基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

 自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达，用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析，由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大，在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

1.6μm相干激光测风雷达的速度标定研究

介绍了相干激光测风雷达系统中用转盘进行速度标定的方法,在实验室搭建了激光雷达速度标定装置。采用1.645μm种子注入单频脉冲激光器,在激光中心频率相对种子光移频量约62MHz、转盘直径300mm、转盘速度-47.12～47.12m/s可调、激光出射方向和转盘线速度方向夹角为36°时,采用相干探测的方法测出了多普勒频移并反演出了测量速度;数据处理过程中分别采用最大值频谱估计法和频谱对齐法计算多普勒频移和转盘速度。实验结果显示,频谱对齐法相对于最大值频谱估计法能够提高36.3%的测速精度,因此在激光雷达测风系统中采用频谱对齐法相对于常用的最大值频谱估计法测量的风速精度更高,这对提高相干激光雷达测风的风速精度提供了实验依据和参考标准,验证了频谱对齐法在激光雷达测风的数据处理中的可行性。     

基于法布里-珀罗标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达研究

对基于法布里-珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。根据选取的系统参数,对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:晴天天气条件下,在±25m/s的径向风速测量动态范围内,在满足径向风速误差小于2m/s的情况下,当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60m和1min时,系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8km和6.5km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时,系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大,系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。     

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当R_β > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当R_β<10时, 相对误差小于13%. 关键词： 多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 边缘技术 双频率     

瑞利多普勒测风激光雷达的频率标定方法

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中,通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长,使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时,由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性,从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性,提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时,在数据反演时补偿该频率偏差;若相对频率漂移大于100 MHz时,将F-P标准具先退回预设腔长以下,通过逐步增加电压的方式,重新实现频率锁定,保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段,避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中,在15~30km高度,风速最大偏差6.22m/s,平均偏差1.12m/s。     

燃尽风率对新型W火焰锅炉主燃区气固流动特性的影响

针对采用偏心旋流二次风燃烧技术的300 MWe旋流燃烧器W火焰炉,借助1/10冷模试验台,通过三维激光颗粒动态分析仪测量研究了不同燃尽风率下其主燃区内气固流动特性。随着燃尽风率减小,拱下回流区内回流速度不断增加,且回流区尺寸不断增大。随着燃尽风率由25%减小到10%,在分级分区域,颗粒的最大竖直速度由2 m/s增大到4 m/s.燃尽风率由20.3%减小到10%,拱下回流区内气固两相竖直脉动速度明显增大,气固两相湍流强度将不断增大.在乏气和分级风区域,燃尽风率15%下最大颗粒体积流率是燃尽风率20.3%的2至2.7倍,拱上气流下冲深度明显增加.随着燃尽风率减小,下冲颗粒开始折转向上的位置被推迟,下炉膛空间利用率将不断增加.     

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%。     

双边缘技术多普勒测风激光雷达标准具的优化

 优化了基于双边缘技术的直接测风多普勒激光雷达中F-P标准具的工作参数。确定激光谱宽后，选择适当的F-P标准具自由谱间距，可正确消除瑞利背景噪声的影响。分析了标准具镜面缺陷、非严格平行和入射光束发散角对其透过率曲线的影响。将标准具透过率函数表达为唯一系统参数，即反射精细度的函数；通过计算散粒噪声极限时的相对测量误差，可确定最优反射精细度以及激光频率相对标准具透过率中心频率的最佳偏置；由最优反射精细度可得到入射到标准具光束的最大发散角和标准具的最小通光口径。     

直接探测激光测风雷达发射激光线宽对探测的影响

 论述了Rayleigh散射双边缘直接探测激光测风雷达发射激光线宽对探测灵敏度和误差的影响。使用Monte-Carlo方法模拟了大气后向散射回波半高宽(FWHM)和发射激光线宽的定量数值关系。把这个关系拟合为一个二次多项式,计算了由发射线宽引起的测量灵敏度和误差。对于探测波长是355 nm的情况,当发射线宽从单频增加到2 GHz时,后向散射回波线宽从3.853 GHz非线性地增加到5.371 GHz。发射激光线宽的加宽对探测影响很大,当发射线宽从单频增加到2 GHz时,测量灵敏度从0.003 1降低到0.001 9,测量误差从0.323 m/s增大到0.518 m/s,计算中假定探测信噪比和累计激光脉冲数都是1 000。     

测风激光雷达法布里-珀罗标准具参数及其性能分析

法布里-珀罗(F-P)标准具是直接探测多普勒测风激光雷达常用的鉴频器件,标准具的性能及其入射光路的设计对整个探测系统的测量误差起着决定性的作用.基于三通道标准具的检测原理,对标准具的主要设计参数如自由谱间距、带宽和边缘通道之间峰值间距等进行了分析,给出了设计方法;入射光的状态对标准具透射率曲线的影响较为明显,根据标准具...     

Accuracy Analysis of the Fabry–Perot Etalon Based Doppler Wind Lidar

A direct detection Doppler wind lidar with the dual Fabry–Perot technique has been built in Hefei, China, and the system is described in this paper. A dual, air-spaced Fabry–Perot etalon is designed as the frequency discriminator and the transmission characteristics are measured with a stabilized cw laser and a pulse laser. The experimental data are found to be in agreement with the designed parameters. The Doppler shift is measured by taking the ratio of the transmitted intensities from the dual etalon. Analysis of the accuracy of Doppler measurement is made by considering the factors of the number of iterations in converting the measured ratio to the Doppler shift, the laser intensity fluctuation and the signal-to-noise ratio. In the sufficient signal-to-noise ratio the velocity accuracy of the Doppler lidar system is estimated to be better than 0.5 m/s.     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｃｃｕｒａｔｅａｃｔｉｖｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｇｌｏｂａｌｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｈａｓｌｏｎｇｂｅｅｎａｈｉｇｈｐｒｉｏｒｉｔｙｎｅｅｄｆｏｒｂｏｔｈｃｌｉｍａｔｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｗｅａｔｈｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[1] .Ｓｏｆａｒｍｏｓｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｄａｔａｃｏｍｅｆｒｏｍｔｗｏｓｏｕｒｃｅｓ:ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｏｕｒｃｅｉｓｆｒｏｍｗｅａｔｈｅｒｂａｌｌｏｏｎｓ ,ｂｕｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔｈａｔｔｈｅｒｅａ…     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

The Mie-Rayleigh direct detection Doppler lidar (DDDL) with two double-edge etalons is presented. Fabry-Perot (F-P) etalon is used as the spectral analyzer for Doppler measurement formthe aerosol and molecule backscattered signals. The aerosol and molecular backscattering signals are separated by a polarization isolator with less signal decrement, so this system has about same accuracy as individual Rayleigh Doppler lidar or Mie Doppler lidar system. The simulation on a proposed ground-based DDDL at 532 nm shows that the velocity error is less than 2 m/s below 8 km for a 100 m vertical resolution by Mie channel and 2m/s up to 20 km by Rayleigh channel, respectively.     

固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究

针对固体介质间隔层的镀膜标准具, 以1 064 nm激光镀膜标准具为例, 首先研究了反射膜堆数对反射带宽、基底厚度以及对自由光谱区的影响:标准具的带宽随着膜层堆数增加而减小, 自由光谱区随着基板厚度的增加而减小;其次研究了基底误差对标准具中心波长定位和透过率的影响, 通过定量数值计算证明了基底误差可通过标准具的使用角度补偿;针对典型的H(LH)^m/Substrate/(HL)^mH和L(LH)^m/Substrate/(HL)^mL两个膜系结构, 研究了入射激光发散角对标准具中心波长偏移、通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率的影响。随着激光发散角的增加, 中心波长向短波方向移动, 通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率呈现下降的趋势, 并且第二个膜系结构的标准具性能优于第一个膜系结构的标准具。     

脉冲单纵模激光器中标准具精度与选模性能

根据脉冲单纵模激光器中的关键器件F-P标准具的选模原理,定量分析了不同参数F-P标准具的加工厚度精度、角度放置精度以及腔长变化对激光器纵模选择性能产生的影响,得到了对不同参数标准具的光学厚度偏差进行补偿所需的角度偏移量,研究了入射角度对标准具中心波长偏移的影响。这些结果对于脉冲单纵模激光器的机械结构设计、器件加工允差与装配调节精度的设计具有重要意义。在线型腔F-P标准具选模激光器中,得到了最大单脉冲能量8.41 J,脉冲宽度32 ns,近衍射极限的单纵模激光脉冲输出。     

瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法

介绍了瑞利散射多普勒激光雷达的风场探测原理和系统结构. 给出了Fabry-Perot(FP)标准具透过率曲线的校准方法. 指出对透过率采用Lorentz或Voigt拟合会产生较大误差,特别是采用Lorentz拟合最大将引起8%的误差. 提出了采用非线性最小二乘法拟合标准具的透过率函数,该方法可以有效消除拟合误差,提高风速测量精度. 考虑到温度不确定度在风场反演过程中的主导影响,提出了同时反演风速和大气温度的非线性迭代算法. 风场反演仿真试验结果表明:在不考虑米散射信号的影响下,该反演算法与传统的反演方法相 关键词： 激光雷达 瑞利散射 多普勒 风     

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为1.5 GHz和3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm,重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。