多普勒频移鉴频器技术领域
本发明属于激光雷达测风，特别是一种多普勒频移鉴频器。
背景技术
光学鉴频器是多普勒频率测量的核心器件，它要求探测简单，灵敏度高。目前
基于条纹探测的技术由于探测易于实现而广受关注。欧洲宇航中心发展了基于法布
里-珀罗干涉仪的光学鉴频器用于风切变探测激光雷达，安装于A380用于安全保障。
用法布里-珀罗干涉仪观测优点是可用非锁频光源，缺点是所成的条纹是圆形,占用
像素面元大，图像信噪比低，降低了探测距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多普勒频移鉴频器，该多普勒频移鉴频器所形成的
直线干涉条纹可以与现有的线阵探测器相匹配，可降低探测陈列的规模，提高探测
信噪比，该鉴别器可测量固体目标和分子气溶胶等宏观和微观目标速度，具有检测
方便和灵敏度高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种多普勒频移鉴频器，其特点在于包括光纤法兰、光纤耦合透镜、第一光学
干涉平板、第二光学干涉平板、光学隔圈、柱透镜、环形隔圈、楔形隔圈、一端具
有锥端的圆筒形固定结构和档圈，所述的光纤法兰通过螺丝固定在所述的圆筒形固
定结构的锥端，所述的光纤耦合透镜固定于所述的圆筒形固定结构内靠近锥端的位
置，使所述的光纤法兰位于所述的光纤耦合透镜的焦面上，所述的楔形隔圈的平端
与所述的光纤耦合透镜贴合，所述的楔形隔圈的楔形端面与所述的第一光学干涉平
板连接，第一光学干涉平板、光学隔圈和第二光学干涉平板依次通过光学胶合在一
起并压入所述的筒形固定结构内，所述的环形隔圈的里侧压接第二光学干涉平板，
外侧为柱面透镜，该柱面透镜的外侧通过所述的挡圈的外螺纹与所述的圆筒形固定
结构的内螺纹而固定在所述的圆筒形固定结构内。
所述的第一光学干涉平板和第二光学干涉平板的面型优于λ/80632.8nm,粗糙
度优于2nm，单块板厚度不小于15mm，内表面镀高反射膜，反射率65％±1％，外表面
镀增透膜，反射率小于1％。
所述的光学隔圈的一端为平面，另一端面为楔形面，楔形角为1.7′±0.5′。
本发明的技术效果
本发明多普勒频移鉴频器所形成的直线干涉条纹，可以与现有的线阵探测器相
匹配，可降低探测陈列的规模，提高探测信噪比；
本发明是应用于多普勒激光雷达作为核心的多普勒频率鉴别器，检测大气中分
子和气溶胶回波或者检测运动靶标(飞机)等回波的多普勒频移，从而测量到多普
勒速度。大气多普勒激光雷达能够应用其测量大气矢量风场，大气湍流；多普勒速
度计可以用它测量硬靶目标的速度矢量。
本发明鉴别器可测量固体目标和分子气溶胶等宏观和微观目标速度，具有检测
方便和灵敏度高的特点。
附图说明
图1是本发明多普勒频移鉴频器的剖面图。
图2是本发明鉴频器输出的条纹分布图。图中不同的频率成分呈现在不同的位
置，多普勒频移会导致中心频率的变化，从而会导致条纹的移动。
具体实施方式
先请参阅图1，图1是本发明多普勒频移鉴频器的剖面图。由图可见，本发明多
普勒频移鉴频器，包括光纤法兰1、光纤耦合透镜2、第一光学干涉平板3、第二光学
干涉平板5、光学隔圈4、柱透镜6、环形隔圈7、楔形隔圈8、一端具有锥端的圆筒形
固定结构9和档圈10，所述的光纤法兰1通过螺丝固定在所述的圆筒形固定结构9的锥
端，所述的光纤耦合透镜2固定于所述的圆筒形固定结构9内靠近锥端的位置，使所
述的光纤法兰1位于所述的光纤耦合透镜2的焦面上，所述的楔形隔圈8的平端与所述
的光纤耦合透镜2贴合，所述的楔形隔圈8的楔形端面与所述的第一光学干涉平板3
连接，第一光学干涉平板3、光学隔圈4和第二光学干涉平板5依次通过光学胶合在一
起并压入所述的筒形固定结构9内，所述的环形隔圈7的里侧压接第二光学干涉平板5，
外侧为柱面透镜6，该柱面透镜6的外侧通过所述的挡圈10的外螺纹与所述的圆筒形
固定结构9的内螺纹而固定在所述的圆筒形固定结构9内。
第一光学干涉平板3和第二光学干涉平板5的面型优于λ/80632.8nm,粗糙度优
于2nm，单块板厚度不小于15mm，内表面镀高反射膜，反射率65％±1％，外表面镀增
透膜，反射率小于1％。
所述的光学隔圈4的一端为平面，另一端面为楔形面，楔形角为1.7′±0.5′。
本发明多普勒频移鉴频器使用前应进行的定标，方法是：将本发明多普勒频移
鉴频器放入定标风洞中，风洞零风速时产生一组测量值作为基准值，定标零风速；
然后启动风洞产生已知风速风向的定标风场，此时再次测量一组信号作为测量值，
此时测量的多普勒速度利用已知速度进行标校，如此反复将测量范围的每一个风速
值进行定标，这样就完成了定标。
工作中，首先将大气回波信号耦合进光纤，然后经过光纤耦合透镜2形成一准直
光束。该准直光束经过第一光学干涉平板3、第二光学干涉平板5多次反射形成一列
直线干涉条纹。该干涉条纹经过光学柱面透镜6改变其像的尺寸以匹配线阵探测器光
敏面。使所述的柱面透镜6的焦距恰好使得光信号的焦面尺寸铺满探测器的光敏面。
这样线阵探测器会探测到明暗相间的干涉条纹。随着探测目标速度的改变，其
回波光信号的频率也在改变，此时装置焦平面上呈现的干涉条纹分布会发生移动，
根据干涉条纹移动的位置差可以算出光的频率改变量，从而达到鉴别多普勒频率，
计算多普勒速度的目的。多普勒速度的计算方法如下：
首先本发明多普勒频移鉴频器的出射光学条纹分布为公式(1)
Ttransmission＝(1-A-R)2×(1+∑RNexp(ikδN))2(1)
其中，A为光学损耗，R为鉴频器的反射率，k＝2π/λ为波数,δN为回波信号自身在本
发明多普勒频移鉴频器焦平面上的坐标点(x，y)为位置处的光程差。而相位差如
公式(2)所示。当相位差为2nπ时透过率最大，不同的相位差具有不同的条纹强度
如图2所示。
P h a s e _ d i f ( x , y ) = 2 πδ N ( x , y ) λ - - - ( 2 ) ]]>
当没有多普勒频移时，条纹极大值位于(x,y)，此时Phase_dif＝Phase_dif0，
当有多普勒频移时，Phase_dif＝Phase_dif1，此时相位差为公式(3)所示：
Δ ( Phase d i f ) = P h a s e _ dif 1 - P h a s e _ dif 0 = ∂ P h a s e _ d i f ∂ λ × Δ λ - - - ( 3 ) ]]>
Δλ为多普勒频移导致的波长变量：
Δ λ = Δ ( P h a s e _ d i f ) λδ N ′ ( x , y ) - δ N ( x , y ) λ 2 - - - ( 4 ) ]]>
多普勒速度的表达式：
V D o p p l e r = C Δ λ 2 λ - - - ( 5 ) ]]>
因此，根据条纹的位置移动可以计算出多普勒速度。
本发明多普勒频移鉴频器可测量固体宏观目标，也可以用于分子气溶胶等微观
目标的速度测量，具有检测方便和灵敏度高的特点。