多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器_陈卫标

第３７卷第１期红外与激光工程２００８年２月Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００８收稿日期：２００７－０４－２５；修订日期：２００７－０６－１０基金项目：国家８６３计划资助项目（２００６ＡＡ１２Ｚ１２６）作者简介：陈卫标（１９６９－），男，上海人，研究员，博士生导师，博士，主要从事激光、光电子、激光雷达及其在海洋、大气、空间的应用等研究。

Ｅｍａｉｌ：ｗｂｃｈｅｎ＠ｍａｉｌ．ｓｈｃｎｃ．ａｃ．ｃｎ多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器陈卫标，周军，刘继桥，朱小磊（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）摘要：设计一套测量大气风场的多普勒激光雷达系统，以种子注入的单频、高重频、脉冲紫外全固态激光器为发射光源，采用两种直接探测技术获取高低空大气风场。

基于费索干涉仪（Ｆｉｚｅａｕ）的条纹图像技术获取边界层和低对流层大气风场，基于双法布里珀罗干涉仪（ＤＦＰ）的双边缘检测技术获取高对流层和低平流层风场。

研制的单频全固态激光器输出１００Ｈｚ、３０ｍＪ的单纵模脉冲激光，输出线宽达到傅里叶转换极限。

报道了测量原理和数值模拟结果、实验样机和系统技术参数。

系统将用于移动式高低空大气风场测量。

关键词：直接探测多普勒激光雷达；条纹图像；双边缘检测；种子注入中图分类号：ＴＮ９５８．９８文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２００８）０１－００５７－０４Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｉｔ′ｓａｌｌｓｏｌｉｄ!ｓｔａｔｅｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｓｅｒＣＨＥＮＷｅｉ!ｂｉａｏ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＬＩＵＪｉ!ｑｉａｏ，ＺＨＵＸｉａｏ!ｌｅｉ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｗｉｔｈａｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎ!ｓｅｅｄｉｎｇ，ｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅ，ｐｕｌｓｅｄｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌａｓｅｒａｎｄｔｗｏｄｉｒｅｃｔ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｗｉｎｄｏｆｌｏｗｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｆｒｉｎｇｅ!ｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄｏｎａＦｉｚｅａｕｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄｗｉｎｄｏｆｈｉｇｈｅｒｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅａｎｄｌｏｗｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｄｏｕｂｌｅ!ｅｄｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄｏｎｄｏｕｂｌｅＦＰｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ．Ｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｓ３０ｍＪａｔ１００ＨｚｗｉｔｈａｌｉｎｅｗｉｄｔｈｏｆＦｏｕｒｉｅｒ!ｔｒａｎｓｆｅｒ!ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈａｎｄｌｏｗａｌｔｉｔｕｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ；Ｆｒｉｎｇｅ!ｉｍａｇｅ；Ｄｏｕｂｌｅｅｄｇｅ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ!ｓｅｅｄｉｎｇ０引言多普勒激光雷达能够获得高空间和时间分辨率的大气风场，已被认为是精确测量全球三维风场的唯一有效手段［１］。

多普勒激光雷达主要包括相干探测和直接探测技术。

虽然相干探测激光雷达灵敏度和测量精度较高，但是相干探测只能利用大气中的气溶胶散射信号，因此测量范围和能力有限。

直接探测多普勒激光雷达技术相对相干技术来说存在一定的优势［２］。

其最主要的两种多普勒频移测量技术是边缘检测［３－５］和条纹图像［６］。

边缘检测常采用高分辨率的法－珀（ＦＰ）干涉仪［３－５］或者分子、原子［７］吸收线的翼作为鉴频器，其测量灵敏度依赖于分子和气溶胶的后向散射比和风速大小；条纹图像技术则是利用干涉条纹的移动直接测量多普勒频移，常用ＦＰ干涉仪，Ｍ!Ｚ干涉仪［８］和Ｆｉｚｅａｕ干涉仪［９］等。

ＭｃＧｉｌｌ等详细分析、比较了直接探测的两种测量技术，认为它们在风速测量精度上十分接近［１０］。

文中根据直接探测多普勒激光雷达的发展趋势和技术特点，综合利用上述两种技术，分别获取高低空大气风场信息。

红外与激光工程第３７卷１测量原理大气中气溶胶和分子在３５５ｎｍ散射光谱如图１所示。

在对流层和低的平流层风速动态范围大，分子浓度相对较大，采用了基于ＦＰ干涉仪的双边缘检测技术，两个ＦＰ干涉仪对称位于瑞利散射光谱两翼，如图１（ａ）所示，根据两个干涉仪信号比值的变化得到多普勒频移量获取风速。

在低大气层，气溶胶浓度大，采用了基于多光束Ｆｉｚｅａｕ干涉仪的条纹图像技术，从干涉条纹中心位置的变化反演风速，如图１（ｂ）所示。

图１大气后向散射光谱及双边缘检测和条纹图像技术原理Ｆｉｇ．１Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｓｐｅｃｔｒａａｎｄｄｏｕｂｌｅｅｄｇｅ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｒｉｎｇｅｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ根据上述测量原理，采用标准大气参数和正在研制的激光雷达系统参数，对两个干涉仪鉴频器系统的灵敏度和风速误差进行数值模拟。

图２表示两个鉴频器系统在不同风速测量动态范围下的风速测量灵敏度。

表１列出了雷达系统技术参数。

图２Ｆｉｚｅａｕ和ＤＦＰ光学鉴频器的风速测量灵敏度Ｆｉｇ．２ＶｅｌｏｃｉｔｙｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｂｙｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒｏｆＦｉｚｅａｕａｎｄＤＦＰ表１直接探测激光雷达系统技术参数Ｔａｂ．１ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒＦｉｚｅａｕ鉴频器系统（图２（ａ））测量灵敏度基本上保持不变，约为１．８％／ｍ・ｓ－１；而ＤＦＰ鉴频器系统（图２（ｂ））测量灵敏度随风速增加而降低，零风速时最大，约为０．３８２％／ｍ・ｓ－１，随着风速的增大，测量灵敏度降低。

图３（ａ）、（ｂ）分别为Ｆｉｚｅａｕ和ＤＦＰ两个鉴频器系统利用气溶胶和分子散射信号，测量低空和中高空大气的风速误差分布。

在３ｋｍ以下边界层，高度分辨率为１００ｍ，积分时间５ｓ，风速误差小于１ｍ／ｓ，能够满足风速测量的要求。

在２０ｋｍ以下的中高空，高度分辨率为５００ｍ，积分时间为２ｍｉｎ，风速测量误差小于３ｍ／ｓ，特别在１６ｋｍ内的对流层风速误差小于２ｍ／ｓ。

图３基于Ｆｉｚｅａｕ和ＤＦＰ鉴频器的水平风速误差Ｆｉｇ．３ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌｅｒｒｏｒｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｂｙｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒｏｆＦｉｚｅａｕａｎｄＤＦＰＰａｒａｍｅｔｅｒＶａｌｕｅＬａｓｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ３５５ｎｍＰｕｌｓｅｅｎｅｒｇｙ～３０ｍＪＰｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎ１０～２０ｎｓＰＲＦ１００ＨｚＬａｓｅｒｌｉｎｅｗｉｄｔｈ＜２００ＭＨｚＳｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒＦｉｚｅａｕＦＳＲ１ＧＨｚＦｉｚｅａｕｓｐｅｃｔｒｕｍｌｉｎｅｗｉｄｔｈ￣１００ＭＨｚＤＦＰＦＳＲ１２ＧＨｚＤＦＰｓｐｅｃｔｒｕｍｌｉｎｅｗｉｄｔｈ，ｉｎｔｅｒｖａｌ￣１．６ＧＨｚ，５ＧＨｚＤｅｔｅｃｔｏｒａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇＰＭＴｄｅｔｅｃｔｏｒＥＭＩ９２１４，３０％ＰＭＴａｒｒａｙＲ５９００!０!Ｌ１６，２０％Ｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅ（＞３ｋｍ）５０￣２００ｍ（ｔｕｎａｂｌｅ）Ｌｏｗａｌｔｉｔｕｄｅ（＜３ｋｍ）２００￣１０００ｍ（ｔｕｎａｂｌｅ）ＷｉｎｄｓｐｅｅｄｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅＦｉｚｅａｕ±５０ｍ・ｓ－１ＤＦＰ±１００ｍ・ｓ－１５８第１期２紫外单频全固态脉冲激光器根据拟研制系统的技术要求，选择了种子注入的ＭＯＰＡ技术方案，采用ＫＴＰＩＩ类倍频、ＢＢＯＩ类和频实现３５５ｎｍ激光输出。

激光器的整体结构如图４所示。

图４单频全固态激光器整体结构Ｆｉｇ．４Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｌｌｓｏｌｉｄ!ｓｔａｔｅｌａｓｅｒ种子激光器采用Ｉｎｎｏｌｉｇｈｔ公司生产的ＭｅｐｈｉｓｔｏＯＥＭ２００ＣＷＮＰＲＯＮｄ：ＹＡＧ激光器，具有１ｋＨｚ的线宽和２００ｍＷ的连续功率输出。

振荡级采用平－凸腔结构进行模式选择，保证输出为基横模，其中后腔镜为平镜，透射率￣３％，输出镜曲率半径为－３ｍ，透射率７０％。

振荡级采用"３×６８ｍｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ晶体棒，由３６条７０ＷＬＤＡ阵列组从９个方向进行泵浦，单条ＬＤ阵列组的功率为６０Ｗ，泵浦头两端放置１／４波片消除空间烧孔效应。

为了提高系统的抗干扰能力，并实现１００％的单纵模几率，选择了谐振探测技术［１１］。

在每一个泵浦脉冲期间对从动腔腔长进行快速扫描并探测种子光经过从动腔之后产生的干涉信号，探测到干涉信号峰值即打开调Ｑ开关，激光器输出单纵模的调Ｑ脉冲。

采用上述腔结构和注入控制方案，得到了近衍射限的单纵模调Ｑ脉冲输出，激光器工作在１００Ｈｚ时单脉冲能量为２５ｍＪ，测得ｘ、ｙ方向的Ｍ２分别１．５８、１．４１。

放大级使用"５×８０ｍｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ晶体棒，并采用与振荡级相同的九边形泵浦结构，由４５条ＬＤ阵列组进行泵浦，单条ＬＤ阵列组的功率为１００Ｗ。

振荡级输出的基频光经放大后，单脉冲能量由２５ｍＪ提高至１００ｍＪ。

放大后的基频激光经过ＩＩ类相位匹配的ＫＴＰ晶体进行倍频得到５３２ｎｍ的倍频激光输出，ＫＴＰ晶体尺寸为６ｍｍ×６ｍｍ×６ｍｍ，在ＫＴＰ晶体之后采用特殊波片将倍频光旋至合适的偏振方向，采用Ｉ类相位匹配的ＢＢＯ晶体对基频光和倍频光进行和频，得到３５５ｎｍ的三倍频激光输出，ＢＢＯ晶体尺寸为６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍ。

三次谐波变换之后得到１００Ｈｚ，２０ｍＪ的３５５ｎｍ紫外激光输出，将紫外激光通过自由光谱范围为１ＧＨｚ的Ｆｉｚｅａｕ干涉仪观察干涉图样，得到了清晰的干涉条纹，扫描Ｆｉｚｅａｕ干涉仪的腔长，并用ＰＩＮ管和数据采集卡观测干涉条纹的移动，经过数据拟合得到的条纹精细度约为５，可以确定３５５ｎｍ激光的线宽小于２００ＭＨｚ，能够满足测风激光雷达对激光线宽的要求。

３多普勒激光雷达系统直接探测多普勒激光雷达系统主要由４个部分组成：激光发射器，望远镜接收和光纤耦合系统，光谱分析接收系统，以及探测器和信号处理系统。

该雷达系统的结构如图５所示，单频激光扩束后，很小一部分激光（＜１％）由参考光纤引入光学鉴频器系统，作为零风速的参考光。

图５直接探测多普勒激光雷达系统结构Ｆｉｇ．５Ｓｅｔｕｐｏｆｄｉｒｅｃｔ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ大部分激光经望远镜扫描镜进入大气，望远镜接收激光大气散射信号光，由光纤耦合，进入光谱分析接收系统。