脉冲光纤相干测风激光雷达初步设计

摘要

光纤相干多普勒测风激光雷达是在相干光纤通信的基础上发展起来的，采用光纤连接测风激光雷达系统中的各部分功能元件，在系统稳定性、便携性以及使用寿命方面都有很大提高，便于多普勒激光雷达测风系统的业务化。利用光外差法检测气溶胶激光多普勒频移反演大气风场，测速精度容易达到并小于1m/s的分辨率。
　　本文分析了大气湍流、气溶胶分布对相干探测的影响。首先分析了大气湍流的产生原因和特点，在此基础上解释了湍流对激光传输的影响，根据湍流和相干探测之间的关系讨论了如何从系统设计方面降低大气湍流对相干探测的影响，优化系统的探测性能。
　　本振光和散射信号光的相干条件是相干探测的核心，本文讨论了相干效率与本振光与信号光的偏振方向夹角以及传播方向夹角之间的关系，为实验系统的设计提供理论指导。另外，载波噪声比是体现相干系统探测能力的一个重要参数，本文讨论了本振光散粒噪声、探测器噪声、本振光相对噪声强度以及声光调制器泄露脉冲对探测的影响，并分析了载波噪声比与探测速度精度的关系。
　　相干探测一个难点在于光纤与空间光之间的光路耦合，合理的光学天线设计对于相干探测至关重要。本文根据激光雷达方程和湍流理论，分析了光学天线口径与信号接收之间的关系。
　　最后本文讨论了径向风速反演方法，利用Matlab软件根据快速傅里叶变换(FFT-Fast Fourier Transformation)转换时域信号为频域信号，检测多普勒频移，计算对应的视线速度，反演激光雷达探测范围内的风场。在没有脉冲光纤激光器的条件下，首先通过模拟脉冲相干探测信号，对数据处理方法进行了验证，得出模拟视线风速廓线;然后采用连续光纤激光测量了水蒸气的流速，证明了测量系统在光学设计和数据采集处理方面的可行性。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 多普勒激光雷达概述

1．1．1 非相干多普勒测风激光雷达

1．1．2 相干多普勒测风激光雷达发展概况

1．1．3 光纤相干多普勒测风激光雷达发展概况

1．2 本文研究内容及组织结构

2 激光相干测风原理

2．1 大气风场和湍流

2．2 气溶胶后向散射特性和分布

2．3 光外差探测

2．4 光纤脉冲相干多普勒测风激光雷达方程

2．4．1 相干探测

2．4．2 测速范围、测速分辨率

2．4．3 探测距离和距离分辨率

3 脉冲光纤相干测风实验系统设计

3．1 脉冲光纤激光器

3．2 平衡光电探测器

3．3 光学天线

3．4 扫描方式和风场反演

3．5 信号处理

4 连续光纤相干激光测速系统水汽流速探测

5 总结和展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果