基于相干测风激光雷达数据的南京地区风场特征分析

为了进一步分析南京地区的风场特征,文章利用1.5μm全光纤相干测风激光雷达在南京栖霞沿江地区进行了1年时间的连续观测,通过与附近自动气象站的风场观测数据对比,验证了雷达观测数据的可靠性。基于雷达观测数据,统计分析了南京地区低空风场的分布特征、风速的季节与日变化规律,对南京地区风资源评估具有一定参考性。

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.

1.55μm全光纤多普勒测风雷达系统与试验

为实现对大气风场三维信息快速、准确的测量,以人眼安全波长1.55μm窄线宽光纤激光器为光源,采用全光纤相干探测光路,研制出多普勒测风雷达系统。该雷达整机结构紧凑、体积小、测量精度高,并在原VAD反演方法的基础上,采用了一种遗传算法与非线性最小二乘相结合的改进算法来实现对风场的反演,使其具有更高的数据失真修正能力,风场反演的速度、精度均得到较大提高。试验结果表明,该雷达能实现5-200m高度范围内的风场测量。并在试验基地与测风塔内,分别就55m及100 m高度处与超声波风速仪进行了试验比对,试验结果显示：该测风雷达的风速测量精度（均方差）达到0.3m/s,风向精度（均方差）≤3°。

基于光纤F-P滤波器全光纤水汽拉曼激光雷达系统的设计与分析

提出并设计了一套基于光纤F-P滤波器的可见波长域全光纤水汽拉曼激光雷达系统,实现对大气水汽和气溶胶的精细探测。讨论了光纤F-P腔内损耗和腔镜反射率对F-P透射谱的细度、峰值透过率以及带宽的影响,得到腔内损耗在小于3%的情况下,光纤F-P滤波器具有较高的峰值透过率(大于0.5)和较窄的谱线带宽(小于0.9 nm)。通过结合光纤带通滤波器和二级级联光纤F-P滤波器的参数设计,在三个独立的光通道中分别实现水汽拉曼信号(660 nm)、氮气拉曼信号(606 nm)和米瑞利信号(532 nm)的窄带宽、高透过率严格滤波,并获得对杂散光的高抑制率。通过系统仿真,对各散射信号强度分布、水汽廓线和探测信噪比进行了数值仿真计算,验证了系统方案的可行性。

自由空间光-布拉格光纤耦合效率仿真分析

根据电磁场模场匹配理论,分析了自由空间光-布拉格光纤的耦合效率。通过对空间光-布拉格光纤耦合效率的计算可以知道,耦合效率与布拉格光纤纤芯半径、焦点光斑光腰半径和纤芯波矢有关。通过优化合理选择空间光聚焦后光腰半径与布拉格光纤纤芯半径以及纤芯波矢可以有效提高耦合效率。本文还对外界振动造成耦合透镜与布拉格光纤对接不正而对空间光-布拉格光纤耦合效率影响进行了分析。这对光纤激光雷达系统以及空间光通信系统的空间光-布拉格光纤耦合效率分析具有极其重要的参考价值。

光纤相控阵稀疏排布优化算法对比

光纤相控阵在激光合束、激光雷达等领域具有应用前景.光纤阵列配置方式不同于微波相控阵,光纤天线间距大于波长时存在周期旁瓣问题,影响主瓣能量分布.本文从物理模型出发,建立了基于同心圆环形点阵集合的光学相控阵天线布阵理论模型,提出了利用解析延拓的傅里叶变换方法实现干涉场强度的快速合成理论,讨论了在离散采样时数值仿真需关注的采样带宽和采样数目问题,解决了快速实现多光束干涉场数值仿真的问题.对比研究了两种优化光学相控阵天线配置的优化算法:遗传算法和粒子群算法,分别实现了不同种群数量遗传算法和粒子群算法迭代优化,分析了二者在优化过程中的收敛速度和优化效果,得到了峰值旁瓣比PSR=0.270的配置阵列.所提出的方法有望用于实际的光学相控阵天线配置中,指导天线主瓣能量最大化的优化设计;研究模型对不可微分目标函数优化问题的研究有一定参考价值.

用EDFA提高激光雷达的信噪比

提出了掺铒光纤放大器(EDFA)应用于激光雷达接收系统光学前置放大器以提高雷达探测性能和作用距离的方法。回波信号功率是影响雷达探测分辨率的因素,它随着探测距离的增大而减小。讨论了光电检测前放大回波信号的技术,结合激光雷达回波信号的特点对EFDA主要应用特性(增益特性、噪声特性)进行理论分析。建立了雷达信号传输模型,讨论了大气消光与大气湍流对回波信号的影响。将PIN-FET用作光电探测,给出了没有采用光放大和采用EDFA光学前置放大情况下的信噪比。数值模拟结果显示,将EDFA用作激光雷达接收机极大地提高了雷达系统的信噪比,探测距离越远探测性能的改善越明显。

新型分布式光纤拉曼光子温度传感器系统

讨论了 2 km FGC- W2 ,10 km FGC- W10和 30 km FGC- W30分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的工作原理和系统的结构 .介绍了国内外分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的研究现状 ,提出了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的发展方向 .

全光纤转动拉曼激光雷达的光纤光栅分光技术研究

设计了一款由可见光波段的光纤布喇格光栅和光纤耦合器构建的全光纤转动拉曼激光雷达分光系统。利用相位掩模板侧向成功刻写530 nm波段光纤布喇格光栅,并初步测试其透射谱和反射谱性能。为提高光纤光栅中心波长与大气氮气分子转动拉曼谱线的匹配特性,利用悬臂梁设计高调谐灵敏度的调谐系统。实验结果表明,成功研制的可见光波段光纤布喇格光栅反射率约为95%,带宽约为0.3 nm,应力调谐系统可实现±0.6 nm范围18 pm/r的波长调谐。

多普勒测风激光雷达速度校准仪的关键技术研究

多普勒测风激光雷达的速度精确校准仪通过引入全光纤系统中光纤耦合技术、参考光与信号光分离技术,激光入射与接收角度优化技术、伺服控制与光电编码技术等关键技术,使系统的稳定性和准确性得以明显提升,在对速度校准的可靠性进行了深入的理论分析和实验测试后,得到测试系统最大速度绝对误差为0.4 mm/s,最大相对误差为0.001%的结论。

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.

全光纤相干多普勒连续激光风速仪研究

在航空传感器系统,测速传感器皮托管的探测器入口容易被堵住,造成事故。目前测风激光雷达是唯一可以替代皮托管的传感器,常见的脉冲测风激光雷达在近距离存在盲区而无法测量。为了解决此问题,使用1.5μm光纤激光器作为激光光源,其输出能量约为1 W,与保偏环形器、耦合器等器件搭建了一套同轴收发的风速仪系统。使用距离望远镜5 m的转盘对风速仪进行了标定实验,实验结果表明系统的速度分辨率和测量与转盘实际速度的线性拟合系数分别为0.021 m/s和0.99。使用此系统成功实现了大气风速的测量(25 m处的大气)。

多波束激光雷达的高精度收发配准方法的实验验证

针对三维成像多波束激光雷达系统微弧度量级激光发散角和多元并行收发条件下极高配准精度要求,进行了收发配准技术的研究和验证。提出了多波束激光雷达系统收发配准的方法,实现了一套基于光纤光学的收发光学系统分离的高精度收发光学系统;发射激光的单元发散角达到了近衍射极限的20μrad,接收视场达到60μrad,实现了1 064 nm近红外波段51元的线列并行收发,收发配准精度达到10μrad以下。实验验证结果显示,该收发配准的方法具有较好的可行性,配准的精度能达到理论分析要求。经过温度等环境因素的分析,系统在一定的温度范围内具有较好的稳定性,该温度范围较易控制,能够满足多波束激光雷达系统的工程应用要求。

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s^(-1))鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s^(-1)))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s^(-1)大动态范围内风速误差小于1 m·s^(-1)的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测,转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声,以及对Mie-Rayleigh散射提供70 d B以上的带外抑制率.本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路,构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统,以实现大气温度的全天时和高精度探测.根据分光系统光路的传输特性,采用传输矩阵模型,优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比),得到了优化的光谱分光系统参数.利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 d B和50 d B,信噪比高于100时,白天探测高度可达1.6 km.该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点,可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.

一种高效超高消光比的FAOM级联模块

该文理论分析了影响光纤声光调制器消光比的主要因素。通过采用双器件级联和电路延时可调方案,得到了光脉冲上升时间和下降时间<10 ns,消光比>100 dB,脉冲利用率>97%的高效超高消光比光纤声光调制器(FAOM)模块。采用该模块在激光测风雷达系统中实现了4800 m的风速风向测量。结果表明,该文采用的设计方法在提高FAOM消光比的同时能够有效控制脉冲利用率,对于基于激光相干探测的测量系统性能提高有一定的促进作用。

全光纤分光转动拉曼测温激光雷达探测性能优化

采用光纤Bragg光栅的耦合模理论和转动拉曼激光雷达的温度反演算法,优化全光纤分光转动拉曼测温激光雷达系统的探测性能。以光纤Bragg光栅高斯型谱为基础,构建以光纤Bragg光栅为核心的全光纤分光系统的参数优化模型,以1.5km高度处大气温度的统计误差为优化目标进行仿真分析,得到光纤Bragg光栅的中心波长和半峰值带宽的优化值;为了使均匀光纤Bragg光栅的光谱旁瓣与大气分子的纯转动拉曼谱线匹配,局部优化光纤Bragg光栅的Bragg波长、平均折射率变化和光栅长度等结构参数,以构建光纤Bragg光栅加工系统及设置初始加工参数。结合望远镜耦合效率的仿真结果,分析了全光纤分光转动拉曼激光雷达的探测性能。仿真结果表明,全光纤分光转动拉曼激光雷达系统在高度1.5km处的统计温度误差可达1.3K。

光纤Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达技术与数值仿真

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术,提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统,对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析,针对大气分子散射信号的特点,对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型,对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明,对532nm波长的地基分子散射测风激光雷达,当垂直距离分辨率为300m,进行1 000次激光脉冲累计平均后,得到径向探测距离达到20km,径向风速在±100m/s的范围内时,径向风速误差小于1.4m/s,说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量,为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

基于二维MEMS振镜的激光雷达系统的光学设计

近年来人们对具有安全驾驶、智能控制功能的汽车需求增长,使智能驾驶汽车快速发展起来,激光雷达作为智能驾驶的核心传感器之一得到广泛的关注,其中MEMS激光雷达具有高帧率、高分辨率、体积小、成本低的优点,是国内外车载激光雷达的主要发展趋势之一。光学系统是MEMS激光雷达重要组成部分之一,分为发射光学系统和接收光学系统,本文基于镜面直径5mm的二维MEMS振镜设计了发射光学系统,将25W的半导体激光器准直为弧矢方向发散半角为1mrad,子午方向发散半角为3mrad的光束;设计了大相对孔径为1∶1、焦距为11.01mm的镜头作为接收镜头,并提出采用放大倍率为2.2的纤维光锥与16线APD阵列探测器耦合,扩大接收光学系统的视场;APD阵列探测器采用选通模式,提高雷达系统的信噪比。基于此设计结果搭建激光雷达样机,实验验证系统探测距离可达45m,全视场角40°×10°。结果表明系统可一定程度上提高激光雷达探测距离和视场角。

国外相干体制激光测风雷达发展现状综述

过去几十年的发展历程显示了相干激光测风雷达具有精确的大气风场测量能力。在过去20年间，国外发展了10．6μm，2μm，1．6μm，1．5μm以及1．06μm等多个波段的相干激光测风雷达系统。其中，1．5μm波段的相干激光测风雷达由于处于光纤通信波段，器件成熟、成本低，且处于人眼的安全波段，近几年成为研究的热点，国内外多家机构进行了该领域的科学研究和商业化设备的生产。文章阐述了国外相干激光测风雷达的发展历程，对法国、英国、美国、日本、以色列等多个国家典型设备产品的构成和技术能力指标情况进行了描述；最后，提出了我国光纤体制相干激光测风雷达的关键技术攻关方向，为国内光纤体制相干激光测风雷达型号产品的发展提供重要的参考依据。