三通道Fabry-Perot标准具在瑞利测风激光雷达中的应用

描述了利用三通道Fabry-Perot(F-P)标准具作为鉴频器直接探测多普勒风场的原理。优化了三通道F-P标准具的设计参数。介绍了基于三通道F-P标准具研制的测风激光雷达接收机的结构。利用355 nm脉冲光,通过调节PZT电压来改变标准具的腔长,对标准具的透过率曲线进行了初步测量,并分析了标准具的参数,标准具的带宽和峰值透过率较设计时分别增大了13%和10%。介绍了利用四波束反演水平风场的方法。根据标准具参数和信噪比计算的速度灵敏度较设计时下降了0.09%,风速精度在40 km以下优于5 m/s。同时,与风廓线雷达进行了比对,对163组数据的风速差进行统计,平均值为0.22 m/s,标准差为1.67 m/s,表明两者有较高的一致性。

基于谱估计的Fabry-Perot标准具透过率曲线参数估计方法

直接探测多普勒测风激光雷达系统大多采用基于Fabry-Perot(F-P)标准具的条纹技术和边缘技术测量多普勒频移。但激光器频率漂移会使得透过率曲线的估计出现一定误差,为了抑制其影响,提出了一种基于谱估计的F-P标准具透过率曲线参数估计方法。首先将标准具全量程扫描结果进行重构得到观测矩阵。之后使用MUSIC算法得到透过率曲线的伪谱。对伪谱进行谱峰搜索后,将得到的谱峰位置进行线性拟合得到自由谱间距。然后将上步的拟合结果代入透过率函数,利用非线性最小二乘法对其他参数进行估计。在仿真分析的基础上,采用真实测量数据进行了实验验证。结果表明所提出的方法在扫描步点间隔达到50、信噪比大于10 d B的情况下,估计差小于1%。该算法扫描时间短,估计误差小,具有实际应用价值。

瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/(m·s-1);40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。

测风激光雷达中F-P标准具的分析及性能检测

基于双边缘技术的测风激光雷达中，多普勒频移由高分辨率的F—P标准具检测得到。数值计算了存在各种缺陷的标准具响应曲线，分析了入射光束发散角、表面质量以及平行度对透过率谱宽的影响。用等厚干涉的方法测量了标准具双通道的腔长差值和表面质量。在窄带和宽带光源照射下，分别测量了标准具双通道的透过率曲线。长期测量（22天）的系统误差为0．42～0．85m／s。

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot(F-P)标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50μJ、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60°、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8°、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。

测风激光雷达中F-P标准具频率跟踪方案及实现

在直接探测测风激光雷达中,多普勒频移由高分辨率的Fabry-Perot标准具检测得到。指出了激光频率与标准具腔长随环境温度的变化导致测量误差增大的问题,提出了频率跟踪的解决方案。使用散射光纤对激光脉宽进行扩展,在双通道标准具的基础上增加专用于频率跟踪的通道,使用光电倍增管检测光强,设计制作了基于采样的频率跟踪电路。仿真实验表明,该方案能够实现标准具腔长与激光发射频率的动态跟踪。

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。

532nm多普勒激光雷达中F-P标准具的优化设计

Fabry-Perot标准具是532 nm多普勒测风激光雷达的核心部件,其参数和加工精度直接影响整个系统的灵敏度和风速测量的精度。对不同波长的回波信号进行模拟,分析所选测量激光波长532 nm的原因。通过对系统的灵敏度和测量精度进行分析,优化设计标准具的主要参数,分析认为,标准具的自由光谱区为9 GHz,带宽1.75 GHz,两边缘通道峰值间隔4 GHz,锁定通道与边缘通道峰值间隔为1.125 GHz时,系统的灵敏度和测量精度最优。通过模拟计算标准具的主要缺陷对透过率的影响,确定标准具的表面加工精度要求5 nm,平行调节时腔长的最大差值要求小于10 nm。

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot(F-P)标准具的有效透过率表达式.在基于单F-P标准具的双频率多普勒激光雷达系统中,采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响.提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法,并通过仿真试验验证了该方法的有效性.同时,导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式,并据此进行了仿真.仿真结果表明:若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000,径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小,在±25 m/s的风速测量动态范围内,当Rβ>1.2时,误差小于3 m/s;后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大,与径向风速大小几乎无关,当Rβ<10时,相对误差小于13%.

基于瑞利散射的测风激光雷达研制

介绍了全球大气风场观测的重要性,研制了一台基于三通道标准具的车载瑞利多普勒测风激光雷达,用于平流层的风场探测。较为详细地介绍了测风的基本原理、系统的总体结构以及技术参数。利用紫外光在大气分子中的低吸收和高散射特点选取355 nm作为工作波长。描述了三通道标准具的结构以及利用脉冲光对标准具的透过率曲线进行了扫描,结果表明,标准具实测参数与设计参数基本一致,信号通道1和信号通道2峰值透过率分别为68.6%和67.5%。两个边缘通道的间隔为4.6 GHz。利用调试好的系统对合肥地区平流层进行了初步的风场探测,测试结果表明,该激光雷达系统稳定性达到设计指标。

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。

接收光路光束发散角对多普勒测风激光雷达测量精度的影响

介绍了已研制的基于Fabry-Perot标准具直接探测多普勒激光雷达的风速测量原理,讨论了接收光路光束发散角对测风激光雷达系统测量精度的影响。数值计算结果表明当接收光路光束发散角小于1 mrad 时,由于光束发散引起的多普勒速度测量相对误差可以控制在5％之内,并在实测光路发散角的基础上分析了系统的测量误差,结果显示,在5 km时最大测量速度误差为0．6 m／s。