平流层测风激光雷达光学接收机研制及性能分析

摘要

平流层风场观测在日地关系研究、大气气候研究和航空航天工业发展等方面具有重要的作用。中国科学技术大学研制了一套探测高度15-60km的平流层测风激光雷达系统,该套激光雷达系统由三台分系统组成,每台分系统都是一个基于双边缘技术的直接探测测风激光雷达。三台分系统中两台斜探测系统能够测量径向风速进而合成大气水平风场,垂直探测系统可以用于测量垂直风场,也可以用于测量大气的温度廓线。除去垂直分系统的测温模块外,三台系统的组成结构相同,由激光发射机、收发光学望远镜、光学接收机和数据采集与系统控制部分组成。
　　接收机是激光雷达的核心部件,直接决定激光雷达的性能。根据本套车载平流层测风激光雷达的要求,设计了光纤结构接收机。光纤结构接收机由Fabry-Perot标准具、光纤分束器、光电探测器以及准直与聚焦透镜等四部分组成。按照双边缘技术原理给出了接收机的工作流程并分析和设计了接收机中所需要的各器件的参数。
　　接收机锁定通道通过实时计算出射激光在Fabry-Perot标准具上的透过率值并反馈调节Fabry-Perot标准具的腔长实现对激光频率的主动跟踪和锁定。激光锁定的效果取决于透过率值计算的精度。由于出射激光脉宽仅有约6ns,数据采样点较少。为了增加一个脉冲内的采样点数,获取更加准确的脉冲信息,在锁定通道加入一个直径200mm的积分球来对出射激光脉冲进行展宽,展宽后激光脉宽约为13ns。积分球对脉冲的展宽在维持数据采集卡采样速率不变的情况下增加了采样点数,提高了锁定通道测量精度。
　　为了提高接收机的集成度和稳定性,平流层测风激光雷达接收机设计采用多模光纤分束器代替常见的棱镜、分束片作为分光器件。在实验中发现光纤分束器的分束比与入射端的光强分布有关,为了性能稳定,要求光纤分束器前的入射光斑强度均匀,该问题在锁定通道尤为重要。在锁定通道中加入积分球后,在展宽激光脉冲的同时光斑也被均匀化,解决了该问题,保证了光纤结构接收机的稳定工作。
　　实验测定了分束器的分束比,实现了对接收机内不同通道的光电效率校准。在接收机光路的基础上设计了接收机透过率扫描实验,对研制完成的光纤结构接收机进行了透过率扫描和性能分析,将实测透过率曲线与理论进行了对比,对比结果基本一致。长时间多次扫描的结果显示了接收机的稳定性,透过率曲线上对应频率位置的透过率值相对标准误差小于6％,优于中国科学技术大学车载瑞利测风激光雷达接收机的表现。
　　接收机在平流层测风激光雷达系统中得到了应用,在2013年和2014年的外场观测和对比试验中,平流层风场探测激光雷达的观测数据与探空气球数据、欧洲中尺度天气预报数据进行了对比,对比结果显示了良好的一致性。
　　借助中国科学技术大学车载瑞利测风激光雷达的高时空分辨率数据,对2011年夏季新疆地区观测到的准零风层现象、尤其是准零风层底部和顶部的高度在夜间的变化趋势进行了分析,对准零风层厚度在夜间“增加—稳定—降低”的变化现象提出了一种解释。

目录

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摘要

图例目录

表例目录

第1章 绪论

1．1 中高层大气风场观测

1．1．1 大气风场观测的重要性

1．1．2 平流层大气风场观测的特殊意义

1．2 瑞利测风激光雷达研究现状

1．2．1 多普勒测风激光雷达技术类型

1．2．2 瑞利测风激光雷达技术发展

1．3 本文研究内容

第2章 平流层测风激光雷达探测原理及系统结构

2．1 瑞利激光雷达探测原理

2．1．1 瑞利散射与光学多普勒效应

2．1．2 激光雷达方程

2．2 瑞利激光雷达风速和温度反演理论

2．2．1 双边缘风速反演理论

2．2．2 瑞利信号反演大气温度理论

2．3 Fabry-Perot干涉仪工作原理

2．4 车载瑞利激光雷达整体系统结构

2．4．1 激光发射机

2．4．2 收发光学望远镜

2．4．3 系统控制与数据采集

2．5 本章小结

第3章 光纤结构光学接收机设计与研制

3．1 接收机基本构成

3．1．1 F-P标准具

3．1．2 光纤分束器

3．1．3 准直与聚焦透镜

3．1．4 光电探测器

3．2 接收机结构与工作流程

3．3 接收机锁定通道

3．3．1 积分球特性

3．3．2 积分球对参考光脉冲的展宽

3．4 光纤分束器在接收机中的使用

3．4．1 入射光强分布对光纤分束器分束比的影响

3．4．2 积分球对光斑的均匀作用

3．5 本章小结

第4章 光纤结构光学接收机性能分析

4．1 接收机校准

4．2 接收机透过率曲线扫描

4．3 本章小结

第5章 数据处理与风场观测结果分析

5．1 回波信号数据处理

5．2 风场观测结果与对比实验

5．3 平流层准零风层夜间观测结果分析

5．3．1 准零风层现象的概念与成因

5．3．2 准零风层现象的夜间观测结果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结与结论

6．2 本文创新点

6．3 研究工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果