连续模式相干测风激光雷达性能优化分析及实验研究

基于风场探测的需求,采用1 550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统。从雷达方程出发,对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析。针对测风雷达要求设计了5~200 m的变焦激光收发望远镜模块。扩束系统采用伽利略折射式结构,发射光束准直下扩束比为23,光学质量接近衍射极限。标定测试通过对旋转电机圆盘转速测量完成。转盘转速范围为-3 000 r/min到+3 000 r/min,转盘直径为26 cm。在视向速度多普勒频移分别为正向和负向时,雷达系统速度测量结果与通过圆盘转速计算值的相关系数为0.998与0.993,标准差为0.151 m/s和0.229 m/s。使用该测风激光雷达开展室外大气风速探测实验,取得了良好效果。     

相干多普勒测风激光雷达低信噪比区域回波信号的估计方法

相干多普勒测风激光雷达通常会采用周期图最大值法（PM）提取不同距离门信号的多普勒频移（对应风速）信息。由于噪声和相干效率的影响,个别距离门信号会出现信噪比（SNR）突然降低的情况,从而导致系统的探测概率降低,影响系统整体的探测性能。为了解决个别距离门信号多普勒频移的错误估计问题,提出了一种新的非线性自适应多普勒频移估计方法。该方法利用风速的连续性,标定错误距离门,并自适应地利用强信噪比区域的多普勒频移统计数据来弥补信噪比变差而出现的估计错误。分别利用了仿真模型和一套1.54μm全光纤相干激光雷达系统获得了风场测量数据,对比了使用该技术前后反演得到的风速趋势,证明该方法能够有效地解决上述问题。     

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。     

双Fabry-Perot标准具在直接测风激光雷达系统中的应用与分析

 简叙了双Fabry-Perot标准具在自行研制的测风激光雷达中检测多普勒频移的原理，给出了测风激光雷达系统的参数,对入射光束的入射角和发散角对标准具频谱曲线的影响进行了分析和稳定性实验，结果显示在短期内不稳定性带来的风速测量误差仅为0.016 m/s。测定了双标准具的频谱曲线，通过对标准具频谱曲线的分析显示:测量误差在测量的动态范围内随着速度的增大而增大，随着测量脉冲次数的增加而减少，同时速度的测量误差随着高度的增加而加大，在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s。     

相干多普勒测风激光雷达

 鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。     

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     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0~60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0～60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

 在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。     

先验平滑方法在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达通常采用周期图最大值法,但在远场低信噪比区域是有偏估计,因而会增加风速测量误差。距离门功率谱基线漂移现象作为误差源之一,会偏置谱峰分布基准,并干扰峰值频率检测。为了校正基线漂移,提出了基于正则化惩罚最小二乘法的先验平滑估计频谱基线方法。经过大气测风实验应用,结果表明,该方法能有效校正基线漂移,从而显著提高远场风速的估计精度,并最终提升了测风激光雷达的探测距离。     

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。     

相关时延及频谱不对称对声学多普勒测速偏差影响

研究了复协方差频移估计测速下相关时延及接收信号频谱幅值不对称对声学多普勒测速偏差的影响。不考虑测速公式简化误差,复协方差频移估计测速偏差可以简化为多普勒频移测量偏差。经推导,不考虑发射信号波束开角的窄带测频无偏、宽带测频有偏;考虑波束开角的窄带测频和宽带测频均有偏。相关时延不准确且频谱不对称是该偏差的重要来源。仿真分析表明,点回波模型下,消除时延不准确或频谱不对称影响,测频偏差可趋于0。基于上述发现,建立底跟踪多普勒测速声呐的相位、幅度双重加权的椭圆网格测频模型;给出相同脉冲长度下窄带与宽带测频偏差存在差异的理论解释。利用所建宽带测频模型仿真出真实频移与估计频偏的拟合曲线,进而对实际数据进行修正,水槽实验场景速度测量相对偏差从1.14%降至0.78%,最大绝对值从2.83%降至1.83%;海试场景速度测量相对偏差从4.79%降至3.82%。      

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.     

基于菲佐干涉仪与多通道光电倍增管阵列的多普勒频移检测技术

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案,适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理,再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计,优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0．755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟,以分子散射作为背景噪声,计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明,设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达,在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下,风速测量误差可以达到0．56 m/s。     

相干多普勒激光测风雷达系统研究

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来,相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理;然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证,主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标;最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上,采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置,并进行了相关实验。     

半导体抽运的Er:YAG陶瓷单频脉冲激光器

利用掺铒钇铝石榴石(Er:YAG)单块非平面环形腔(NPRO)激光器作为种子源,通过注入锁定技术研制了半导体抽运的Er:YAG陶瓷单频脉冲激光器。在重复频率为200Hz的条件下,获得了脉冲能量为11.45mJ、脉冲宽度为174ns的1645nm单频脉冲输出,在x和y方向上的M~2因子分别为1.45和1.42,脉冲光与种子光拍频信号的频谱半峰全宽为2.67MHz。实验表明,Er:YAG陶瓷作为增益介质在产生1.6μm激光方面具有较好的性能。此激光器可在激光雷达领域作为多普勒相干测风激光雷达和遥感激光雷达的光源。     

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)。     

模拟大气风场及其数据处理技术的研究

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行,由于光源（气辉辐射谱线）的强度很弱,故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器（LD）的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变,从而模拟气辉辐射的多普勒频移,通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移,进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%,最小模拟风速为20.01m/s,且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。     

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。     

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.