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．１
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｆｅｂ．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）０１－００５７－０４
Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｉｔ′ｓａｌｌｓｏｌｉｄ!ｓｔａｔｅｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｓｅｒ
ＣＨＥＮＷｅｉ!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!ｓｅｅｄｉｎｇ
０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．１ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ
Ｆｉｚｅａｕ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．３Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｅｒｒｏｒｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｂｙｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ
ｏｆＦｉｚｅａｕａｎｄＤＦＰ
ＰａｒａｍｅｔｅｒＶａｌｕｅ
Ｌａｓｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ３５５ｎｍ
Ｐｕｌｓｅｅｎｅｒｇｙ～３０ｍＪ
Ｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎ１０～２０ｎｓ
ＰＲＦ１００Ｈｚ
Ｌａｓｅｒｌｉｎｅｗｉｄｔｈ＜２００ＭＨｚ
Ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒ
ＦｉｚｅａｕＦＳＲ１ＧＨｚ
Ｆｉｚｅａｕｓｐｅｃｔｒｕｍｌｉｎｅｗｉｄｔｈ￣１００ＭＨｚ
ＤＦＰＦＳＲ１２ＧＨｚ
ＤＦＰｓｐｅｃｔｒｕｍｌｉｎｅｗｉｄｔｈ，
ｉｎｔｅｒｖａｌ
￣１．６ＧＨｚ，５ＧＨｚ
Ｄｅｔｅｃｔｏｒａｎｄｓｉｇｎａｌ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ＰＭＴｄｅｔｅｃｔｏｒＥＭＩ９２１４，３０％
ＰＭＴａｒｒａｙＲ５９００!０!Ｌ１６，２０％
Ｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅ（＞３ｋｍ）５０￣２００ｍ（ｔｕｎａｂｌｅ）
Ｌｏｗａｌｔｉｔｕｄｅ（＜３ｋｍ）２００￣１０００ｍ（ｔｕｎａｂｌｅ）
Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｄｙｎａｍｉｃ
ｒａｎｇｅ
Ｆｉｚｅａｕ±５０ｍ?ｓ－１
ＤＦＰ±１００ｍ?ｓ
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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。光谱接收系统由两个光学鉴频器通道和一个能量监测通道组成，其中基于条纹成像的Ｆｉｚｅａｕ干涉仪通道，接收气溶胶散射信号测量低的大气层风场，探测器采用多通道的光电倍增管阵列。而基于边缘检测技术的双ＦＰ干涉仪通道，接收分子散射信号测量中高大气层风场，探测器采用了工作在光子计数模式的光电倍增管。两个鉴频器通道由一个偏振开关进行分光，能量监测器通道用于提供归一化参考量。
研制的单频激光器和光谱分析接收器等核心部件，能够满足车载系统特殊要求，研制的激光器和接收单元照片见图６。另外两个干涉仪对环境温度变化
陈卫标等：多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光
器５９
红外与激光工程第３７卷
图６直接探测激光雷达系统激光发射器和光谱分析接收器Ｆｉｇ．６Ｐｈｏｔｏｏｆｌａｓｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｒｅｃｅｉｖｅｒ
灵敏，研制了特殊的两极密封温控系统，使得干涉仪腔的温控精度优于０．００３℃，极大地降低了温度变化引起的风速误差，对ＤＦＰ和Ｆｉｚｅａｕ干涉仪分别为０．３４ｍ／ｓ和０．１９ｍ／ｓ，能够很好地满足系统测量要求。
干涉仪作为测量多普勒频移的鉴频器，在测量多普勒频移反演风速前，需要对实际的光谱进行测量，获得干涉仪的具体参数，来对鉴频器系统进行标定。采用单频激光，对两个鉴频器系统干涉光谱成像，然后对干涉仪的光谱进行扫描。信号接收采用了带有峰值保持电路的两个Ｓ５９７１光电探测器，其中一个作为参考光通道，归一化后消除脉冲激光能量的抖动影响。
两个鉴频器系统的干涉光谱及其扫描光谱如图７所示，ＤＦＰ鉴频器（图７（ａ））的两个ＦＰ干涉仪的光谱间隔４．３ＧＨｚ，光谱分辨率线宽１．６８ＧＨｚ，测量的精细度７．１３。Ｆｉｚｅａｕ鉴频器（图７（ｂ））的光谱分辨率线宽约１８０ＭＨｚ，精细度５．５。
图７ＤＦＰ鉴频器干涉光谱和Ｆｉｚｅａｕ鉴频器干涉光谱
Ｆｉｇ．７ＴｅｓｔｏｆＤＦＰａｎｄＦｉｚｅａｕ
上述干涉仪光谱线宽包括了激光线宽的卷积结果，因此考虑实际的干涉仪参数，从Ｆｉｚｅａｕ鉴频器测量的光谱线宽值，能得到激光线宽约１５０ＭＨｚ。因此研制的单频激光器具有良好的光谱特性，干涉仪系统基本上满足设计要求。
４结论
建立的多普勒激光雷达采用双边缘检测和条纹图像的直接探测原理，利用紫外单频全固态激光器作为发射光源，以Ｆｉｚｅａｕ和ＤＦ作为鉴频器系统。数值模拟表明此系统可实现边界层（＜３ｋｍ）风速测量动态范围±５０ｍ／ｓ，灵敏度为１．８％／ｍ?ｓ－１，水平风速测量误差小于１ｍ／ｓ，高度分辨率小于２００ｍ。边界层上（３￣２０ｋｍ）风速测量动态范围±１００ｍ／ｓ，灵敏度为０．３５１％／ｍ?ｓ－１，水平风速测量误差小于３ｍ／ｓ，高度分辨率小于１０００ｍ。下一步将完善系统，并将应用于车载测量中。
参考文献：
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［１０］ＭＣＧＩＬＬＭＪ，ＳＰＩＮＨＩＲＮＥＪＤ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｗｏｄｉｒｅｃｔ!
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＯｐｔＥｎｇ，１９９８，３７（１０）：２６７５－２６８６．
［１１］ＨＥＮＤＥＲＳＯＮＳＷ，ＹＵＥＮＥＨ，ＦＲＹＥＳ．Ｆａｓｔｒｅｓｏｎａｎｃｅ!
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎ!
ｓｅｅｄｉｎｇＹＡＧｌａｓｅｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔＬｅｔｔ，１９８６，１１：７１５－
７１７．６０
锁模激光器
西安邮电大学光电子技术及应用 锁模激光器 班级：软件1103班 学号：04113098 院（系）：计算机学院
姓名：刘歌歌 2013年12月8日 一、摘要 本文主要介绍了锁模的基本原理和应用前景，并简单介绍了锁模激光器。 二、关键词：锁模激光器，工作原理，应用和前景 三、引言 如果在激光谐振腔内不加入任何选模装置，那么激光器的输出谱线是由许多分立的，由横纵模确定的频谱组成的。锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。 发展前景： 目前,最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（Kerr Lensmode locking)技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。一台激光器实现锁模运转后，在通常情况下，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均功率和脉冲重复频率。 此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。 四、锁模激光器的原理 1、多模激光器的输出特性
6、多普勒天气雷达原理与应用
第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 三、了解雷达气象方程 在瑞利散射条件下，雷达气象方程为： 其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z值与雨强I有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模
多模光纤激光器
多模光纤激光器 可见光和红外光半导体激光器都可以和多模光纤耦合，通过光纤输出。光纤输出的优点是可以随意改变光路方向，此类激光器多用于探测仪器及医疗仪器等。光纤出口光斑大小和光纤长度可由客户选择。光纤耦合模块具有大功率、高亮度的连续光输出，其输出为圆光束、小孔径和对称的请打零贰玖捌捌柒贰陆柒柒叁光斑形状，可广泛应用于医疗、材料处理、固体激光器泵浦、工业及航空、航天等诸多领域。光纤耦合模块的输出波长可满足固体激光器泵浦、医疗诊断及冶疗所需的波段。在工业应用上可被金属及其它材料有效地吸收，可用于激光焊接、打孔和材料处理。光纤的小数值孔径及小芯径有效地改善了激光器的输出亮度、功率密度和光束质量。 Visible light and infrared laser diode can be and multimode optical fiber coupling, through the optical fiber output. The advantages of optical fiber output is free to change the direction of the light path, such lasers to detect more instruments and medical instruments, etc. Fiber export spot size and fiber length can be selected by the customer. Fiber coupling module has high power, high brightness, light output, the output for the circular beam and small aperture shape and symmetry of light, can be widely used in medical, materials processing, solid state laser pump, industrial and aviation, aerospace and other fields. Fiber coupling module output wavelength can meet please dozen zero two nine pure two land and pure pure three solid laser pumped, medical
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。 1.光纤激光器工作原理 光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图1所示。 掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。 光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
多普勒测风激光雷达系统.pdf
49 多普勒测风激光雷达系统 1.研究背景 大气风场信息是一项重要的资源，精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率，改进气候气象学模型建立的准 确性，增强飞行器运行的安全性，因此在风电、航空航 天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。 风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。风速计和风向标只能实现单点测量，借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测，这类传统装置易受冰冻天气影响，测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力，还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题；微波雷达以电磁波作为探测介质，由于微波雷达常用波长主要为厘米波，与大气中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用产生回波，无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用，而晴空时大气中大尺寸粒子较少，因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。另外，微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难；声雷达与微波雷达测量原理相似，不同的是将探测介质由微波改为了声波。声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。因此，迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。2. 测风激光雷达系统 2015年，南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品Molas B300，该产品基于多普勒原理可实现40～300 m 风场信息测 ■ 黄晨，朱海龙，周军 南京牧镭激光科技有限公司 第一作者 黄晨 量，风速测量精度可达0.1 m/s ，风向测量精度可达1°，数据更新率为1 Hz ，风速测量范围可达0～60 m/s 。测风激光雷达定位为外场应用装备，对环境适应性有较高要求，Molas B300可在外界温度范围为-40℃～50℃，相对湿度为0%～100%的环境条件下正常工作。除此以外，Molas B300体积小质量轻（约50 kg ）方便运输安装便捷，可显著降低项目前期施工时间。测风激光雷达采用激光作为探测介质，可与空气中微小颗粒发生相互作用，具有时空分辨率高、自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好等优势，可有效提高项目实施效率， 因此成为了最具前景的风场信息测量手段。 表1 各类风场探测技术的优缺点 探测技术优势 劣势风速计、风向标较高的水平分辨率， 成本低单点测量微波雷达三维风场探测，测量距离 可达100 km 晴空条件下不能使用，体积庞大声雷达三维风场探测探测距离较近，易受大气环境影响 测风激光雷达 三维风场探测，晴空下仍 能测量，移动便携性好 图1 测风激光雷达Molas B300
多普勒雷达原理
汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理 1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身 旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。 由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。 为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就显得低沉。 用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。 多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。 多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。 20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。 多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运
基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达
第28卷第5期 2004年9月大气科学Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol 128 No 15Sept.2004 2003205208收到,2003210214收到修改稿 3中国科学院百人计划和上海市光科技计划共同资助 基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达 3刘继桥 陈卫标 胡企铨 (中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光技术与应用系统实验室,上海201800) 摘 要 提出结合多光束斐索(Fizeau )干涉仪和CCD 探测器的条纹图像技术,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术。在分析Fizeau 干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数。并利用该参数进行性能评估分析,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响,得出一个优化的干涉仪物理参数。模拟结果显示,系统可以获得小于1m s -1的水平风速精度。这些分析,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据。 关键词:多光束斐索干涉仪;直接探测;多普勒激光雷达;风速 文章编号 100629895(2004)0520762209 中图分类号 P415 文献标识码 A 1 引言 大气风场是各种天气过程、大气化学成分循环和海气相互作用的主要动力,因此大气风场探测在气象、环境等领域中有着极其重要的地位。多普勒激光雷达已经被认为是精确测量三维风场的有效手段[1]。从全球风场的测量来看,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]。边缘检测[3]和条纹图像[4]是目前直接探测多普勒激光雷达中最主要的两种多普勒频移测量技术。边缘检测常采用高分辨率的法—伯(FP )干涉仪[3]或者分子[5]、原子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。Mc G ill 等[6]详细分析、比较了两种测量技术,认为两种技术在风速测量精度十分接近。Mc Kay 等[7]从星载系统的角度比较两种技术,认为条纹图像技术更适合于研制星载激光雷达系统。 最初的条纹图像技术采用FP 干涉仪和图像光电探测器(IPD )得以实现,但这种多阳极光电倍增管的量子效率比较低,而且像元数很有限[8]。Irang 等[9]演示了利用CCD 探测器的条纹图像的直接探测激光雷达,系统利用复杂的二元光学技术将环形条纹转换成点阵[10],增加系统复杂性。因此,相关学者把目光转移到寻找更加适合的干涉仪来代替FP ,如M 2Z 干涉仪[11]和Fizeau 干涉仪[12]。Mc Kay [12]首次分析了利用Fizeau 干涉仪进行多普勒频移检测,其分析是较初步的,也没有针对具体系统进行分析。由于Fizeau 干涉形成的是直线条纹,这样可以利用量子效率较高的线阵固体探测
脉冲多普勒雷达
脉冲多普勒雷达(pulse Doppler Radar) 学习笔记 1：PD雷达简介 PD雷达的广泛定义应为:能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波(频域滤波)，具有对目标进行速度分辨能力的雷达 PD雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。通常工作在一组较高的脉冲频率上，并采用主振放大链型的信号源和距离门窄带滤波器链的信号处理器. 它具有较高的速度分辨能力，从而可以更有效的解决抑制极强的地杂波干扰的问题。 PD 雷达有多种工作模式，下图给出了PD雷达的各种工作模式。 它们各具特点，分别适用不同的环境。低重PD雷达测距不会产生模糊，旁瓣杂波电平较低，但测速模糊。高重PD雷达与之相反，测距产生模糊，旁瓣杂波由于距离重叠效应，电平比较高，但测速是清晰的。中重PD雷达的距离和多普勒频移都产生模糊，通过辅助方法可以解测距和测速模糊。 1：测速原理 雷达对目标速度的测量主要利用电磁波照射在运动目标上时产生的多普勒效应来进行。对雷达而言，当雷达与目标之间存在相对运动时，多普勒效应体现在回波信号的频率与发射信号的频率不相等。雷达发射电磁波信号后，当遇到一个向着雷达运动的目标时，由于多普勒效应，雷达接收到从这个目标返回的电磁波信号的频率将高于雷达的发射频率。而当雷达发射的电磁波遇到一个在远离雷达方向运动的目标时，则雷达收到的是低于雷达发射频率的电磁波信号。多普勒雷达正是利用两者频率之间的差值，即多普勒频移df来实现对目标速度的测量。 2：距离模糊产生原因 雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期T r（PRT）决定。为保证单值测距, 通常应R max 选取T R>2 C
R max为被测目标的最大作用距离。 有时雷达重复频率的选择不能满足单值测距的要求, 例如在脉冲多普勒雷达或远程雷达, 这时目标回波对应的距离R为 R=c (m×T r+t r) 式中，t r为测得的回波信号与发射脉冲间的时延。这时将产生测距模糊, 为了得到目标的真实距离R, 必须判明式(2.1.7)中的模糊值m。 2：
光纤激光器工作原理及发展
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
单模激光器和多模激光器原理及特点的对比分析
单模激光器和多模激光器原理及特点的对比分析 单模激光器和多模激光器本质区别就是单模激光器输出的光束中有且仅有一种模式，而多模激光器输出的光束模式可以有多种。其中，我们可以用光束质量M2因子的大小来判断激光器输出是单模还是多模。根据M2因子的不同，我们将M2因子小于1.3的激光称为纯单模激光，其LP01模的能量占比接近100%；M2因子在1.3~2.0之间的激光称为准单模激光，其LP01模的能量占比超过90%并出现少量的LP11模和LP02模；M2因子大于2.0的激光称为多模激光。对于M2因子的大小，可用光在光纤中的传播的波导来求知，接下来我们将从理论上求解M2因子。 光本质上是一种电磁波，可以用麦克斯韦方程组来描述。根据麦克斯韦方程组，可推导出光在光纤中传播的波动方程为： ?2E0+ω2ε0μ0n i2E0=0 ?2H0+ω2ε0μ0n i2E0=0 其中E0为导波光电场E分布的振幅， E=E0(x,y)exp?[j(ωt?βt)] 其中H0为导波光磁场H分布的振幅， H=H0(x,y)exp?[j(ωt?βt)] 而传播常数 β=k0n i cosθ=2π n i cosθ θ为光在光纤中内反射传播的传播角。对于光纤纤芯和包层两种折射率不同的介质，在不连续界面上的边界条件为 (E1?E2)×n=0 (H1?H2)×n=0 其中n为界面的单位法向矢量，边界条件的物理意义表示，在界面的两侧矢量E和H的切向分量必须相等。 图1 圆柱光纤的坐标系
对于圆柱对称的光纤（如图1），令纤芯的折射率为n1，包层折射率为n2，用E z和H z分别代表电场和磁场的z向分量。 e2E Z er2+ 1 r eE Z er + 1 r2 e2E Z eθ2 +(k02n2?β2)E Z=0 e2H Z 2+ 1eH Z + 1 2 e2H Z 2 +(k02n2?β2)H Z=0 而折射率n按下式分布 n2(r)={ n12??????????????????(r?a) ?n22=n12(1?2?)????????????(r>a)???????? 采用分离变量法，用三角函数表示角度θ的相关性，与失径r的关系可分为纤芯和包层两种情况： 在纤芯中（r≤a） E Z=A l J l(kr)cos(lθ+φl) H Z=B l J l(kr)cos(lθ+ψl) 在包层中（r>a） E Z=A l J l(ka) l () K l(γr)cos(lθ+φl) H Z=A l J l(ka) K l(γa) K l(γr)cos(lθ+ψl) 引入归一化频率 V=k0n1a√2Δ 可得 (ka)2+(γa)2=V2 此时的边界条件为r=a处 Eθ(r→a+0)=Eθ(r→a?0) Hθ(r→a+0)=Hθ(r→a?0) 由此可以求解Eθ和Hθ的两个振幅系数A l和B l，根据场的纵向分量Ez,Hz的存在与否，可将模式命名为： 横电磁模（TEM）, E Z=H Z=0 横电模（TE）, E Z=0??????H Z≠0 横磁模（TM）, E Z≠0??????H Z=0 混杂模（HE,HM）, E Z≠0??????H Z≠0 在实际情况中，光纤中存在简并模，有时两类模式特性叠加会使某一横向
直接探测多普勒测风激光雷达
直接探测多普勒测风激光雷达 引言 风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和预测全球气候变化的能力。目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力[1]。 激光雷达是探测大气的有力工具，随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展，激光雷达技术的发展也日新月异。多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点，是其它探测手段难以比拟的[2, 3, 4]。 新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达，利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测[5]。本文介绍了该激光雷达 的总体结构及其各部分的功能，并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。 1 总体结构和技术参数 1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成，其结构示意图和外观照片分别见图1和图2，主要的技术参数见表1。
激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。脉冲重复频率为50 Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。 二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。由两个镀有1064 nm 波长全反的介质膜的平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。通过软件控制或者手动调节能够全方位扫描，水平方向可以旋转0o至360o，垂直方向可以旋转0o至180o。进行常规探测时采用四波束法，水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四个方位探测，即东、南、西和北四个方位，工作仰角为45o。 接收望远镜在二维扫描单元的正下方，有效通光口径为300 mm，如图1所示。主镜镀有1064 nm波长全反的介质膜，反射率高达99%。望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤，由光纤导入到准直镜后成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由20％反射、80％透射的分束片分成两部分。20％的反射信号作为能量探测，由直角反射棱镜分成两束，分别由光子计数探测器接收；80％的透射信号作为信号探测，经过双Fabry-Perot标准具的两个通道后，由于透过率的不一样，得到强度不等的两束光信号，由直角反射棱镜分为两束，由相应的光子计数探测器接收。四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后，输入光子计数卡内，最后由工控机中的主程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显示测量的信号强度廓线、风速和风向。
脉冲多普勒雷达的总结
脉冲多普勒雷达的总结 1、适用范围 脉冲多普勒（PD）雷达是在动目标显示雷达基础上发展起来的一种新型雷达体制。这种雷达具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力，有更强的抑制杂波的能力，因而能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波。 2、PD雷达的定义及其特征 （1）定义：PD雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。 （2）特征：①具有足够高的脉冲重复频率（简称PRF），以致不论杂波或所观测到的目标都没有速度模糊。 ②能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频域滤波。 ③PRF很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。 3、PD雷达的分类 图1 PD雷达的分类图 ①MTI雷达（低PRF）：测距清晰，测速模糊 ②PD雷达（中PRF）：测距模糊，测速模糊，是机载雷达的最佳波形选择 ③PD雷达（高PRF）：测距模糊，测速清晰 4、机载下视PD雷达的杂波谱分析 机载下视PD雷达的地面杂波是由主瓣杂波、旁瓣杂波和高度线杂波所组成的。 、PRF 的选择 （1）高、中、低脉冲重复频率的选择 ①机载雷达在没有地杂波背景干扰的仰视情况下，通常采用低PRF加脉冲压缩。 ②迎面攻击时高PRF优于中PRF。尾随时，在低空，中PRF优于高PRF ;在高空，高PRF优于中PRF。 ③交替使用中、高PRF的方法，或者再加上在下视时采用低PRF的方法，并在低、中PRF时配合采用脉冲压缩技术，将是在所有工作条件下得到远距离探测性能的最有效的方
法。 （2）高PRF时重复频率的选择 ①使迎面目标谱线不落人旁瓣杂波区中: ②为了识别迎面和离去的目标： A、当接收机单边带滤波器对主瓣杂波频率固定时： B、当接收机单边带滤波器相对发射频率是固定时： 注：单边带滤波器的通带范围应从，单边带滤波器的中心频率是固定的，但偏离应为。 6、PD雷达的信号处理系统 PD雷达的信号处理系统主要由单边带滤波器、主瓣杂波抑制滤波器、零多普勒频率抑制滤波器、多普勒滤波器组、检波积累、转换器和门限等部分组成，下面总结各组成部分的特点及其实现方法。 （1）单边带滤波器 特点：带宽近似等于脉冲重复频率fr, 一般设置在中频； 从回波频谱中只滤出单根谱线； 避免了后面信号处理过程中可能产生的频谱折叠效应; 距离选通波门必须设在单边带滤波器之前; 要求带外抑制至少要大于60dB; 实现方法：采用石英晶体滤波器 （2）主瓣杂波抑制滤波器 特点：比目标回波能量要高出60-80dB； 主瓣杂波抑制滤波器的幅一频特性应是主瓣杂波频谱包络的倒数； 相当于一个白化滤波器，经过主瓣杂波抑制之后，后面的多普勒滤波器可以 按照白噪声中的匹配滤波理论来进行设计； 实现方法：首先确定它的频率，用一个混频器先消除变化的，就可以用一个固定频率的滤波器将其滤除. 确定主瓣杂波中心频率有两种方法:一种方法是利用频率跟踪； 另一种是由天线指向和载机飞行速度计算出主瓣杂波应有的多普勒频移，直接控制压 控振荡器去产生的振荡濒率。 （3）零多普勒频率抑制滤波器 特点：用于高度杂波的滤除； 同时抑制发射机直接进人到接收机的泄漏； 实现方法：①只需断开滤波器组中落人高度杂波区的那些子滤波器的输出； ②使用可防止检测高度线杂波专用的CFAR电路; ③使用航迹消隐器除去最后输出的高度线杂波。 （4）多普勒滤波器组 特点：是覆盖预期的目标多普勒频移范围的一组邻接的窄带滤波器； 起到了实现速度分辨和精确测量的作用； 可以设在中频，也可以设在视频；
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．１ ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂ．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）０１－００５７－０４ Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｉｔ′ｓａｌｌｓｏｌｉｄ!ｓｔａｔｅｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｓｅｒ ＣＨＥＮＷｅｉ!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!ｓｅｅｄｉｎｇ ０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。
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
高功率连续多模光纤激光器
高功率多模连续光纤激光器系列 High power multi mode CW fiber lasers 锐科公司研制的高功率多模光纤激光器系列涵盖1kW至10kW，具有电光转换效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、免维护等优点，可广泛应用于金属材料的切割、焊接、表面处理和3D打印等领域。输出光学系统采用了加固铠装的输出光纤，输出接头为QBH，使客户配置更为方便。该系列产品的调制频率最高可达20kHz，能满足绝大多数应用场合的需求，并具备多种控制模式和，良好的兼容性。 Raycus’ high powe r fiber lasers (1~10KW CW) are specially designed and manufactured for material processing such as fast cutting, welding, cladding, surface treatment and 3D printings. Based on modular design, the lasers offer very good reliability and easy maintenance. The lasers use standard QBH beam delivery optics, which make it very easy for industrial integration and robot applications. 特点Features： : 模块化设计Modular design 高电光转换效率High efficiency QBH接头QBH beam delivery cable 输出光纤芯径可选，长度可定制Customized cable length，Fiber diameter optional 免维护Easy integration 易于集成Maintenance free
激光雷达替代多普勒雷达功能技术要求说明书
激光雷达替代多普勒雷达功能技术参数要求说明书 物联网产业研究院 防入侵事业部 2011/04/28
目录 目录 (1) 前言 (2) 一、项目概述 (3) 1.1项目名称 (3) 1.2项目来源 (3) 1.3项目背景及用户需求 (3) 1.4项目目标 (3) 二、道口防入侵系统功能 (4) 2.1系统原理实现 (4) 2.2系统功能设计 (4) 2.3性能设计 (5) 2.4技术架构 (6) 三、雷达定位子系统性能参数 (7) 3.1激光雷达技术参数 (7) 3.2激光雷达拟定验收环境 (7) 3.3激光雷达拟用验收用例 (8)
前言 道口防入侵解决方案作为周界防入侵新的子系统和业务，具有创新性、独特性和很高的技术要求。本文主要对项目的总体解决方案进行描述，对使用激光雷达定位子系统替代多普勒雷达定位子系统的技术参数需求进行明确，并设置相关测试验收用例
一、项目概述 1.1项目名称 “浦东国际机场道口防入侵” 1.2项目来源 参看《浦东国际机场道口防入侵解决方案技术解析》 1.3项目背景及用户需求 一般机场的周界都有几十公里长，几十个出入口。由于机场和外部业务往来较多，会有大量的人车出入，所以机场出入口是除围界外唯一可能的可疑人员闯入的通道。由于保安人员在车辆安检过程中注意力分散，可能会有恶意人员从伴随车辆一起进入机场；另外，在夜间，保安人员值班疲惫，也可能会有可疑人员从车辆通道混入机场。在出入口实现自动探测非授权人员进入机场，将大大降低潜在隐患。 1.4项目目标 选择一个出入口的行车区域，进行系统开发、验证、演示，实现授权人员和非授权人员识别、分类、轨迹跟踪、球机联动跟踪。
DFB光纤激光器国内外发展状况
我国国内光纤激光器目前己经得到一定程度的发展，国内的一些单位如上海光机所、清华大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科技大学、天津大学等从八十年代末进入光纤激光器的研究领域，经过努力获得了一定进展。国内开展光纤激光器和放大器方面的研究是从80 年代末和90 年代初开始的，首先在上海硅酸盐研究所、天津46 所、上海光机所、西安光机所、清华大学、北京邮电大学等国内多见科研单位开展了掺饵光纤的研制及光纤激光器的研究，并取得了阶段性的成果[l5] 。南开大学、上海光学精密机械研究所在双包层光纤布拉格(Bragg)光栅激光器方面取得了开创性成果[16],烽火通信科技股份有限公司与上海光 机所于2005 年合作，顺利研制出输出功率高达440W 的掺臆双包层光纤激光器[17]，随后中国兵器装备研究院报道了突破IKW 功率的光纤激光器，清华大学在多波长光纤激光器和锁模脉冲光纤激光器方面做了很多有进展性的工作[ 1 8-20] ，总体来说，由于国内光纤激光器的研究受到基础条件方面的制约，同国际的研究水平还有相当大的差距。国外有多个研究机构人员对DBR 和DFB 光纤激光器开展了全面的研究。其中G.A.Ball 所在的EastHartford 联合科技研究中心最先开展了将光栅直接写在掺杂光纤上形成腔结构，泵浦光源通过WDM 对 其进行泵浦而得到激光输出，从而实现所谓DBR 型光纤激光器[21-23] 。由于作为干涉光源以及传感等应用的背景，对单频操作DBR 的研究广泛的开展起来。利用短腔长高掺杂的DBR 、复合腔结构或DFB 结构等来实现稳定的单频操作一一被提出来。Sigurd 所在的澳大利亚的CRC 光子中心对DFB 光纤激光器进行了动态和多波长操作分析[24-25] ，同时探讨了利用DFB 光纤激光器对声响应的情况，并测试了DFB 光纤激光器对空气中声场的响应;Scott 所在的澳大利亚的国防科学科技组织从理论到实验研究了DFB 光纤激光器的空间模结构和 动态噪声[26-27] ，希望实现基于DFB 光纤激光器的水听器;英国的那安普顿大学的Kuthan 等人从理论上提出了改变DFB 光纤激光器对称结构从而实现提高输出效率降低泵浦域值目的[28] ，同时研究了混合掺杂的DFB 光纤激光器[29]，同样希望将其应用于传感领域。在20 世纪90 年代，世界范围的光纤传感技术呈现出产业化发展的趋势，主要形成了军事和民用两大应用领域，其中包括:国土安全防卫系统、工业安全检测系统以及用于石油化工、生物医学和环境等领域的光纤检测系统。在此同时光纤激光传感技术也开始形成，在1995 年，美国海军实验室的K.P.Koo 等人[30]首次将光纤激光器应用到光纤传感领域，这不仅推动了光纤传感技术的发展，而且标准着光纤激光传感技术的诞生。在此之后许多机构对光纤激光传感技术就开始了深入的研究，并且积极的拓展其应用的领域，如美国海军实验室(NRL) 、英国国防研究局(DERA) 、澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 和美国利通资源勘探仪器公司(Litto n)等。自从19%年起英国国防研究局(DERA)联合Ast on大学和Kent大学开展了光纤激光水听器的研究[31]，并于2005年报道了8 点光纤激光水听器波分复用技术[32];2006 年澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 报道的最大规模的单纤16点波分复用光纤激光传感器阵列[33];2007 年美国G.H.Ames 等报道了DFB 光纤激光加速度计[34];2008 年美国海军实验室G.A.Cranch 等报道了DFB 光纤激光磁力计[35] 可以应用于海底微弱磁场的探测。近年来国内光纤传感技术己经进入了工程应用的阶段，并且在光纤激光传感技术方面也取得了一些研究成果。 2011.3.1 DFB 光纤激光器作为本文研究的重点，下面对它的研究进展作一个简要介绍。1972 年美国贝尔实验