基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10-10,对量子数J=±6,J=±12的N2纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O2纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性.

双Fabry-Perot标准具在直接测风激光雷达系统中的应用与分析

简叙了双Fabry-Perot标准具在自行研制的测风激光雷达中检测多普勒频移的原理,给出了测风激光雷达系统的参数,对入射光束的入射角和发散角对标准具频谱曲线的影响进行了分析和稳定性实验,结果显示在短期内不稳定性带来的风速测量误差仅为0.016 m/s。测定了双标准具的频谱曲线,通过对标准具频谱曲线的分析显示:测量误差在测量的动态范围内随着速度的增大而增大,随着测量脉冲次数的增加而减少,同时速度的测量误差随着高度的增加而加大,在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s。

利用Fabry-Perot标准具的米散射测风激光雷达接收机

介绍了基于米散射多普勒测风激光雷达的基本原理。测风激光雷达系统一般由发射系统、接收系统、信号发射接收光学系统、控制系统组成,其中接收系统在整个系统中最重要,起到信号鉴频的作用。基于测量误差最小和实际加工工艺的考虑,设计了标准具的参数和米散射测风激光雷达接收机的结构,并且把该接收机用于米散射测风激光雷达系统中并进行了标准具透过率的测量,用Pseudo-Voigt函数拟合出标准具的各个参数,与理论设计相差在5%以内。同时进行了风廓线的初步测量,与风廓线雷达Airda16000进行了比对,两者符合很好。

基于双Fabry-Perot标准具的双边缘测风激光雷达系统

本文明确了全球大气风场观测的重要性,较为详细地介绍了测风的基本原理、基于双Fabry-Perot标准具的双边缘测风激光雷达的系统结构和技术参数。明确了测风系统回波数据的处理方法及风速测量的误差计算。该风速反演方法和误差估算方法的可行性已经被实验验证。

基于法布里-珀罗标准具的532nm多普勒测风激光雷达系统设计和分析

设计了采用532 nm种子注入稳频钇铝石榴石(YAG)激光器作为辐射源的基于四通道法布里-珀罗标准具的瑞利和米散射测风激光雷达系统。介绍了激光雷达的多普勒测量基本原理;给出了雷达系统的主要参数,重点对基于分子后向散射信号的外侧双通道标准具的带宽、自由谱间距、峰值间距等指标进行了详细设计与分析,确定了内侧双通道标准具参数;对全系统速度灵敏度、信噪比与探测距离的关系进行了理论模拟。结果表明,可以实现从边界层至对流层高低空一体化探测。

直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定

直接探测多普勒测风激光雷达中,双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分,因而在保持高测速灵敏度的同时,可以减小瑞利背景噪声的影响。这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位。直接探测双边缘技术中,使用双通道 Fabry-Perot 标准具作为鉴频器,将频率变换转换为信号强度变化。该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近。提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题。

多纵模激光F-P标准具双边缘测风可行性分析

讨论采用多纵模激光器作探测光源用于双边缘多普勒激光雷达测风的可行性。给出了多纵模激光器谐振腔腔长与边缘滤波器F-P标准具腔长之间的关系。分析了多纵模双边缘测风的主要特性,计算灵敏度、信噪比和径向测速误差,并与单纵模测风性能进行对比。可用类似单纵模测风中动态频率跟踪技术解决多纵模激光器频率漂移问题。

Fabry-Perot干涉仪的新应用

阐述了Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ腔的工作原理以及在精细光谱结构研究、激光技术等领域的应用．结合作者的工作，给出了Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ腔在微机械传感器和高速光电探测仪器研制这两个方面的新应用．

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.

基于反射式布拉格光栅和Fabry-Perot标准具组合的Nd∶YVO4单频激光器

报道了一种激光二极管端面连续抽运的稳定单频主动调Q Nd∶YVO4激光器。采用RBG与标准具组合的方式获得了稳定的高功率单频激光输出。RBG既作为输出耦合镜,又作为纵模选择元件,与标准具组合可进一步抑制多纵模,增长谐振腔的光学腔长,获得高功率输出。通过优化标准具的倾斜角度,可使标准具与RBG的中心波长匹配,并减小腔内插入损耗。最终在物理腔长为148.7mm的条件下,获得了功率为750mW,脉冲能量为75μJ@10kHz,脉宽为8.3ns的稳定的高功率单频激光输出。

1.06μm多普勒激光雷达的低对流层风场测量(英文)

介绍了一套基于双边缘检测技术的1064 nm Mie多普勒测风激光雷达系统。采用Farbry-Perot标准具作为频率检测器,分析了风场中大气气溶胶运动造成的多普勒频移。利用转盘硬目标的速度校准系统对接收机校准,在±40m/s的径向速度范围内,校准精度小于1%。给出了从2006年4月23日起连续八天的风场测量结果。

Levenberg-Marquardt算法在测风激光雷达中的应用

分析了直接探测测风激光雷达中的Fabry-Perot标准具透过率的非线性理论模型。根据实验测量数据,利用Levenberg-Marquardt算法对理论模型进行参数优化估值,获得测量数据的最佳拟合曲线。数值计算表明,pseudo-Voigt函数能快速且很好地近似计算Voigt线形。对于Fabry-Perot标准具的宽带光透过率频谱响应曲线,可以采用Voigt函数拟合,也可以采用pseudo-Voigt函数拟合;当透过率频谱响应曲线用于风速反演时,若采用pseudo-Voigt函数拟合会造成低于1 m/s的测速偏差,因此必须采用Voigt函数拟合。

高光谱碘分子和双边缘多普勒测风激光雷达技术比较

对采用原子滤波器的激光雷达技术和双边缘技术的灵敏度和误差进行了详细的讨论。对于纯 Rayleigh散射 ,双边缘系统的灵敏度高于基于碘分子的激光雷达系统 ,而对于 Rayeigh- Mie混合信号 ,双边缘系统通过采用特殊工作点的办法 ,有效解决 2种信号响应不同的问题 ;但同时该工作点的选取使得系统灵敏度降低 ,误差增加。对于后向散射比不是很大 (<10 )的情况下 ,误差可以控制在1m/s以内 ,完全可以满足测量要求 ,因此对于对流层顶部和平流层测风很适合。基于碘分子的激光雷达系统利用碘分子的高吸收性对 Rayleigh- Mie信号有效的进行分离 ,并且灵敏度随着后向散射比的增加而增加 ,从而对底层大气的探测特别有利。

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。

测风激光雷达光束发散对测量精度的影响

介绍了基于Fabry Perot(F P)标准具的直接探测多普勒激光雷达的风速测量原理,讨论了接收光发散角对F P标准具测风激光雷达系统设计参数和多普勒频率测量精度的影响,并数值计算了激光多普勒雷达系统的光束发散引起的多普勒速度测量误差,结果表明:入射光束发散角小于Imrad时,相对误差随发散角的变化缓慢,在6%之内;而当大于约Imrad时,相对误差迅速增大,在2mrad时达到约40%。

白天大气测温的转动拉曼激光雷达分光系统

大气测温转动拉曼激光雷达通常采用双光栅单色仪来分离得到拉曼散射信号谱线,然而这种结构存在通带较宽的缺点,以致白天工作时输出信号混合了较强的天空背景干扰,无法准确测量大气温度。Fabry-Perot标准具具有滤波带宽窄、带外抑制比高,以及透射率呈周期性的特点,在光栅单色仪前插入Fabry-Perot标准具,能够有效扣除背景光干扰,同时将氧气的拉曼散射谱线滤除,从而提高了输出拉曼谱线的纯度和输出信号的信噪比,最终可提高温度反演精度并实现日光环境下工作。

基于法布里-珀罗标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达研究

对基于法布里-珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。根据选取的系统参数,对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:晴天天气条件下,在±25m/s的径向风速测量动态范围内,在满足径向风速误差小于2m/s的情况下,当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60m和1min时,系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8km和6.5km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时,系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大,系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。

米散射多普勒激光雷达性能改进

介绍了自行研制的米散射多普勒激光雷达的系统结构。针对系统存在的问题,对接收机子系统、工作时序、扫描方式等方面作了改造。实验结果表明：改造后系统光学鉴频器的频谱稳定性提高了2.8倍;消除了系统近距离的探测盲区;在0－2.5 km的高度范围内,当垂直距离分辨力为21.2 m、脉冲累积数为9 000发时,改造后的米散射多普勒激光雷达系统连续30 min测量的水平风速大小和方向的标准偏差的最大值分别小于1 m/s和18.3°,平均值分别小于0.43 m/s和7.7°;与探空仪的风场对比测量结果吻合得很好;当每个径向脉冲累积数为1 000发时,采用四波束扫描获得的2 km以下东西方向径向风速的相关系数为0.99,偏差为-0.038 m/s,标准偏差为1.34 m/s。

基于双边缘技术的低空测风激光雷达分析

利用双边缘技术采用直接探测激光雷达探测低空(1km 以下)气溶胶的后向散射回波,改进了针对低空气溶胶散射信号的双边缘技术理论,并通过模拟灵敏度的变化曲线选取了系统对气溶胶信号响应性能最好时的 Fabry-Perot 标准具及激光参数。模拟估算了系统的灵敏度和测量误差,结论表明:系统的相对灵敏度在小频移时可达到7%,系统误差可小于1 m/s。

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 Balsic++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。