平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)接收機(jī)研制及性能分析.pdf

1、平流層風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一套探測(cè)高度15-60km的平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng),該套激光雷達(dá)系統(tǒng)由三臺(tái)分系統(tǒng)組成,每臺(tái)分系統(tǒng)都是一個(gè)基于雙邊緣技術(shù)的直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。三臺(tái)分系統(tǒng)中兩臺(tái)斜探測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量徑向風(fēng)速進(jìn)而合成大氣水平風(fēng)場(chǎng),垂直探測(cè)系統(tǒng)可以用于測(cè)量垂直風(fēng)場(chǎng),也可以用于測(cè)量大氣的溫度廓線(xiàn)。除去垂直分系統(tǒng)的測(cè)溫模塊外,三臺(tái)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相同,由激光發(fā)射機(jī)、

2、收發(fā)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制部分組成。
　　接收機(jī)是激光雷達(dá)的核心部件,直接決定激光雷達(dá)的性能。根據(jù)本套車(chē)載平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的要求,設(shè)計(jì)了光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)。光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)由Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光纖分束器、光電探測(cè)器以及準(zhǔn)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(jī)的工作流程并分析和設(shè)計(jì)了接收機(jī)中所需要的各器件的參數(shù)。
　　接收機(jī)鎖定通道通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算出射激光在Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具

3、上的透過(guò)率值并反饋調(diào)節(jié)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的主動(dòng)跟蹤和鎖定。激光鎖定的效果取決于透過(guò)率值計(jì)算的精度。由于出射激光脈寬僅有約6ns,數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)較少。為了增加一個(gè)脈沖內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),獲取更加準(zhǔn)確的脈沖信息,在鎖定通道加入一個(gè)直徑200mm的積分球來(lái)對(duì)出射激光脈沖進(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)采集卡采樣速率不變的情況下增加了采樣點(diǎn)數(shù),提高了鎖定通道測(cè)量精度。
　　為了提高接收

4、機(jī)的集成度和穩(wěn)定性,平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)采用多模光纖分束器代替常見(jiàn)的棱鏡、分束片作為分光器件。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光纖分束器的分束比與入射端的光強(qiáng)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(qiáng)度均勻,該問(wèn)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(shí)光斑也被均勻化,解決了該問(wèn)題,保證了光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)的穩(wěn)定工作。
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)定了分束器的分束比,實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)內(nèi)不同通道的光電效率校準(zhǔn)。在接收機(jī)光路的基礎(chǔ)上設(shè)

5、計(jì)了接收機(jī)透過(guò)率掃描實(shí)驗(yàn),對(duì)研制完成的光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)進(jìn)行了透過(guò)率掃描和性能分析,將實(shí)測(cè)透過(guò)率曲線(xiàn)與理論進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果基本一致。長(zhǎng)時(shí)間多次掃描的結(jié)果顯示了接收機(jī)的穩(wěn)定性,透過(guò)率曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)頻率位置的透過(guò)率值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差小于6％,優(yōu)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)車(chē)載瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)的表現(xiàn)。
　　接收機(jī)在平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,在2013年和2014年的外場(chǎng)觀測(cè)和對(duì)比試驗(yàn)中,平流層風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與探空氣球數(shù)據(jù)、歐洲