一种机载大气激光雷达光学发射系统及其激光发射方法与流程

1.本发明属于航空探测技术以及大气光学遥感探测技术领域，具体涉及一种机载大气激光雷达光学发射系统及其激光发射方法。


背景技术：

2.对于机载平台，关键的大气气溶胶参数主要包括风场参数、水汽浓度、大气温度、大气压力和结冰环境等，这些参数直接影响着飞行安全，需要在飞机飞行过程中得到实时准确探测，同时高可靠性的大气气溶胶遥感探测已成为气象气候研究和保障的重要方向，气象学、大气动力学、天气现象、大气过程等方面也急需快速准确、大范围探测的机载直接测量技术。其中，风场和大气温压、密度等参数探测一般采用物理手段，如皮托管没需要在飞机蒙皮外侧安装探测装置。水汽探测一般采用微波或光学探测技术，通过天线收发光信号实现对气溶胶水汽含量探测。其他记载大气的探测也一般采用物理方案。但目前，由于上述机载光学雷达设备普遍功能比较单一，针对不同的大气参数，需要采用分立的探测方式和探测仪器，不仅增大了机载气溶胶探测系统的复杂度，增大探测系统的体积重量和实现难度；而且机身蒙皮外的多个探头将降低飞机的隐身能力、影响气动布局；各分立系统的使用会导致探测时效性低、解调分析慢等问题，这些缺点极大影响着机载平台的飞行安全性。
3.近年来，激光雷达探测技术发展迅速，利用光学雷达技术对大气参数进行遥感探测，具有无接触、速度快、探测距离远等优势，是新一代大气环境探测设备，尤其是机载探测设备的发展趋势。目前，对利用光学雷达探测风场、水汽环境和大气温度压力等参数的仪器国内外已有部分研究和应用。但仍然存在功能单一，结构复杂的问题，研发一种对多参数实时探测分析的多功能大气探测设备是实际应用的需要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的机载大气激光雷达光学发射系统及其发射方法解决了现有的激光雷达探测仪器存在的功能单一结构复杂的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种机载大气激光雷达光学发射系统，包括：
6.激光光源：用于产生探测所需入射激光；
7.光开关：用于根据预设控制时序将入射激光入射至对应的探测光路中；所述探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；
8.激光调制单元：用于对各探测光路中的激光进行调制，获得各探测光路的目标特性激光；
9.收发镜头：用于将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气反射回波传输至接收单元；
10.接收单元：用于解算接收的大气反射回波，获得对应的探测参数。
11.本发明的有益效果为：
12.(1)本发明系统对多个参数探测和信号接收同一光源和收发镜头，有效减少收发镜头以及光源单元的数量，系统结构紧凑，体积重量显著减小，避免多雷达天线的冗杂结构。
13.(2)本发明系统结构使得多种参数均采用激光雷达技术进行探测，探测稳定性和时效性极大提高。
14.(3)本发明系统整体结构在蒙皮内侧，无外探结构，对飞机气动布局无影响，并且不影响飞机的隐身能力。
15.进一步地，当探测光路为风场探测光路时，所述激光调制单元包括环形器，所述光开关的输出端与环形器的入射端连接。
16.进一步地，当探测光路为水汽探测光路时，所述激光调制单元包括依次连接的光参量振荡器、泵浦激光器以及环形器。
17.进一步地，当探测光路为大气环境参数探测光路时，所述激光调制单元包括依次连接的倍频元件和环形器。
18.上述进一步方案的有益效果为：本发明通过一套激光雷达光学系统，可实现风场探测、水汽探测、结冰环境探测和其他相关大气参数探测，与现有的同类型机载光学雷达仪器的光学系统相比，本发明所提出的激雷达光学系统方案功能全面，可以满足多参数探测的需要，适合于机载平台的大气多参数实时高精度探测。
19.进一步地，所述接收单元包括接收光开关，以及均与所述接收光开关输出端连接的相干探测芯片、硅针探测器以及光子计数器。
20.进一步地，在风场探测光路的工作周期内，所述接收光开关连通相干探测芯片处于工作状态，使激光光源发出的入射激光与相干探测芯片的入射激光混频；
21.在水汽探测光路的工作周期内，所述接收光开关连通硅针探测器处于工作状态，获取激光调制过程中两个波长激光的反射光强度；
22.在大气环境参数探测光路的工作周期内，所述光开关连通光子计数器处于工作状态，对大气反射回波进行波形分析，获取大气环境参数。
23.上述进一步方案的有益效果为：本发明通过接收光开关加探测元件的组合方式，能够根据不同的参数探测需求，快速获得所需大气探测参数。
24.一种机载激光雷达光学发射系统的激光发射方法，包括以下步骤：
25.s1、设置光开关的控制时序；
26.s2、根据控制时序，将入射激光入射至对应的探测光路中；
27.其中，所述探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；
28.s3、通过激光调制单元对各探测光路中的激光进行调制，获得目标特性激光；
29.s4、通过收发镜头将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气回波传输至接收单元；
30.s5、通过接收单元解算大气反射回波，获得探测参数。
31.本发明的有益效果为：
32.利用同一激光光源实现大气多参数实时快速探测和分析，包括风场探测，如真空速、大气温度、气压，以及气溶胶湿度探测和结冰环境探测，并解算出攻角、侧滑角、大气总
温、马赫数、大气总压、大气动压、标准空速、大气静压、气压高度、升降速度以及云的相态和云的粒子尺寸等参数。与现有同类型机载光学雷达仪器相比，本发明所提出的激雷达光学系统方案功能全面，可以满足多参数探测的需要，适合于机载平台的大气多参数实时高精度探测。
33.进一步地，所述步骤s3中，当探测光路为风场探测光路时，目标特性激光为从光开关入射至环形器任一入射端口后按预设传输方向传输至收发镜头的激光；
34.当探测光路为水汽探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：
35.通过光参量振荡器将光开关输出的激光转换为水汽探测所需的两个波长的激光，并通过泵浦激光器放大后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光；
36.当探测光路为大气环境参数探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：
37.通过倍频元件将光开关输出的激光进行倍频转换后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光。
38.上述进一步方案的有益效果为：通过同一收发光学镜头在目标大气空域中收发信号，与现有同类型机载光学雷达仪器相比，对大气的多参数探测共用同一光源和收发镜头，中间元件根据探测元件灵活调整通路，无需针对每个待测大气参数一一设置探测系统。
39.进一步地，在所述风场探测光路的工作周期内，所述收发镜头在不同方向上进行机械旋转扫描，且所述环形器还通过分光结构与接收单元连接，将目标特性激光传输至接收单元。
40.进一步地，在所述水汽探测的工作周期内，利用大气环境参数探测光路探测到的大气环境参数对探测到的水汽浓度进行修正，获得水汽探测结果。
41.上述进一步方案的有益效果为：上述进一步方案根据实际探测需求，调整部分结构工作方式，使得本发明方法能应用到更多实际场景中。
附图说明
42.图1为本发明提供的机载大气激光雷达光学发射系统结构图。
43.图2为本发明提供的接收单元结构框图。
44.图3为本发明提供的机载大气激光雷达光学发射系统的激光发射方法流程图。
具体实施方式
45.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
46.实施例1：
47.如图1所示，本发明实施例提供了一种机载大气激光雷达光学发射系统，包括：
48.激光光源：用于产生探测所需入射激光；
49.光开关：用于根据预设控制时序将入射激光入射至对应的探测光路中；探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；
50.激光调制单元：用于对各探测光路中的激光进行调制，获得各探测光路的目标特性激光；
51.收发镜头：用于将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气反射回波传输至接收单元；
52.接收单元：用于解算接收的大气反射回波，获得对应的探测参数。
53.本发明实施例中光学系统，将一台激光光源发出的激光经过光开关分成三条光路，分别为风场探测光路、水汽探测光路和环境参数探测光路，通过时序控制对不同的大气参数进行探测，激光光源所发出的激光在不同的周期内分配至不同的探测光路中；其中，风场探测光路利用多普勒原理，水汽探测光路利用差分吸收光谱原理，大气环境参数探测采用拉曼光谱探测原理。
54.实施例2：
55.本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，当探测光路为风场探测光路时，激光调制单元包括环形器，光开关的输出端与环形器的入射端连接。本实施例中的环形器用于对入射激光进行单方向传输。
56.实施例3：
57.本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，当探测光路为水汽探测光路时，激光调制单元包括依次连接的光参量振荡器、泵浦激光器以及环形器。本实施例中的光参量振荡器用于进行激光的波长调制，产生差分吸收水汽探测所需要的两个波长的激光脉冲；泵浦激光器对产生的激光脉冲进行再生放大；环形器用于对入射激光进行单方向传输。
58.实施例4：
59.本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，当探测光路为大气环境参数探测光路时，激光调制单元包括依次连接的倍频元件和环形器。本实施例中的倍频元件用于对激光入射拉曼探测通道的光频率进行调制，其中的倍频晶体可以将入射光的频率改变为大气探测所需的锐利散射频率，从而得到大气探测所需要的目标特性激光；环形器用于对入射激光进行单方向传输。
60.实施例5：
61.本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，如图2所示，本实施例中的接收单元包括接收光开关，以及均与接收光开关输出端连接的相干探测芯片、硅针探测器以及光子计数器。
62.具体地，在各个参数的探测周期内，通过接收光开关周期性的改变传输特性，使大气反射回波信号进入对应参数相应的探测元件；在风场探测光路的工作周期内，接收光开关连通相干探测芯片处于工作状态，使激光光源发出的入射激光与相干探测芯片的入射激光混频；在水汽探测光路的工作周期内，接收光开关连通硅针探测器处于工作状态，获取激光调制过程中两个波长激光的反射光强度；在大气环境参数探测光路的工作周期内，光开关连通光子计数器处于工作状态，对大气反射回波进行波形分析，获取大气环境参数。
63.实施例6：
64.本实施例是在实施例1～5的基础上的进一步扩展，本实施例中的光学发射系统还包括相应的供电和控制单元，供电单元为光学系统中的各元件供电，包括激光光源和倍频元件，控制单元控制激光光源的激光发射以及光开关的时序发射。另外，本实施例系统中各
元件之间由准直扩束镜组、耦合镜组以及光纤等光学元件连接。
65.实施例7：
66.本实施例是对实施例1～7任一实施例的基础上的进一步扩展，其提供了机载激光雷达光学发射系统的激光发射方法，如图3所示，包括以下步骤：
67.s1、设置光开关的控制时序；
68.s2、根据控制时序，将入射激光入射至对应的探测光路中；
69.其中，探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；
70.s3、通过激光调制单元对各探测光路中的激光进行调制，获得目标特性激光；
71.s4、通过收发镜头将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气回波传输至接收单元；
72.s5、通过接收单元解算大气反射回波，获得探测参数。
73.实施例8：
74.本实施例是在实施例7的基础上的进一步扩展：
75.本实施例步骤s3中，当探测光路为风场探测光路时，目标特性激光为从光开关入射至环形器任一入射端口后按预设传输方向传输至收发镜头的激光。
76.具体地，基于风场探测光路实现风场信息探测的方法具体为：
77.激光光源产生的入射激光首先进入光开关的入射端口，光开关将入射端口进入的激光按时序从若干出射端口依次出射，在风场探测周期内，入射激光在光开关连的环形器的出射端口出射，环形器可以将入射其任一端口的光按确定的方向传入下一个端口，激光从光开关进入环形器后，按预先设定的光信号传输方向将光传输至收发镜头中，入射至待测大气区域，经大气发射的激光回波信号同样由收发镜头接收，再进入环形器的入射端口中，环形器将来自收发镜头的回波信号按设定的传输方向传输至接收单元中，经接收单元解算得到探测的大气风场信息。
78.实施例9：
79.本实施例是在实施例7的基础上的进一步扩展：
80.本实施例中步骤s3中，当探测光路为水汽探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：
81.通过光参量振荡器将光开关输出的激光转换为水汽探测所需的两个波长的激光，并通过泵浦激光器放大后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光；
82.具体地，基于水汽探测光路实现水汽信息探测的方法具体为：
83.激光光源产生的入射激光首先进入光开关的入射端口，光开关将入射端口进入的激光按时序从若干出射端口依次出射，在水汽探测光路的工作周期内，入射激光在光开关连接的光参量振荡器的出射端口出射，光参量振荡器可以将入射激光转换为水汽探测所需要的两个波长的激光，产生的激光再经过泵浦激光器放大后，进入环形器的入射端口中。环形器可以将入射其任一端口的光按确定的方向传入下一个端口，进入环形器后，按预先设定的光信号传输方向将光传输至收发镜头中，入射至待测大气区域，经过大气反射的激光回波信号同样由收发镜头接收再进入环形器的入射端口，环形器将来自收发镜头的回波光信号按设定的传输方向传输至接收单元中，经接收单元解算得到大气的水汽信息。
84.实施例10：
85.本实施例是在实施例7的基础上的进一步扩展：
86.本实施例中步骤s3中，当探测光路为大气环境参数探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：
87.通过倍频元件将光开关输出的激光进行倍频转换后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光。
88.具体地，基于大气环境参数探测光路实现大气环境参数探测的方法具体为：
89.激光光源产生的入射激光首先进入光开关的入射端口，光开关将入射端口进入的激光按时序从若干出射端口依次出射，在大气环境参数探测的周期内，入射激光在光开关连接的倍频元件的出射端口出射，入射至倍频元件中，倍频元件可以将入射的激光进行倍频转换，转换为波长更短的激光进行大气环境参数探测，被倍频元件转换后的激光进入环形器的入射端口中，环形器可以将入射其任一端口的光按确定的方向传入下一个端口，进入环形器后，按预先设定的光信号传输方向将光传输至收发镜头中，入射至待测大气区域，经大气发射的激光回波信号同样有收发镜头接收，再进入环形器的入射端口中，环形器将来自收发镜头的回波光信号按设定的传输方向传输至接收单元中，井接收单元解算得到大气的环境参数信息，包括温度、气压和空气密度等。
90.实施例10：
91.本实施例是在实施例8的基础上的进一步扩展，当风场的矢量探测需要至少得到三个相互正交的回波信号时，因此，在风场探测光路的工作周期内，收发镜头在不同方向上进行机械旋转扫描，且环形器还通过分光结构与接收单元连接，将目标特性激光传输至接收单元。
92.具体地，通过收发镜头在不同方向进行机械扫描旋转，从而在接收单元上获取若干个正交方向的风场信息用于解算大气风场的风向和风速等飞行参数，风场探测原理利用回波信号与发射激光所产生的多普勒效应，在风场探测光路中，激光经过环形器后设置分光结构，使一小部分激光进入接收单元中，与收发镜头所接收的包含大气风场信号的回波混频产生多普勒频移，根据激光频移量值解算出风场信息。
93.实施例11：
94.本实施例是在实施例9的基础上的进一步扩展：
95.在本实施例中，当基于差分吸收光谱原理利用水汽探测光路进行水汽浓度探测时，在水汽探测的工作周期内，利用大气环境参数探测光路探测到的大气环境参数对探测到的水汽浓度进行修正，获得水汽探测结果。
96.具体地，激光光源可以采用种子注入nd:yag激光器，激光器产生稳定的1064nm激光作为信号光。光参量振荡器可以将激光器发射的1064nm波长激光转换为水汽差分吸收探测所需要的两个波长的激光，其中一个波长处在水分子的吸收波长处，另一个波长在水分子的吸收波长附近，但几乎不被吸收，且两路波长间隔很近。频率转换后产生的激光再经过泵浦激光器放大后，即可由收发镜头发射至大气中，从而由接收单元探测大气中的水汽含量、冰晶尺寸以及云的相态等相关参数。
97.实施例12：
98.本实施例是在实施例10的基础上的进一步扩展：
99.在基于瑞利散射光谱原理利用大气环境参数探测光路进行大气参数探测的应用实例中，激光光源可以采用种子注入型nd:yag激光器，激光器产生稳定的1064nm激光作为信号光。激光经倍频元件转化为355nm后，由收发镜头发射至目标大气区域并接收回波，由接收单元获得回波信号，并根据反射光光谱波形的变化计算出大气温度、压强等参数，结合三条光路的探测数据，可进一步直接解算出飞机飞行所需的攻角、侧滑角、真空速、大气总温、马赫数、大气总压、大气动压、标准空速、大气静压、气压高度、水汽分布、结冰环境和升降速度。
100.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

技术特征：
1.一种机载大气激光雷达光学发射系统，其特征在于，包括：激光光源：用于产生探测所需入射激光；光开关：用于根据预设控制时序将入射激光入射至对应的探测光路中；所述探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；激光调制单元：用于对各探测光路中的激光进行调制，获得各探测光路的目标特性激光；收发镜头：用于将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气反射回波传输至接收单元；接收单元：用于解算接收的大气反射回波，获得对应的探测参数。2.根据权利要求1所述的机载大气激光雷达光学发射系统，其特征在于，当探测光路为风场探测光路时，所述激光调制单元包括环形器，所述光开关的输出端与环形器的入射端连接。3.根据权利要求1所述的机载大气激光雷达光学发射系统，其特征在于，当探测光路为水汽探测光路时，所述激光调制单元包括依次连接的光参量振荡器、泵浦激光器以及环形器。4.根据权利要求1所述的机载大气激光雷达光学发射系统，其特征在于，当探测光路为大气环境参数探测光路时，所述激光调制单元包括依次连接的倍频元件和环形器。5.根据权利要求1所述的机载激光大气雷达光学发射系统，其特征在于，所述接收单元包括接收光开关，以及均与所述接收光开关输出端连接的相干探测芯片、硅针探测器以及光子计数器。6.根据权利要求5所述的机载激光大气雷达光学发射系统，其特征在于，在风场探测光路的工作周期内，所述接收光开关连通相干探测芯片处于工作状态，使激光光源发出的入射激光与相干探测芯片的入射激光混频；在水汽探测光路的工作周期内，所述接收光开关连通硅针探测器处于工作状态，获取激光调制过程中两个波长激光的反射光强度；在大气环境参数探测光路的工作周期内，所述光开关连通光子计数器处于工作状态，对大气反射回波进行波形分析，获取大气环境参数。7.根据权利要求1～6任一所述权利要求的机载激光雷达光学发射系统的激光发射方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、设置光开关的控制时序；s2、根据控制时序，将入射激光入射至对应的探测光路中；其中，所述探测光路包括风场探测光路、水汽探测光路以及大气环境参数探测光路；s3、通过激光调制单元对各探测光路中的激光进行调制，获得目标特性激光；s4、通过收发镜头将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气回波传输至接收单元；s5、通过接收单元解算大气反射回波，获得探测参数。8.根据权利要求7所述的激光发射方法，其特征在于，所述步骤s3中，当探测光路为风场探测光路时，目标特性激光为从光开关入射至环形器任一入射端口后按预设传输方向传输至收发镜头的激光；
当探测光路为水汽探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：通过光参量振荡器将光开关输出的激光转换为水汽探测所需的两个波长的激光，并通过泵浦激光器放大后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光；当探测光路为大气环境参数探测光路时，获得目标特性激光的方法具体为：通过倍频元件将光开关输出的激光进行倍频转换后进入环形器的任一入射端口，将按预设传输方向从环形器出射端口出射的激光作为目标特性激光。9.根据权利要求8所述的激光发射方法，其特征在于，在所述风场探测光路的工作周期内，所述收发镜头在不同方向上进行机械旋转扫描，且所述环形器还通过分光结构与接收单元连接，将目标特性激光传输至接收单元。10.根据权利要求8所述的激光发射方法，其特征在于，在所述水汽探测的工作周期内，利用大气环境参数探测光路探测到的大气环境参数对探测到的水汽浓度进行修正，获得水汽探测结果。

技术总结
本发明公开了一种机载大气激光雷达光学发射系统及其发射方法，系统包括：激光光源：用于产生探测所需入射激光；光开关：用于根据预设控制时序将入射激光入射至对应的探测光路中；激光调制单元：用于对各探测光路中的激光进行调制，获得各探测光路的目标特性激光；收发镜头：用于将目标特性激光发射至待测大气区域，并接收大气反射回波传输至接收单元；接收单元：用于解算接收的大气反射回波，获得对应的探测参数。本发明通过一套激光雷达光学系统，可实现风场探测、水汽探测、结冰环境探测和其他相关大气参数探测，与现有的光学系统相比，本激雷达光学系统方案功能全面，可以满足多参数探测的需要，适合于机载平台的大气多参数实时高精度探测。数实时高精度探测。数实时高精度探测。


技术研发人员：田中天 张亚筠 刘兴涛 吴梅 张果 唐诗
受保护的技术使用者：成都凯天电子股份有限公司
技术研发日：2022.10.10
技术公布日：2023/7/21