一种高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法
【专利摘要】一种高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法，实现步骤如下：(1)设计由两块平行玻璃板构成改进的Fabry-Perot标准具，包含5个通道，包含两个Mie散射信号通道，两个Rayleigh散射信号通道，一个激光频率锁定通道即通道L；(2)选择适当的标准具参数，使得具有如下要求：两个Mie散射的信号通道的透过率曲线与优化的Mie散射信号探测标准具的透过率曲线一致；两个Rayleigh散射的信号通道的透过率曲线与优化的Rayleigh散射信号探测标准具的透过率曲线一致；锁定通道L对两种散射的信号通道R1、R2的相对激光频率均具有跟踪作用；保证探测的高度，尤其是Rayleigh后向散射信号的强度。
【专利说明】一种高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电探测【技术领域】，尤其涉及测风激光雷达系统中的鉴频器实现方法。
【背景技术】
[0002]对于对流层，平流层以及以上的区域大气风场探测，直接探测测风激光雷达已经被证明是实现高时空分辨率风场探测最有效的方法。其基本原理是:激光发射进入大气并与之相互作用，由于大气运动，产生了激光的多普勒效应，接收望远镜收集大气后向散射信号并与发射激光的频率进行对比，频率的差值即为径向风速引起的多普勒频移，根据这个频移得到径向风速。
[0003]对于直接探测测风激光雷达的鉴频技术主要有两种:条纹技术和边缘技术。目前边缘技术是国际上多普勒激光雷达系统中采用最多的一种技术。边缘技术主要是利用鉴频器产生的陡峭边缘将透过其中的信号光携带的微小的频率变化转化成能量的变化，通过适当的探测器测量出这个能量变化反演多普勒频移，进而得到大气风场。作为一种改进，双边缘技术提高的测量的灵敏度，在直接测风激光雷达应用的更加广泛。其主要原理如图1所示。其中a表示的是无多普勒频移时的回波信号以及各个通道的透过率和强度分布，b表示的是存在多普勒频移时的回波信号以及各个通道的透过率和强度分布；A，B，C分别表示双信号边缘滤波器的透过率曲线和锁定边缘滤波器透过率曲线，D表示的是发射激光的强度分布，E表不的是大气回波信号的强度分布,包含Mie散射信号(窄带宽)和Rayleigh散射信号(宽带宽)。F，G表示的是大气回波经过双边缘后透过的能量分布。边缘分居在回波信号的两侧，当回波信号相对激光频率为0，即无多普勒频移，两个通道的透过率相等，当回波信号产生了多普勒频移，其中一个通道的透过率减小，另一个通道的透过率增加。通过探测两个通道的透过率变化来反演多普勒频移，即径向风速。产生这些陡峭边缘的鉴频器包括Fabry-Perot标准具,原子滤波器(如碘原子，钠原子等)。
[0004]国际上利用直接探测测风激光雷达最早实现大气风场探测的是1989年法国Chanin研究小组首次报道中层大气平均风场激光雷达的测量，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，其工作波长为532nm，利用分子的Rayleigh后向散射信号，其测量高度为25?60km。随后，美国NASA在直接探测多普勒测风激光雷达系统的研究中也进行了大量的研究工作。NASA Goddard航天中心采用Fabry-Perot标准具作为鉴频器，激光的工作波长为354.7nm，研制出激光雷达系统GLOW，其测量高度为1.8_35km。北极激光雷达的中层大气研究气象台(ALOMAR)在挪威建立了瑞利散射/米散射/拉曼散射激光雷达系统，主要用于探测北极地区的中层大气的风场、温度、气溶胶的浓度分布以及夜光云粒子气象参数。其中的测风通道同样采用了 Fabry-Perot标准具作为鉴频器，并且利用五个标准具进行镜像风速测量，工作波长为1064nm，532nm，354.7nm，探测距离为18_80km。1999年欧空局(ESA)经全面启动全球第一台星载测风激光雷达计划(ADM-Aeolus)，采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，工作波长为354.7nm。因此，基于FP标准具的直接探测多普勒测风技术是目前最佳的全球测风激光雷达研制方案，并已经获得了国际上普遍的认同。
[0005]国内方面，1997年中国海洋大学组建了利用碘滤波器的可移动直接探测激光雷达系统，并于2000年报道了低对流层的风场分布，其激光的工作波长为532nm，利用大气气溶胶的Mie后向散射信号，探测的高度范围为最大7km。2006年，中国科学院安徽光学精密机械研究所成功研制了针对地对流层风场的直接探测测风激光雷达系统，系统采用Fabry-Perot标准具并利用Mie散射回波信号，波长为1064nm的Nd = YAG激光器，探测距离为0.2-10km。随后，2012年，中国科学技术大学成功研制了针对中高层大气风场探测的基于Fabry-Perot标准具多普勒测风激光雷达系统，激光波长为354.7nm，其探测距离为8_40km。
[0006]以上关于直接测风激光雷达的回顾中可以看出，现阶段，直接探测测风激光雷达系统较多采用的鉴频器是Fabry-Perot标准具。激光雷达系统或是利用低对流层中主要的后向散射信号为Mie散射，或是利用中高层大气中主要的后向散射信号为Rayleigh散射，这些系统的鉴频器的设计要么是高分辨率保证探测的灵敏度，要么是低分辨率保证充分利用回波信号的强度。因而，无法实现高低空大气风场同时探测。
[0007]另一个方面，后向散射信号不仅有散射机制上的区别，例如Mie散射，Rayleigh散射和Brillouin散射，还有强度的差别。图2表示的是美国标准大气模型中对波长为1064nm激光的Mie后向散射系数和Rayleigh后向散射系数随高度的变化，图中A，B分别表示Mie和Rayleigh后向散射系数随高度的分布。由于平流层的气溶胶较少，图2中的气溶胶后向散射系数分布仅给出了在O-1Okm高度中的分布。由图2可知，在对流层区域内Mie后向散射信号占据主导地位，到平流层及以上，Rayleigh后向散射信号占据主导地位。而在低层，Mie后向散射与Rayleigh后向散射强度相差大于10倍,而低层与40km处后向散射系数相差3-4个数量，信号强度范围超出一般微弱信号探测器的动态范围。
[0008]因而，针对不同的大气后向散射作用机制，并且考虑到后向散射信号的强度因素，标准具的设计按照不同信号类型确定光谱分辨率，根据信号强度分层探测。对于低对流层，利用双边缘技术并应用高分辨率的Fabry-Perot标准具作为鉴频器；对于中高层，同样利用双边缘技术，并利用低分辨率的Fabry-Perot标准具作为鉴频器。如图3所示，图中A和B表示两块平行玻璃板，C是连接平行玻璃板的电桥，可以提供位置反馈。平行玻璃板上有三个通道，L表示锁定通道滤波器，I, 2表示双边缘信号通道滤波器。通常，标准具包括两个信号通道和一个锁定通道，前者用于多普勒信息的提取，后者用于监测和锁定激光频率。典型的用于探测对流层和中高层大气风场的标准具设计参数如表I所示，其对应的透过率曲线如图4，其中a为Mie散射的标准具透过率曲线，b为Rayleigh散射探测的标准具透过率曲线；A，B表示双边缘信号滤波器的透过率曲线，C表示锁定通道滤波器透过率曲线。
[0009]表I典型的Fabry-Perot标准具参数
[0010]
【权利要求】
1.一种高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法，其特征在于实现步骤如下: (1)设计由两块平行玻璃板构成改进的Fabry-Perot标准具，改进的Fabry-Perot标准具包含5个通道，包含两个Mie散射信号通道，即通道Ml和M2，两个Rayleigh散射信号通道，即Rl和R2，一个激光频率锁定通道即通道L ;所述通道L表示的是锁定通道，用于跟踪激光相对于标准具的频率位置，锁定激光的相对频率；所述通道Rl与R2用于鉴别大气的Rayleigh后向散射信号的Doppler频率，测量中高层大气的风场；通道Ml和M2用于鉴别大气的Mie后向散射信号的Doppler频率,测量对流层中的大气风场； (2)在所述改进的Fabry-Perot标准具结构的基础上,选择适当的标准具参数,使得具有如下要求: 第一，两个Mie散射的信号通道的透过率曲线与优化的Mie散射信号探测标准具的透过率曲线一致； 第二，两个Rayleigh散射的信号通道的透过率曲线与优化的Rayleigh散射信号探测标准具的透过率曲线一致； 第三，锁定通道L对两种散射的信号通道Rl、R2的相对激光频率均具有跟踪作用；第四，保证探测的高度，尤其是Rayleigh后向散射信号的强度； 对于第一和第二点，为了实现相对于Mie散射谱宽Rayleigh后向散射信号的探测，标准具的自由谱宽度需尽可能包含全部Rayleigh谱，因而选取FSR范围为9.5-15.6GHz，由FSR的定义:
其中，c表示的是真空中的光速，L为标准具的腔长，选取FSR的一个典型值，FSR =12GHz,由式(I)得标准具的腔长为12.5mm ；Rayleigh信号通道的半高全宽FWHM的典型值为1.7GHz,由下⑵式:
其中，R表不平行玻璃板内表面对相应波长光的反射率，Rayleigh信号通道的对应波长的反射率为64.3%，通过在平行玻璃板上镀上一层台阶使得Rl和R2两个通道透过率曲线产生峰值间距，台阶的厚度为:
其中，Δ V表示透过率曲线的峰值间距，V表示透过激光的频率，L表示标准具的腔长，优化的Rayleigh后向散射标探测标准具边缘间距为1.7GHz，由此计算的Rl与R2通道间的相差的台阶高度； 对于Mie后向散射信号，其FWHM的典型值为0.17GHz，由式(2)可得Mie信号通道对应波长的反射率约为95.6%，两个通道的间的台阶厚度差同样由(3)式求出；对于第三点和第四点，采用单脉冲能量较高的Nd:YAG激光器，对于中高层大气的Rayleigh散射信号，后向散射系数与λ_4成正比，采用更短波长且人眼安全的354.7nm激光，该激光器基频振荡为1064nm激光，经过二倍频晶体和三倍频晶体转换后，输出532nm和354.7nm激光，三种激光的频率相互关联，满足2倍和3倍的关系。
2.根据权利要求1所述的高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法，其特征在于:所述步骤(2)中对于波长为354.7nm发射激光的Rayleigh后向散射信号，所述台阶高度约为75. 44nm。
【文档编号】G01S17/88GK104076344SQ201410306386
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月28日 优先权日:2014年6月28日
【发明者】孙东松, 窦贤康, 张飞飞, 舒志峰, 夏海云, 胡冬冬, 韩於利 申请人:中国科学技术大学