全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06％.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.     

测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移,进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小,而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同,除受扩视场棱镜和光栅影响之外,用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移,分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上,提出了一种绝对相位漂移校正方法,通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离,校正温度引起的绝对相位漂移,从而准确反演风速。结果表明,仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5m/s,与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。     

大孔径静态干涉光谱成像系统(LASIS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。     

飞秒激光刻蚀非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪特性及其流体传感研究

实验发现,飞秒激光微加工光纤微腔时,两个侧壁与纤芯轴向并不完全垂直, 刻蚀的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪出现光程差随波长增大而线性减小、 微腔总损耗随波长增大呈递减变化等反常现象.对此,提出非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder 干涉仪新模型并初步建立了分析理论,采用新模型及分析理论对新型微腔干涉仪特性进行了研究. 数值分析了微腔底角、深度等参数对谱峰波长位置的影响,理论研究了微腔的光波传输损耗、 吸收损耗、插入损耗、材料红外吸收损耗以及对干涉条纹对比度的影响, 理论分析与实验结果相符.实验获得水溶液干涉条纹对比度高达35 dB的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪, 将新型光纤微腔干涉仪用于流体传感,其蔗糖水溶液折射率传感灵敏度高达-12937.31 nm/RIU.     

近红外偏振干涉相位补偿器的稳定性

相位补偿器是偏振干涉仪的核心部件,其稳定性直接影响偏振干涉光谱仪的可靠性.本文分析了相位补偿器的光程差相对灵敏度、光楔倾斜误差、斜入射角误差和温度适应性等指标,并给出相应的误差容限计算公式.研究表明:相位补偿器移动光楔沿运动方向的抗干扰能力是经典迈克尔逊干涉仪的2/Δnsinθ倍,抗倾斜能力是经典迈克尔逊干涉仪的1.75/Δn倍;当入射光以微量倾斜误差入射后,相位补偿器不会产生额外的附加光程差;―20~85℃范围内的温度变化对相位补偿器产生的最大光程差误差为1.8μm,具有很高的热稳定性;当光楔角为30°时,干涉仪在性能、尺寸和成本之间达到均衡;晶体材料的双折射率差通常远小于1,偏振干涉的稳定性更加明显.本研究为相位补偿器在更为复杂的环境中的应用奠定了基础.     

相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析EI北大核心CSCD

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

相干测风激光雷达的数值建模和仿真分析

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.     

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明:当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.     

新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究

简要论述了新型偏振风成像干涉仪的原理;分析了偏振风成像干涉仪的各光学部件的偏振化方向对调制度和干涉强度的影响;给出了起偏器的偏振化方向、干涉仪两臂λ/4波片及出射位置处λ/4波片的光轴取向偏离理想方向时干涉仪调制度和干涉强度的理论表达式;采用计算机模拟分别给出了调制度随各偏角变化的曲面图及风速、温度反演误差随各偏角变化的曲线图;给出了温度精度为5K、风速精度为20m/s时偏振化方向的误差容限.该研究对新型偏振风成像干涉仪的研究、研制提供了一定的理论依据和实践指导,对高层大气光学被动探测以及空间探测、对地观测都具有科学意义和应用前景.     

用于测风激光雷达的三通道法布里-珀罗标准具性能分析

研制了用于瑞利散射多普勒激光雷达的三通道法布里-珀罗(Fabry-Pérot)标准具,采用He-Ne激光对其进行检测,利用产生的干涉图案检测了两个边缘通道的厚度差为74.70±2.24 nm,对应频谱间隔为5.05±0.07 GHz;锁定通道与其中一个边缘通道的厚度差为27.16±1.90 nm,对应频谱间隔为1.79±0.07 GHz。数值模拟结果表明:采用脉冲能量350 mJ波长355 nm、重复频率30 Hz的激光器和口径450 mm的望远镜,利用该标准具作为鉴频器,在0~40 km高度,瑞利散射多普勒激光雷达的径向风速测量误差小于2.53 m/s,测量精度比理论设计值2.94 m/s提高了约14.1%。     

基于菲佐干涉仪测风激光雷达的误差分析

详细分析了基于菲佐(Fizeau)干涉仪测风激光雷达利用条纹重心法反演风速时的方法误差和系统噪声引起的测量误差。提出了方法误差的修正方法,推导出了测量误差理论公式。并用蒙特卡罗方法模拟了低对流层的回波信号,并对其进行条纹重心法风速反演。结果表明:方法误差和气溶胶与分子后向散射比有关,噪声引起的测量误差与信号强度和气溶胶与分子后向散射比有关。在0~5 km,高度采用条纹技术测量的风速误差小于1 m/s。     

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。     

激光外差光谱仪模拟风场探测

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^-1激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH₄吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.     

米散射多普勒激光雷达性能改进

介绍了自行研制的米散射多普勒激光雷达的系统结构。针对系统存在的问题,对接收机子系统、工作时序、扫描方式等方面作了改造。实验结果表明:改造后系统光学鉴频器的频谱稳定性提高了2.8倍;消除了系统近距离的探测盲区;在0~2.5 km的高度范围内,当垂直距离分辨力为21.2 m、脉冲累积数为9 000发时,改造后的米散射多普勒激光雷达系统连续30 min测量的水平风速大小和方向的标准偏差的最大值分别小于1 m/s和18.3°,平均值分别小于0.43 m/s和7.7°;与探空仪的风场对比测量结果吻合得很好;当每个径向脉冲累积数为1 000发时,采用四波束扫描获得的2 km以下东西方向径向风速的相关系数为0.99,偏差为-0.038 m/s,标准偏差为1.34 m/s。     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。