星载测风激光雷达355 nm光学鉴频器及闭环控制系统

三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中,是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件,其指标与可靠性决定了系统的探测精度。研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer,PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块,模块有效口径35 mm,峰值透过率75%,自由光谱范围12.5 GHz,半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明:当外部驱动电压为75 V时,峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735,半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz,调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块3个通道PZT调谐系数不一致的情况,分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统进行测试,该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定,解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致带来的问题,提高了风速鉴频精度,可实现锁定时间长达30 min以上,满足了星载测风激光雷达的应用需求。另外,仿真研究表明:当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时,引起的风速误差为1 m/s。

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。