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

－１５８