一种激光测风雷达

技术领域

本申请涉及激光测风雷达的技术领域，尤其是涉及一种激光测风雷达。

背景技术

激光测风雷达技术是利用大气中随风飘移的气溶胶对激光散射的多普勒频移效应来测量大气风场结构分布的一种现代光电技术。主要特点是采用光学方法,对测量空域的大气风场进行非接触式实时三维测量,具有响应快、精度高、空间分辨率高、体积小、结构紧凑等特点,在风力发电站、短期气象监测及预报、大气环境监测等方面具有广泛的应用前景,是一种新型、高效的气象条件测系统。

激光多普勒测风雷达采用相干探测原理,利用人眼安全的1550nm激光作为照射光源,通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频,并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移,结合雷达的光机扫描,最终实现对大气风场信息的测量。

目前常用的激光测风雷达发射镜头呈同一发射角度发射激光后，接收带有风速信息的散射回波信号，从而实现风速信息的检测。但是目前使用的激光测风雷达测量的到的风速信息准确性需要进一步提升。

发明内容

为了提高激光测风雷达测量风速的准确度，本申请提供一种激光测风雷达。

本申请提供一种激光测风雷达，采用如下的技术方案：。

一种激光测风雷达，包括：

光学镜头，包括镜筒和设置于所述镜筒内的透镜组；以及

四个激光通道，四个所述激光通道分别设置于所述镜筒的进光端且在位置上平分为2组，第一组激光通道出射的第一探测激光直接进入所述透镜组，第二组激光通道出射的第二探测激光经反射后进入所述透镜组；

所述透镜组对激光通道出射的第一探测激光及第二探测激光的出射方向分别进行调制以使两个第一探测激光经过所述透镜组调制后形成夹角α

进一步的，第一夹角是α

进一步的，所述透镜组包括沿激光的传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜的第一表面为凸面，第二表面为凹面；

所述第二透镜的第一表面为凸面，第二表面为凹面；

所述第三透镜的第一表面为凸面，第二表面为凸面；

所述第四透镜的第一表面为凹面，第二表面为凸面。

进一步的，所述镜筒内设置有平面反射镜，所述平面反射镜设置于所述第二探测激光的传播路径上，且第二探测激光经平面反射镜反射后与第一探测激光处于同一平面射入透镜组内。

进一步的，所述第一透镜的焦距F1满足51.55≤F1≤61.22，且所述第一透镜的厚度为6-7mm。

进一步的，所述第二透镜的焦距F2满足-1668.44≤F2≤-1361.99，且所述第二透镜的厚度为4-5mm。

进一步的，所述第三透镜的焦距F3满足-198.75≤F3≤-162.25，且所述第三透镜的厚度为7-9mm。

进一步的，所述第四透镜的焦距F4满足-89.95≤F4≤-73.43，且所述第四透镜的厚度为3-5mm。

进一步的，所述第二透镜和第三透镜之间设置有光阑，所述第二透镜与所述光阑之间的间距为16～18mm，所述第三透镜与所述光阑之间的间距为36～38mm。

进一步的，所述第一透镜和所述第二透镜之间的间距为3.5～4.0mm，所述第三透镜和所述第四透镜之间的间距为1.5～2.0mm。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请激光测风雷达通过设置四个激光通道，实现多组测量数据的收集；同时将四个激光通道分为两组，两组激光通道分别形成两种不同夹角的探测激光，通过比对不同夹角探测激光的测量数据，对测量结果进行优化，进而降低本申请的测量误差，提高本申请测风雷达的测量精度；

2.通过本申请透镜组的结构参数设计能够提高光学镜头的性能，降低像差，使得本申请激光测风雷达接收到的激光信号能量更强，从而能够降低激光器的发射功率，实现光学镜头口径的减小；

3.本申请通过在光学镜头内部设置平面反射镜，实现两组激光通道的错层，从而在实现四组探测光处于同一平面射出的前提下，能够减小镜筒的筒径，进而使得测风雷达体积更小。

附图说明

图1是本申请实施例光学镜头的整体结构示意图；

图2是本申请实施例用于展示透镜组结构的平面示意图；

图3是本申请实施例用于展示激光传输路径的光路图；

图4是本申请实施例1中第一探测激光的波前函数图像；

图5是本申请实施例1中第一探测激光的点列图；

图6是本申请实施例1中第一探测激光的几何圈入能量通道图；

图7是本申请实施例1中第二探测激光的波前函数图像；

图8是本申请实施例1中第二探测激光的点列图；

图9是本申请实施例1中第二探测激光的几何圈入能量通道图。

附图标记说明：1、光学镜头；11、镜筒；12、第一透镜；13、第二透镜；14、光阑；15、第三透镜；16、第四透镜；17、平面反射镜；2、第一组激光通道；3、第二组激光通道。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的实施例的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

本申请实施例公开的一种激光测风雷达，参照图1，一种激光测风雷达包括光学镜头1，光学镜头1包括镜筒11和设置在镜筒11内的透镜组。镜筒11的进光端设置有四个激光发射器，四个激光发射器形成四个激光通道向镜筒11内发射探测激光。具体的，四个激光通道分为两组，第一组激光通道2用于发射第一探测激光，第二组激光通道3用于发射第二探测激光，且用于发射第一探测激光的两个激光通道设置在用于发射第二探测激光的两个激光通道的两侧。发射的第一探测激光和第二探测激光进入镜筒11并经过透镜组调制出光角度后射出镜筒11

参照图2，镜筒11内还设置有平面反射镜17，平面反射镜17镜设置于第二探测激光的传播路径上，第二探测激光发出后经平面反射镜17至与第一探测激光处于同一平面，再射入透镜组内。

参照图3，两束第一探测激光经透镜组调制后形成的两束出射光之间的夹角为α

参照图2，通过设置两组激光通道，且第一探测激光和第二探测激光的出光角度呈不同夹角，使得激光测风雷达接收带有风速信息的回光信号时，能够对不同角度的探测激光测量数据进行对比，从而减小测量误差，提高测量准确性。另外，将两组激光通道分层设置，并通过平面反射镜17实现第一探测激光的传播角度反射，使得在实际进行光学镜头1生产时，能够减少多个激光通道的安装宽度，从而减小镜筒11的设计尺寸。

参照图2，透镜组包括从镜筒出光端向镜筒进光端方向依次设置的第一透镜12、第二透镜13、光阑14、第三透镜15和第四透镜16。对每个透镜均作出如下定义，靠近镜筒11出光端的一侧定义为第一表面，靠近镜筒11进光端的一侧定义为第二表面。

参照图2，第一透镜12的第一表面为凸面，第二表面为凹面，且第一透镜12具有正光焦度。第一透镜12的焦距F1的范围为：51.55≤F1≤61.22，第一透镜12的厚度范围为：6-7mm。

参照图2，第二透镜13的第一表面为凸面，第二表面为凹面，且第二透镜13的焦距F1的范围为：-1668.44≤F2≤-1361.99，且第而透镜具有负光焦度。第一透镜12的厚度为4-5mm。

参照图2，第三透镜15的第一表面凸面，第二表面为凸面，且第三透镜15的焦距F3满足以下范围：-198.75≤F3≤-162.25，第三透镜15具有负光焦度。第三透镜15的厚度为7-9mm。

参照图2，第四透镜16的第一表面为凹面，第二表面为凸面，且第四透镜16的焦距F4满足以下范围：-89.95≤F4≤-73.43，第四透镜16具有正光焦度。第四透镜16的厚度为3-5mm。

参照图2，第一透镜12和第二透镜13之间的距离为3.5～4.0mm，第二透镜13光阑14之间的距离为16～18mm，光阑14和第三透镜15之间的距离为36～38mm，第三透镜15和第四透镜16之间的距离为1.5～2.0mm。

在其中一实施例中，两束第一探测激光经过透镜组后形成的夹角α

表1

在本实施例中，利用本申请光学镜头形成的第一探测激光的波前函数图像、点列图、几何圈入能量通道图分别如图4-6所示。

在本实施例中，利用本申请光学镜头形成的第二探测激光的波前函数图像、点列图、几何圈入能量通道图分别如图7-9所示。

由图4所示的波前函数图像得出波峰到波谷＝0.0564波，RMS＝0.0127波，由图7所示的波前函数图像得出波峰到波谷＝0.0509波，RMS＝0.0125波。通过上述两组数值可以知道利用本申请透镜组收集的回波探测信号所形成的波前函数图像中，回波信号经过光学镜头收集后，波前图较为平整，RMS值较小，波前畸变越小，说明本申请光学镜头的像质越好，测量误差越小。

由图5所示的点列图得出RMS半径＝2.346、GEO半径＝5.428，由图8所示的点列图得出RMS半径＝2.010、GEO半径＝4.928。由此可知RMS半径和GEO均小于相对应的艾利斑半径，说明本申请测风雷达接收到的回波探测信号较集中，测量效果更好。

由图6和图9所示的几何圈入能量通道图可以看出当半径在4～6μm时，圈入能量分数即能达到80％，即在较小的半径下能够接收到较多的能量，进而说明本申请光学镜头的性能更好。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。