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)。     

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪多普勒激光雷达鉴频器的校准及风速探测(英文)

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时,对应风速探测范围从±199.5m/s变化到±13.3m/s.光程差为0.45m时,风速变化1m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9m和1.088 9m时,1nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028m/s和0.138m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线,由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测,反演风速与相干探测风速具有较好的一致性,证明了校准探测的正确性.     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

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。     

基于马赫-曾德尔干涉仪的激光探测大气多普勒频移

以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器,进行了多普勒频移和气溶胶的非相干探测模拟实验。在发射机脉冲能量为500 mJ,重复频率为10 Hz,光谱线宽不超过0.005 cm~(-1),光束发散角小于0.10 mrad,接收望远镜镜头直径为350 mm,以雪崩二极管为探测器,数字采样率为2×10~7 sampling/s,采样数据位数为16 bit(有效位数为11 bit)的条件下,获得了45°斜程探测距离为2500 m的风廓线,视线风速探测精度为2 m·s~(-1)。模拟结果显示,以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器的激光雷达可用于火星风沙直接探测。相对于354.7 nm激光脉冲,1064 nm激光脉冲(可以与激光诱导击穿光谱仪兼容)回波的干涉对比度高,Mie后向散射强度高于Rayleigh后向散射强度。     

激光微多普勒探测系统中降低相位噪音影响的方法研究

相干微多普勒激光雷达具有探测灵敏度高、探测信息量大等特点,特别适合于动目标探测、目标特征识别等应用.本文从线宽和探测距离两个方面讨论了模场相位随机起伏（相位噪音）对于测速准确度的影响,实验证实了相位噪音对激光微多普勒探测的影响,并探索出解决上述问题的方法——光纤补偿法.实验中,以输出波长为1.064 μm单块非平面环形腔激光器为光源,利用光纤补偿方法,并结合时频变换的算法,用外差探测的方式成功观测到了微多普勒频移,在传输距离为11 km时,系统最低探测速度达到了0.5 mm/s,速度分辨率达到了mm/s量级,频率分辨率达到了kHz量级,为微多普勒激光雷达的实际应用奠定了良好的实验基础.     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中"坏"的估计值所占的比例都为0,"好"的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。     

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%。     

基于碘分子吸收池的新型瑞利多普勒激光雷达

研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大,获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气,从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析,仿真结果表明,系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量,其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K,经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明,60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K,经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和8.5 m/s,反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。     

935nm差分吸收激光雷达系统及对流边界层水汽廓线探测

研制了一套935nm水汽探测差分吸收激光雷达(DIAL)系统。种子注入的环形腔光参量振荡器,在窄线宽脉冲激光的抽运下,通过Ramp-Hold-Fire方法锁定光参量振荡器谐振腔,产生脉冲能量为45mJ、波长为935nm、重复频率为10Hz、脉冲持续时间为6ns的窄线宽、波长稳定的脉冲激光。接收望远镜直径为305 mm,使用雪崩光电二极管作为探测器,以935.776nm作为探测光波长(λon)、935.860nm作为参考光波长(λoff)进行了地基垂直差分探测实验,获得了上海地区对流边界层水汽浓度廓线。数据时间分辨率为60s,距离分辨率为30 m,在高度600m至对流边界层顶的范围内,水汽浓度昼夜有效测量误差小于0.1g/m~3,将DIAL数据与附近气象观测站无线电探空仪数据进行对比,结果证实了DIAL数据的有效性。     

星载10 m合成孔径相干成像望远镜和波前估计

针对天文观测和深空探测需求，提出了星载10 m合成孔径相干成像望远镜概念和形式。给出了波长可调谐激光本振相干探测器形式，分析了大口径衍射薄膜镜的双波段实现方式和系统主要参数。提出了基于子镜结构的光学合成孔径相干成像算法，给出了基于相位恢复的阵列形变误差波前估计仿真结果，由于多个子镜所接收复信号的成像处理在计算机软件中完成，相比传统望远镜，可降低对微调机构等硬件的精度要求。该望远镜在短波红外1.45～1.65μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.15μrad；在中波红外4.55～4.75μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.46μrad，其探测灵敏度在原理上是传统10 m口径望远镜的约2.8倍。     

基于相关计算的激光雷达二维风场探测

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。     

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。     

星载激光相干测高计的参量设计

为使星载激光高度计实现高空间分辨力、高距离精度,提出了联合采用调频光纤激光器和相干测距的方法.详细讨论了这种方法的实现方案,并对方案中的激光发射功率、望远镜口径以及脉冲宽度对距离精度及信噪比的影响进行数值模拟.对系统参量进行分析,得到了相关参量的关系和优化的参量.结果表明,当望远镜口径为400 mm时,啁啾调频速率为1 MHz/μs,脉冲时间宽度150～350 μs, 发射功率10 W左右时,基于相干测距的星载激光高度计可以实现距离精度小于15 cm的技术指标.     

激光雷达探测信号数据融合算法

提出基于二次多项式拟合的数据融合算法用于激光雷达信号探测.充分考虑模拟探测和光子计数的非线性关系,选择有效增大数据融合区间;分析云对区间内的模拟探测和光子计数数据质量的影响并进行质量控制,获得稳定的融合系数;同时利用模拟探测和光子计数的非线性关系校正脉冲堆积引入光子计数信号的非线性误差.以直接探测多普勒激光雷达为例,开展与探空气球的同步对比实验.结果显示:本文算法较之现有商用算法,风速相关系数从0.8提高到0.85,均方根误差从3.37 m/s降低至2.41 m/s,偏差从0.60 m/s降低至0.06 m/s,证明改进后的融合算法能够有效提高直接探测多普勒激光雷达风场探测的精度,可更好地应用于大气探测激光雷达的远场和近场信号的融合处理.     

有机气溶胶的微脉冲荧光激光雷达水平近场探测研究

微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段,当使用紫外激光光源时,可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型,并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达,通过对系统进行几何重叠因子标定,减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验,实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m,实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验,对比结果显示,两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性,相关系数达82%以上。在相同的累加时间下,MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%,具有更好的抗干扰性能,能够实现对有机气溶胶准确探测,验证了系统有效性和实用性。     

转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统设计及模拟计算

本文对转动拉曼散射激光雷达探测的大气后向散射回波进行了数值模拟计算,计算结果得到了现有的数据的验证,证明了这种设计是可行的。并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜的直径和垂直分辨率对转动拉曼激光雷达回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析与讨论,简要分析了测温精度。     

多普勒测风激光雷达风场探测结果分析

为了验证自行研制的瑞利散射测风激光雷达的性能及应用价值,将激光雷达测量的风速风向廓线与探空气球测量结果进行对比,结果吻合得较好,高度10 km以下风速最大差距3.0 m/s,20 km以下最大差距4.5 m/s;风向除拐点外标准差最大32。连续探测结果显示了强劲的西风急流和风向转换特征,急流中心的高度一般在10~12 km,中心最大风速接近70 m/s,最小风速不低于30 m/s,20 km左右拐点最小风速不足1 m/s,20 km以上风速逐渐增加 ;在20 km以下风向为西风,在270左右变化,20 km以上为东风,在90左右变化。探测结果表明瑞利散射测风激光雷达既能跟踪大尺度季节性气候特征的变化规律,又能突出小尺度瞬态气候特征的形成、演化过程。     

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.