基于Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达技术研究

摘要

大气风场的探测不仅是目前最具意义与挑战性的气象观测任务之一，也是国内外学者在大气科学方面的探究热点。大气风场的预测和探测能力的提高，不仅对科学技术的发展有重大意义，而且将直接有利于提高人类的生存和生活质量。
　　论文以激光雷达大气风场探测的理论研究为基础，分析了Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪激光雷达的探测原理及其鉴频方法;优化设计了一套基于M-Z干涉仪的测风激光雷达系统，详细讨论了M-Z干涉仪各个参数对鉴频效果的影响。理论推导了双通道(DMZ) M-Z干涉仪风速反演公式与测量误差，重点讨论了后向散射系数与大气温度对测风误差的影响与修正，并与常用的双边缘FP(DFP)鉴频方法分析对比，给出了在最佳的参数条件下DFP、DMZ各通道输出信号、响应函数与相对于理想鉴频器的风速测量误差。并利用光学软件ZEMAX，模拟仿真了DMZ系统，从而验证了测风激光雷达DMZ干涉仪鉴频的可行性。另外，设计了四通道M-Z(QMZ)干涉仪测风系统，并与DMZ，DFP对比。
　　论文探讨了采用光纤干涉仪测风鉴频的设计方案，利用耦合模与传输矩阵理论分析了M-Z光纤干涉仪的性能参数。并首次提出采用光纤谐振环作为测风鉴频系统，讨论了双耦合器光纤谐振环的性能参数，理论分析了基于双耦合器光纤谐振环单边缘测风技术的可行性与优点。
　　最后，基于面向对象编程方法，在Visual C++环境下完成了测风激光雷达系统软件的设计，包括三维扫描控制、同轴调节、锁频监控、数据采集和数据预处理等模块。探讨了基于双缓冲模式的数据采集设计，实现了激光雷达的高速准瞬态连续数据采集与通信;重点阐述了数据预处理软件的设计，采用伪彩色THI图直观获得激光雷达回波信号的时空分布特性。该软件已经在微脉冲激光雷达系统中长时间多次测试，具有运行稳定，操作简便，可靠性好，人机交互友好，可实现激光雷达系统的长时间无人值守连续工作等性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 大气风场探测的背景和意义

1．2 大气风场探测主要技术

1．3 测风激光雷达的研究与发展概况

1．4 测风激光雷达的分类

1．5 本课题主要内容

2 激光雷达多普勒测风原理

2．1 光的多普勒频移效应

2．2 大气散射效应

2．2．1 瑞利散射

2．2．2 米散射

2．2．3 米和瑞利后向散射光的频谱展宽

2．3 测风激光雷达工作简介

2．4 边缘检测技术

2．4．1 单边缘测风

2．4．2 双边缘测风

2．5 双通道Mach-Zehnder(DMZ)干涉仪测风激光雷原理

2．6 三波束法反演大气风场的原理

2．7 本章小结

3 Mach-Zehnder干涉仪的测风激光雷达系统设计

3．1 M-Z干涉仪测风激光雷达系统结构及主要参数

3．1．1 系统结构设计

3．1．2 激光波长的选择

3．1．3 激光器与准直系统

3．1．4 接收系统

3．1．5 光束发散引起的光程差的补偿

3．2 M-Z干涉仪鉴频系统的参数分析与优化

3．2．1 DMZ系统分析与光程差的优化设计

3．2．2 DMZ系统随机误差分析与修正

3．2．3 四通道Mach-Zehnder(QMZ)干涉仪的设计

3．2．4 DMZ、双边缘Fabry-Perot(Dre)与理想鉴频器(ISA)的对比

3．2．5 背景光对鉴频器的影响

3．3 DMZ干涉仪的系统仿真与风速反演算法分析

3．3．1 DMZ干涉仪的系统仿真

3．3．2 风速反演算法与数据分析

3．4 本章小结

4 多普勒测风激光雷达的光纤鉴频器的探讨

4．1 M-Z光纤干涉仪的鉴频器

4．2 光纤谐振环的鉴频器

4．2．1 光纤谐振环的原理

4．2．2 光纤谐振环单边缘测风

4．3 本章小结

5 激光雷达的软件设计

5．1 多普勒测风软件整体构架设计

5．2 三维扫描软件设计

5．3 同轴调整软件设计

5．4 常用激光雷达数据采集软件设计

5．4．1 测量信息填写

5．4．2 数据采集的硬件与软件实现

5．4．3 数据采集软件的改进

5．5 常用激光雷达数据预处理软件设计

5．5．1 数据处理软件的实现

5．5．2 绘制THI图的设计

5．5．3 数据插值

5．5．4 数据存储

5．6 软件实验测试与数据误差分析

5．7 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文