专利名称：准双多普勒激光雷达装置及其测量方法
准双多普勒激光雷达装置及其测量方法 发明名称 本发明具体涉及一种准双多普勒激光雷达测量装置及其测量方法。
背景技术：
多普勒激光雷达测风技术是一种新兴技术，相比多普勒微波雷达它有着测量精度 高、时空分辨率高的优势。已有的多普勒激光雷达主要包括中央控制与数据处理单元、激光 器、光学扫描装置、望远镜、多普勒频率移动鉴别器以及信号采集与数据处理器，其中重要 且价格昂贵的是激光器、多普勒频率移动鉴别器和信号采集与数据处理器。风场是具有三 个独立分量的矢量，目前应用一部多普勒激光雷达测量大气风场必须基于同一平面内局部 风场均匀的假设条件。但这个风场均匀性的约束条件不总是成立的，这将导致测量出的风 场与实际的风场不一致。故而出现了两部乃至多部多普勒激光雷达联合测量风场。首先每 部多普勒激光雷达分别对同一区域测量，然后将同一点测量的速度矢量合成为实际风速。 显然，使用两部或多部多普勒激光雷达测量风场的不但成本高昂，也大大限制其广泛普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种准双多普勒激光雷达测量装置及其测量方法，以弥补现 有技术的不足。 本发明是在已有的一部多普勒激光雷达的基础上，专门设计一种光学收发装置； 光学收发装置协同多普勒激光雷达工作，在测量功能上实现两部多普勒激光雷达测量目标 区的风�。锏讲饬烤雀咔页杀镜偷哪康摹� 本发明包括一部带有光学扫描装置的多普勒激光雷达，其特征在于它还包括受伺 服装置控制的带有转镜、水平转镜和垂直转镜的光学收发装置；多普勒激光雷达和光学收 发装置距离在1. 5千米到3千米范围内。伺服装置和多普勒激光雷达通过无线网络传输指 令和状态信息；其光学收发装置的转镜将先接收来自多普勒激光雷达的探测光束、并反射 到水平转镜后经由垂直转镜的中心发射到目标区，目标区的散射光信号凭借收发装置的垂 直转镜，水平转镜和转镜返回到多普勒激光雷达的光学扫描装置上；目标区的散射光信号 凭借收发装置的垂直转镜，水平转镜和转镜返回到多普勒激光雷达的光学扫描装置上。
上述光学收发装置包括壳体内固定在传动轴上并受俯仰电机啮合带动的转镜，该 壳体下部固定的齿轮座落在底座上并与底座滑动连接，该齿轮与固定在底座一侧的方位电 机相啮合而水平转动；承载体底部固定有底座和伺服装置，承载体顶部承载着水平转动壳 体；固定在承载体一侧的方位步进电机啮合带动该壳体下方的圆环形方位齿轮，方位齿轮 底部和承载体滑动连接；水平转动壳体左侧的转镜座上固定有与水平面呈45度夹角的水 平转镜，该壳体右侧底部的俯仰步进电机和垂直转动壳体内左侧的俯仰齿轮啮合；转镜中 心，水平转镜中心以及方位齿轮中心在同一直线上；水平转动壳体与垂直转动壳体以滑环 滑动连接，垂直转镜固定在垂直转动壳体右侧内的垂直转镜座上；垂直转镜与该垂直转镜 和水平转镜的中心连线呈45度夹角。
本发明的测量风场的方法是首先利用多普勒激光雷达上的光学扫描装置发射探测光束到目标区并且获取该目标区各点的径向风矢量，然后多普勒激光雷达上的光学扫描装置将该探测光束传给光学收发装置；光学收发装置将接收到的探测光束经由水平转镜与垂直转镜发送到目标区域，并将目标区散射的光学信号返回至多普勒激光雷达，以再次获取该目标区各点径向风矢量；最后目标区内各点的风速由两次测量的径向风矢量按照平行四边形法则矢量合成得到。 本发明测量风场利用了同一点的两个不同方向的风矢量来合成风�。洳饬拷峁鹊ゲ坷状镌诩偕璺绯【戎跫虏饬砍龅慕峁咏谑导是榭觯徊⑶冶痉⒚鞯某杀鞠灾陀诹讲慷嗥绽占す饫状锏牟饬孔爸茫饬糠奖悖雀�。
图1是本发明的总体结构示意图。 图2是本发明的光学收发装置的总体结构示意图。 其中，1多普勒激光雷达，2光学扫描装置，3光学收发装置，4转镜，5传动轴，6水平转镜，7垂直转镜，8伺服装置，9壳体，10齿轮，11底座，12方位电机，13俯仰电机，14承载体，15方位步进电机，16方位齿轮，17转镜座，18水平转动壳体，19俯仰步进电机，20滑环，21俯仰齿轮22，垂直转动壳体，23垂直转镜座，24目标区。实线箭头表示激光探测光束的传播方向，虚线箭头表示目标区散射光信号传播方向。
具体实施例方式
本发明包括一部带有光学扫描装置2的负责发射激光与收集信号并计算出速度的多普勒激光雷达l，其特征在于它还包括受伺服装置8控制的带有转镜4、水平转镜6和垂直转镜7的光学收发装置3，多普勒激光雷达1和光学收发装置3距离在1. 5千米到3千米范围，伺服装置8通过无线网络接收多普勒激光雷达1的指令来控制方位电机12，俯仰电机13，方位步进电机15和俯仰步进电机19，并将当前转动状态信息反馈给多普勒激光雷达1 ;其光学收发装置3的转镜将先接收来自多普勒激光雷达1的探测光束、并反射到水平转镜6后经由垂直转镜7的对称中心发射到目标区24 ;目标区24的散射光信号凭借收发装置3的垂直转镜7，水平转镜6和转镜4返回到多普勒激光雷达1的光学扫描装置2上。
上述光学收发装置3包括壳体9内固定在传动轴5上并受俯仰电机13啮合带动的转镜4，该壳体9下部固定的齿轮10座落在底座11上并与底座11滑动连接，该齿轮10与固定在底座11 一侧的方位电机12相啮合而水平转动；承载体14底部固定有底座11和伺服装置8，承载体14顶部承载着水平转动壳体18，固定在承载体14 一侧的方位步进电机15啮合带动该壳体18下方的圆环形方位齿轮16，方位齿轮16底部和承载体14滑动连接；水平转动壳体18左侧的转镜座17上固定有与水平面呈45度夹角的水平转镜6，该壳体18右侧底部的俯仰步进电机19和垂直转动壳体22内左侧的俯仰齿轮21啮合；水平转动壳体18与垂直转动壳体22以滑环20滑动连接，垂直转镜7固定在垂直转动壳体22右侧内的垂直转镜座23上；垂直转镜7与该垂直转镜7和水平转镜6的中心连线呈45度夹角。水平转动壳体18和垂直转动壳体22 —起在方位步进电机15带动下在水平面内自由旋转；垂直转动壳体22在俯仰步进电机19带动下在垂直平面内自由旋转。垂直转动壳体22的侧面
4正对着垂直转镜7有一圆形玻璃窗口 ，以传输来自多普勒激光雷达1和目标散射的光束并且保护内部光学镜面不受污染。转镜4中心和水平转镜6中心与方位齿轮16中心在同一直线上。 上述的方位电机12和齿轮10的齿轮比，以及俯仰电机13和传动轴5的齿轮比小于l : 15以保证转镜4的角度转动精度不大于0. l度。 上述的伺服装置8是由已有的无线收发器和步进电机驱动电路组成，接收多普勒激光雷达1的指令以同时控制四个步进电机——方位电机12，俯仰电机13，方位步进电机15和俯仰步进电机19转动，并将其状态信息反馈到多普勒激光雷达1。
本发明的测量风场的方法是首先利用多普勒激光雷达1上的光学扫描装置2发射探测光束到目标区24并且获取该目标区24各点的径向风矢量，然后多普勒激光雷达1上的光学扫描装置2将该探测光束传给光学收发装置3 ;光学收发装置3将接收到探测光束并在伺服装置8的指令下开始调整转镜4的方位角和俯仰角，直至光束竖直向上照射到水平转镜6的对称中心，然后经由垂直转镜7发送到目标区域24，并将目标区24散射的光学信号返回至多普勒激光雷达1，以再次获取该目标区24各点径向风矢量；最后目标区24内各点的风速由两次测量的径向风矢量按照平行四边形法则矢量合成得到。
本发明中多普勒激光雷达1可以选用直接探测多普勒激光雷达，也可以选用相干多普勒激光雷达。转镜座17和垂直转镜座23的底座一般用桁架搭建。承载体14可以用越野车载体或者集装箱。所有的步进电机都可以配置同样型号。
权利要求
一种准双多普勒激光雷达测量装置，包括带有光学扫描装置(2)的多普勒激光雷达(1)，其特征在于它还包括受伺服装置(8)控制的带有转镜(4)、水平转镜(6)和垂直转镜(7)的光学收发装置(3)，且多普勒激光雷达(1)和光学收发装置(3)距离在1.5-3千米范围内；上述伺服装置(8)和多普勒激光雷达(1)通过无线网络传输指令和状态信息，上述光学收发装置(3)的转镜将先接收来自多普勒激光雷达(1)的探测光束、并反射到水平转镜(6)后经由垂直转镜(7)的中心发射到目标区(24)；目标区(24)的散射光信号依次凭借收发装置(3)的垂直转镜(7)，水平转镜(6)和转镜(4)返回到多普勒激光雷达(1)的光学扫描装置(2)上。
2. 如权利要求1所述的准双多普勒激光雷达测量装置，其特征在于上述的光学收发装置(3)包括壳体(9)内固定在传动轴(5)上并受俯仰电机(13)啮合带动的转镜(4)，该壳体(9)下部固定的齿轮(10)座落在底座(11)上并与底座(11)滑动连接，该齿轮(10)与固定在底座(11) 一侧的方位电机(12)相啮合而水平转动；承载体(14)底部固定有底座(II) 和伺服装置(8)，承载体(14)顶部承载着水平转动壳体(18);固定在承载体(14) 一侧的方位步进电机(15)啮合带动该壳体(18)下方的圆环形方位齿轮(16)，方位齿轮(16)底部和承载体(14)滑动连接；水平转动壳体(18)左侧的转镜座(17)上固定有与水平面呈45度夹角的水平转镜(6)，该壳体(18)右侧底部的俯仰步进电机(19)和垂直转动壳体(22)内左侧的俯仰齿轮(21)啮合；水平转动壳体(18)与垂直转动壳体(22)以滑环(20)滑动连接，垂直转镜(7)固定在垂直转动壳体(22)右侧内的垂直转镜座(23)上；所述转镜(4)中心和水平转镜(6)中心与方位齿轮(16)中心在同一直线上；垂直转镜(7)与该垂直转镜(7)和水平转镜(6)的中心连线呈45度夹角。
3. 如权利要求2所述的准双多普勒激光雷达测量装置，其特征在于上述的方位电机(12) 和齿轮(10)的齿轮比小于1 : 15。
4. 如权利要求2所述的准双多普勒激光雷达测量装置，其特征在于上述的俯仰电机(13) 和传动轴(5)的齿轮比小于1 : 15。
5. 用权利要求1所述准双多普勒激光雷达测量装置进行测量的方法，首先利用多普勒激光雷达(1)上的光学扫描装置(2)扫描探测光束到目标区(24)并且获取该目标区各点的径向风矢量；然后光学扫描装置(2)将探测光束传给光学收发装置(3);该光学收发装置(3)将接收到的探测光束发送到目标区域(24)，并将目标区(24)的散射光学信号返回至多普勒激光雷达(l)，以再次获取该目标区(24)各点径向风矢量；最后目标区(24)内各点的风速由两次测量的径向风矢量按照平行四边形法则合成得到。
全文摘要
本发明涉及一种准双多普勒激光雷达装置及其测量方法。包括有光学扫描装置的多普勒激光雷达，其特征是它还包括受伺服装置控制的带有转镜、水平转镜和垂直转镜的光学收发装置协同多普勒激光雷达实现两部多普勒激光雷达测量目标区风场的功能。方法是多普勒激光雷达发射探测光束到目标区获取该目标区各点的径向风矢量，然后其上的光学扫描装置将该探测光束传给光学收发装置；该光学收发装置将先接收来自多普勒激光雷达的探测光束发射到目标区，把目标区的散射光信号返回到多普勒激光雷达，以再次获取该目标区各点径向风矢量；最后目标区内各点的风速由两次测量的径向风矢量合成得到，测量方便，精度高，成本低。
文档编号G01S7/486GK101788668SQ20101010561
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月31日 优先权日2010年1月31日
发明者刘智深, 刘秉义, 尹祺巍, 李志刚, 毕德仓, 王希涛 申请人:中国海洋大学
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