星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。     

基于法布里-珀罗标准具的测风激光雷达探测数据分析

利用多普勒测风激光雷达(DWL)进行实地风场探测,对探测数据进行深入分析。介绍了基于三通道法布里-珀罗(FP)标准具的多普勒频率检测等基本原理,给出了DWL结构组成和系统参数;并分别给出了该DWL与风廓线雷达(WPR)低空对比探测数据、与气球探空仪高空对比探测数据,结果表明,低空数据的风速偏差在0.1~1.2 m/s,风向偏差在1°~9°之间,高空数据的风速偏差在0.1~2 m/s之间,风向偏差在1°~12°之间,表现出良好的一致性;对DWL数据精度进行分析,得出光束入射角、发散角、信噪比和探测器是影响精度主要因素的结论,从标准具透射率扫描拟合曲线入手,计算得出该型DWL实际探测偏差值高出理论值2.07%。     

瑞利散射测风激光雷达接收机的研究

介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。优化了三通道法布里-珀罗标准具的自由谱范围、带宽、峰值间隔和有效口径等参数。设计了分子散射多普勒测风激光雷达接收系统的结构,设计时充分考虑了系统的热稳定性和机械结构的稳定性。该接收机结构非常紧凑,可以放置在宽度约48cm(19in)、长度550mm的机柜中。具有这种接收机的多普勒测风激光雷达具有很好的商业应用前景。     

基于Fabry-Perot标准具分子测风激光雷达接收机的研制

为了研究平流层大气风场,介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。基于测量误差最小和消除气溶胶的影响设计了标准具的参量。设计了分子测风激光雷达接收机,该接收机结构紧凑,可以灵活便捷地放置在机架上。并将本接收机用于分子测风激光雷达系统中进行了标准具透过率的测量和风廓线的初步测量。结果表明,标准具透过率曲线测量的结果和设计的大体一致,速率灵敏度较设计的略微下降,风廓线趋势和美国Goddard系统所测量的大体一致,这说明本系统光学接收机能够完成分子的多普勒风速测量。     

直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°～20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。     

直接探测测风激光雷达的性能分析

综述了激光雷达大气风场测量的方法，提出了采用直接探测到量三维风场分布的F-P干涉仪方法，简述了测量原理，分析了系统的性能和测量误差，比较了基于分子散射和气溶胶散射的系统测量精度，给出了基于瑞利散射的激光雷达系统方案。     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

基于FP标准具的直接探测多普勒测风激光雷达

已研制成功一台1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry-Perot(FP)标准具的双边缘技术,用于探测对流层三维风场廓线分布.介绍了多普勒测风激光雷达的基本工作原理、总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层风场廓线分布的初步探测结果.结果表明,该激光雷达性能稳定,达到了设计指标.     

星载测风激光雷达系统鉴频器性能模拟比较

模拟了基于355nm波长双边缘FP（Fabry-Perot）鉴频器和基于532nm波长碘分子鉴频器的星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差,以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0-5km高度范围,532nm碘分子鉴频器系统测风误差低于355nm 双边缘FP系统,而对于距地面5km以上大气范围,FP系统风速误差比碘分子鉴频器系统低25%。     

法布里-珀罗环转线系统的测风激光雷达技术与数值仿真

设计了基于法布里-珀罗(F-P)条纹技术的非相干多普勒测风激光雷达系统,采用环转线干涉仪光学系统(CLIO)将F-P形成的环状条纹转换成线性条纹成像到具有高量子效率的CCD探测器上进行检测,克服了环状条纹与传统阵列式探测器不匹配的缺点并改善了探测系统的信噪比。采用光学设计软件ZEMAX对该系统进行了光学设计和数值仿真,得到了用于反演风速的不同波长干涉条纹图样,并对重心法和Voigt函数拟合法两种主要的风速反演方法进行了对比讨论。结果表明:用Voigt函数拟合法反演风速误差较小,获得风速在20 m/s时的误差小于0.5 m/s,验证了该系统的设计及数据反演算法的可行性,为测风激光雷达的进一步研制提供了理论依据。     

车载多普勒测风激光雷达系统的隔振设计

为了防止车载多普勒测风激光雷达运动过程中振动对系统的不良影响,保证系统测量的稳定性和精度,对车载测风激光雷达中的机柜和光学平台进行隔振设计.选用IDC公司SB型和M型金属钢丝绳隔振器分别作为机柜和光学平台的隔振器并合理布置,通过计算可得峰值响应频率都小于干扰频率,冲击位移小于隔振器最大形变量,通过隔振效率和干扰频率的关系曲线图发现隔振效率达80％以上.最后,通过隔振前后激光雷达锁频实验效果对比可以看出隔振系统安装后锁频效果有了显著提升,通过运动中测量的1 km高度径向风速正弦曲线拟合进一步验证了在运动测量中隔振设计的可靠性.     

测风激光雷达中F-P标准具的分析及性能检测

基于双边缘技术的测风激光雷达中,多普勒频移由高分辨率的F—P标准具检测得到。数值计算了存在各种缺陷的标准具响应曲线,分析了入射光束发散角、表面质量以及平行度对透过率谱宽的影响。用等厚干涉的方法测量了标准具双通道的腔长差值和表面质量。在窄带和宽带光源照射下,分别测量了标准具双通道的透过率曲线。长期测量（22天）的系统误差为0．42～0．85m／s。     

基于菲索干涉仪多普勒激光雷达的风速及后向散射系数反演

提出在基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的系统中,对回波信号利用非线性最小二乘法可同时反演得到风速和后向散射系数比.该方法无需确切知道实际的系统参数大小如望远镜视场角、几何重叠因子等.用Monte-Carlo方法模拟了回波信号并利用该方法进行了风速和后向散射系数比的反演,结果表明:在3km高度处,由信号的散粒噪声引起的相对测量误差小于0.2%.同时,又给出了在不同信噪比情况下,反演精度随之变化的关系图.当峰值信号光子数高于500时,风速和后向散射比误差很小.     

测风激光雷达的软件设计

介绍了多普勒测风激光雷达运行控制的设计与实现,包含对激光器、二维光束扫描单元、双Fabry-Perot标准具和光子计数卡的控制.运行控制软件采用Microsoft Visual Basic 6.0语言编写,界面简洁,操作方便,实现了多普勒测风激光雷达系统的长时间无人看守连续工作.     

多普勒测风激光雷达研究进展

简述了多普勒测风激光雷达测风的意义,报道了多普勒测风激光雷达的发展动态.综合该领域的发展情况,按探测方式的不同,分相干技术和直接探测技术分别讨论了测风激光雷达的应用及其特点,比较了各种系统的性能.     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/（m·s-1）;40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。