2μm激光測風(fēng)雷達(dá)外差探測方法與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、“晴空”大氣矢量風(fēng)場測量一直是微波氣象雷達(dá)發(fā)展的盲點(diǎn)。隨著激光雷達(dá)技術(shù)和外差探測技術(shù)的迅速發(fā)展,基于多普勒效應(yīng)的相干測風(fēng)激光雷達(dá)已經(jīng)成為大氣矢量風(fēng)場、大氣湍流和局域風(fēng)切變等測量的主要手段之一。相干測風(fēng)激光雷達(dá)具有高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn),而且由于激光與大氣物質(zhì)相互作用的特殊物理機(jī)制,它還具有極強(qiáng)的晴空探測能力,與微波氣象雷達(dá)互補(bǔ),可以構(gòu)成“無縫隙”的大氣遙感系統(tǒng)。因此,國內(nèi)外各高端科研機(jī)構(gòu)紛紛投入大量人力和物力進(jìn)行研究和開發(fā)。
　　

2、目前,2μm相干測風(fēng)激光雷達(dá)是國際測風(fēng)激光雷達(dá)研究熱點(diǎn)之一。本文圍繞其所涉及的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù),研究總結(jié)了大氣后向散射信號的外差探測理論模型,提出了自由空間與光纖復(fù)合相干光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法,研究了極微弱寬帶中頻信號提取與正交數(shù)字化處理的關(guān)鍵技術(shù),最后搭建了一套2μm相干測風(fēng)激光雷達(dá)外差探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本論文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　(1)系統(tǒng)地研究大氣后向散射氣象回波信號的外差探測理論,以此指導(dǎo)相干測風(fēng)激光

3、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。在考慮大氣折射率湍流影響的條件下,利用菲涅爾衍射理論和光場的路徑積分表達(dá)式,建立了相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的外差效率的理論模型,分別給出了探測平面、接收平面和目標(biāo)平面上外差效率的表達(dá)式,得到了相干探測激光雷達(dá)方程;根據(jù)相干激光雷達(dá)風(fēng)速測量原理,給出了三維矢量風(fēng)速的反演方法;建立了信噪比隨本振光功率變化的理論模型,仿真結(jié)果表明:最佳本振光功率約為0.268mW;研究了三種相位失配和偏振態(tài)失配對外差效率的影響,針對于不同的情況給出

4、了響應(yīng)的仿真結(jié)果;探討了高靈敏度平衡外差探測新方法,結(jié)果表明:可以明顯克服本振光散粒噪聲和提高外差探測的信噪比。
　　(2)研究空間光與光纖高效耦合型相干光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法,建立了一套收發(fā)合置相干光學(xué)系統(tǒng)。依據(jù)收發(fā)合置光學(xué)天線發(fā)射和接收光束的截斷比理論,給出外差接收信號隨截斷比變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式,研究結(jié)果表明:最佳光束截斷比約為1.75;理論推導(dǎo)天線效率與外差效率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,仿真計算在弱湍流Cn2=10-15條件下光學(xué)天線效率約為

5、0.51、在強(qiáng)湍流Cn2=10-13條件下約為0.03;利用ZEMAX軟件優(yōu)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一套收發(fā)合置離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)和預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng),達(dá)到衍射極限水平;設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種耦合效率約為83％的2μm單模保偏光纖耦合器、2μm單模保偏光纖合束器、2μm單模保偏光纖分束器以及2μm收發(fā)偏振隔離光開關(guān)(即偏振分光棱鏡+λ/4波片),克服光束在自由空間傳輸產(chǎn)生的退偏及本振光泄露問題。
　　(3)研究極微弱寬帶氣象回波中頻信號提取與正交數(shù)字解

6、調(diào)技術(shù)。討論了多脈沖積累法提取極微弱信號的方法,即對多脈沖氣象回波信號進(jìn)行中頻直接采樣、數(shù)字信號相干積累及功率譜非相干積累;針對于105MHz載頻和30MHz帶寬的中頻信號,重點(diǎn)討論正交混頻低通濾波和奇偶抽取多相濾波的兩種數(shù)字化處理算法,在64階原型等紋波 FIR濾波器設(shè)計基礎(chǔ)上，以響應(yīng)帶寬和鏡頻抑制比為評價參數(shù),比較分析7種FIR濾波器設(shè)計方案,從中優(yōu)選出適合寬帶信號數(shù)字處理算法。仿真結(jié)果表明:在回波信噪比為-13.24dB條件下,進(jìn)

7、行8ms的相參積累,信噪比增益可達(dá)19dB以上;先進(jìn)行8ms短時相參積累,再進(jìn)行非相參積累,當(dāng)積累總時間超過20ms時,信噪比增益將達(dá)到18dB以上;1/2抽取64階原型濾波器的多相濾波方案,不僅具有近似64階原型 FIR濾波器的鏡頻抑制比,而且數(shù)據(jù)輸出速率減半,接收帶寬約為采樣率的25%以內(nèi),滿足30MHz帶寬中頻信號的數(shù)字處理要求。
　　(4)建立2μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)外差探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),驗(yàn)證上述理論模型、光學(xué)設(shè)計和極微弱信號提

8、取算法的正確性。外差探測系統(tǒng)中激光發(fā)射機(jī)采用了波長2μm、單脈沖能量為2mJ、重復(fù)頻率為100Hz、脈寬為300ns的固體 Ho:YAG脈沖激光器;相干光學(xué)系統(tǒng)采用了f150mm離軸卡塞格倫光學(xué)天線、偏振分束棱鏡、l/4波片、2μm單模保偏光纖耦合器等;接收機(jī)采用全光纖平衡式 InGaAs光電探測器(響應(yīng)帶寬150MHz)和自研的中頻信號采集卡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計加工的光學(xué)天線系統(tǒng)的波像差為0.052λ,預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)的發(fā)散角為0.075m