平流層測風(fēng)激光雷達光學(xué)接收機研制及性能分析.pdf

1、平流層風(fēng)場觀測在日地關(guān)系研究、大氣氣候研究和航空航天工業(yè)發(fā)展等方面具有重要的作用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一套探測高度15-60km的平流層測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),該套激光雷達系統(tǒng)由三臺分系統(tǒng)組成,每臺分系統(tǒng)都是一個基于雙邊緣技術(shù)的直接探測測風(fēng)激光雷達。三臺分系統(tǒng)中兩臺斜探測系統(tǒng)能夠測量徑向風(fēng)速進而合成大氣水平風(fēng)場,垂直探測系統(tǒng)可以用于測量垂直風(fēng)場,也可以用于測量大氣的溫度廓線。除去垂直分系統(tǒng)的測溫模塊外,三臺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相同,由激光發(fā)射機、

2、收發(fā)光學(xué)望遠鏡、光學(xué)接收機和數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制部分組成。
　　接收機是激光雷達的核心部件,直接決定激光雷達的性能。根據(jù)本套車載平流層測風(fēng)激光雷達的要求,設(shè)計了光纖結(jié)構(gòu)接收機。光纖結(jié)構(gòu)接收機由Fabry-Perot標(biāo)準具、光纖分束器、光電探測器以及準直與聚焦透鏡等四部分組成。按照雙邊緣技術(shù)原理給出了接收機的工作流程并分析和設(shè)計了接收機中所需要的各器件的參數(shù)。
　　接收機鎖定通道通過實時計算出射激光在Fabry-Perot標(biāo)準具

3、上的透過率值并反饋調(diào)節(jié)Fabry-Perot標(biāo)準具的腔長實現(xiàn)對激光頻率的主動跟蹤和鎖定。激光鎖定的效果取決于透過率值計算的精度。由于出射激光脈寬僅有約6ns,數(shù)據(jù)采樣點較少。為了增加一個脈沖內(nèi)的采樣點數(shù),獲取更加準確的脈沖信息,在鎖定通道加入一個直徑200mm的積分球來對出射激光脈沖進行展寬,展寬后激光脈寬約為13ns。積分球?qū)γ}沖的展寬在維持數(shù)據(jù)采集卡采樣速率不變的情況下增加了采樣點數(shù),提高了鎖定通道測量精度。
　　為了提高接收

4、機的集成度和穩(wěn)定性,平流層測風(fēng)激光雷達接收機設(shè)計采用多模光纖分束器代替常見的棱鏡、分束片作為分光器件。在實驗中發(fā)現(xiàn)光纖分束器的分束比與入射端的光強分布有關(guān),為了性能穩(wěn)定,要求光纖分束器前的入射光斑強度均勻,該問題在鎖定通道尤為重要。在鎖定通道中加入積分球后,在展寬激光脈沖的同時光斑也被均勻化,解決了該問題,保證了光纖結(jié)構(gòu)接收機的穩(wěn)定工作。
　　實驗測定了分束器的分束比,實現(xiàn)了對接收機內(nèi)不同通道的光電效率校準。在接收機光路的基礎(chǔ)上設(shè)

5、計了接收機透過率掃描實驗,對研制完成的光纖結(jié)構(gòu)接收機進行了透過率掃描和性能分析,將實測透過率曲線與理論進行了對比,對比結(jié)果基本一致。長時間多次掃描的結(jié)果顯示了接收機的穩(wěn)定性,透過率曲線上對應(yīng)頻率位置的透過率值相對標(biāo)準誤差小于6％,優(yōu)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)車載瑞利測風(fēng)激光雷達接收機的表現(xiàn)。
　　接收機在平流層測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,在2013年和2014年的外場觀測和對比試驗中,平流層風(fēng)場探測激光雷達的觀測數(shù)據(jù)與探空氣球數(shù)據(jù)、歐洲