：接收到的散射信号的总频率；fAOM：声光移频频率。
本发明中将望远镜分为四份，同时以不同角度射向大气中。按照逆时针方向，以右上角为1号望远镜筒，依次标注los1.los2.los3.los4；其中los1、los3，los 2、los 4间隔的水平夹角为27°；los 1、los 2，los 3、los 4间隔的垂直夹角为15°，这样打出去的激光可构成一个矩形方阵，如图4。我们以los1与los2射出的光束n1和n2在测试距离范围平面上，形成一条水平线，以此水平线为上光束平面；我们以los3与los4射出的光束n3和n4在测试距离范围平面上，形成一条水平线，以此水平线为下光束平面。
(2)计算上光束平面风速分量vup。
在上光束平面中，根据几何关系，两束激光视线方向风速分别为：
则xu、yu的解为：
因此，上光束平面风速、风向分别为：
θup＝arctan2(-yu,-xu)
(3)计算下波束平面风速分量vdown。
在下光束平面中，根据几何关系，两束激光视线方向风速分别为：
则xd、yd的解为：
因此，下光束平面风速、风向分别为：
θdown＝arctan2(-yd,-xd)
此时获得上下光束平面的风速、风向状态，再计算出风切变的指数和湍流状态，以及高度层的风速状态。
(4)湍流状态
(6)风切变指数
(7)不同高度层的风速计算
其中STATUS(vlos)：为标志位，σlos：风速标注差；风速平均值；Hlidar：雷达安装高度；Xt：水平测量距离；θs：垂直光束角度；Hhub：轮毂高度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。