平流層測風激光雷達光學接收機研制及性能分析.pdf

1、平流層風場觀測在日地關系研究、大氣氣候研究和航空航天工業(yè)發(fā)展等方面具有重要的作用。中國科學技術大學研制了一套探測高度15-60km的平流層測風激光雷達系統,該套激光雷達系統由三臺分系統組成,每臺分系統都是一個基于雙邊緣技術的直接探測測風激光雷達。三臺分系統中兩臺斜探測系統能夠測量徑向風速進而合成大氣水平風場,垂直探測系統可以用于測量垂直風場,也可以用于測量大氣的溫度廓線。除去垂直分系統的測溫模塊外,三臺系統的組成結構相同,由激光發(fā)射機、

2、收發(fā)光學望遠鏡、光學接收機和數據采集與系統控制部分組成。
　　接收機是激光雷達的核心部件,直接決定激光雷達的性能。根據本套車載平流層測風激光雷達的要求,設計了光纖結構接收機。光纖結構接收機由Fabry-Perot標準具、光纖分束器、光電探測器以及準直與聚焦透鏡等四部分組成。按照雙邊緣技術原理給出了接收機的工作流程并分析和設計了接收機中所需要的各器件的參數。
　　接收機鎖定通道通過實時計算出射激光在Fabry-Perot標準具

3、上的透過率值并反饋調節(jié)Fabry-Perot標準具的腔長實現對激光頻率的主動跟蹤和鎖定。激光鎖定的效果取決于透過率值計算的精度。由于出射激光脈寬僅有約6ns,數據采樣點較少。為了增加一個脈沖內的采樣點數,獲取更加準確的脈沖信息,在鎖定通道加入一個直徑200mm的積分球來對出射激光脈沖進行展寬,展寬后激光脈寬約為13ns。積分球對脈沖的展寬在維持數據采集卡采樣速率不變的情況下增加了采樣點數,提高了鎖定通道測量精度。
　　為了提高接收

4、機的集成度和穩(wěn)定性,平流層測風激光雷達接收機設計采用多模光纖分束器代替常見的棱鏡、分束片作為分光器件。在實驗中發(fā)現光纖分束器的分束比與入射端的光強分布有關,為了性能穩(wěn)定,要求光纖分束器前的入射光斑強度均勻,該問題在鎖定通道尤為重要。在鎖定通道中加入積分球后,在展寬激光脈沖的同時光斑也被均勻化,解決了該問題,保證了光纖結構接收機的穩(wěn)定工作。
　　實驗測定了分束器的分束比,實現了對接收機內不同通道的光電效率校準。在接收機光路的基礎上設

5、計了接收機透過率掃描實驗,對研制完成的光纖結構接收機進行了透過率掃描和性能分析,將實測透過率曲線與理論進行了對比,對比結果基本一致。長時間多次掃描的結果顯示了接收機的穩(wěn)定性,透過率曲線上對應頻率位置的透過率值相對標準誤差小于6％,優(yōu)于中國科學技術大學車載瑞利測風激光雷達接收機的表現。
　　接收機在平流層測風激光雷達系統中得到了應用,在2013年和2014年的外場觀測和對比試驗中,平流層風場探測激光雷達的觀測數據與探空氣球數據、歐洲