基于双级联法布里-珀罗干涉仪多纵模测温激光雷达技术

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理,并据此构建温度探测的理论模型,导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差,结果表明:后向散射比越大,相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大;频率匹配误差对温度测量的影响大,为保证低层大气温度测量准确,频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数,对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明:在0~20 km高度范围内,通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小,在2 km以上可忽略不计;若出现云层、沙尘等,对应高度的温度测量偏差将会较大;垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时,白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K,后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

测风激光雷达双棱镜2维扫描系统的光学设计

传统的测风激光雷达双反射镜式2维扫描系统体积较大、结构相对复杂,不利于系统小型一体化集成。基于旋转双圆楔形棱镜,研究了新型2维光学扫描系统;分析了系统的工作原理,推导出了双圆楔形棱镜的旋转角与出射光束方位角及天顶角之间的简单正反向函数关系式,对楔形棱镜的折射率和楔角进行了优化选取和设计。结果表明,当工作波长为532 nm、楔形棱镜材料折射率为2.03时,最优设计楔角为19.5°;出射光束最大天顶角不仅取决于楔形棱镜折射率和楔角,还受光束压缩效应的制约。该系统结构紧凑、便于集成,能实现出射光束大范围和快速高精度的扫描,也能实现测风激光雷达以平面位置显示、距离高度显示等光束扫描模式工作。

马赫-曾德尔干涉仪频谱特性及入射视场展宽技术研究

马赫-曾德尔干涉仪(MZI)具有光学能量利用率高、便于视场展宽等优点,在光学滤波、鉴频等方面具有广泛的应用。然而,在实际应用中MZI频谱会受到各种因素的影响而导致性能下降。从理论上导出了在考虑入射光发散角2θ_(0)和谱宽Δν的影响下,MZI干涉频谱的理论表达式,并定量分析了其对MZI频谱的影响。结果表明:MZI的光程差l越大,其频谱受Δν的影响越显著,l与入射光波长λ比值越大,其频谱受θ_(0)的影响越显著;当λ=355 nm,l=3 cm时(第1种情形),Δν=10 GHz和θ_(0)=4.5 mrad将分别使条纹对比度K降至2.8%和16.3%;当λ=532 nm,l=59 cm时(第2种情形),Δν=0.5 GHz和θ_(0)=1.25 mrad将分别使K降至3.2%和15%。为减小发散角的影响,从理论上进一步研究了棱镜式视场展宽技术。结果表明:若补偿棱镜厚度d和折射率n满足d=nl/(n􀀀1),对应第1种情形,θ_(0)=50 mrad时K仍高于93.1%,θ_(0)=70 mrad时K将降至33.3%;在第2种情形下,θ_(0)=25 mrad时K仍高于94.0%,θ_(0)=35 mrad时K将降至37.6%。若d依据不同θ_(0)取不同最优值时,在第1种情形下,θ_(0)=70 mrad时K仍高于92.1%;而在第2种情形下,θ_(0)=35 mrad时K仍高于94.4%。