一种基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参数估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电探测领域，具体说是一种基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线 参数估计方法。
【背景技术】
[0002] 测风激光雷达是以激光为光源向大气发射激光脉冲，接收大气气溶胶粒子和大气 分子的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速的。激光器产生的 相干激光与大气粒子（米散射）和分子（瑞利散射）的相互作用是用激光雷达测量大气参 数的基础。
[0003] 目前，直接探测测风激光雷达系统中的鉴频器件大多数采用的是Fabry-Perot标 准具。Fabry-Perot标准具主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板组成，两板的内表 面镀反射膜。为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应保持平行，其平行度一般要求达到（1/20~ 1/100) A。如果两板之间的光程固定，称为固定式Fabry-Perot标准具；如果两板之间的光 程可以调节，则称为可调谐式Fabry-Perot标准具。
[0004] 激光雷达测风误差的控制一直把重心放在减小激光器产生的激光抖动和跳模上， 少有考虑从提尚标准具频率选择特性估计上提尚风速估计精度。一般情况下，标准具的参 数是符合其设计值，并有一定误差。然而在实际使用中，我们发现由于标准具是高精度装 置，实验的温度、湿度对其都有一定影响，在使用一定时间时候都需要进行重新估计和校 对，同时对于米散射的激光雷达系统，由于激光谱宽因为没有瑞丽效应展宽，透过率函数相 对分子散射的情况会变的非常陡峭，所以在使用边缘技术时，对标准具的精度要求非常高。
[0005] 另一方面，近年来无论是相干还是非相干激光雷达，对于激光器抖动都是采用锁 定追踪的方法进行误差消减，但是这种方案是依赖最初的透过率函数参数估计拟合，并以 此为基准对激光器的频率进行跟踪。因此，为了提高激光雷达的测风精度必须对标准具的 各项参数进行精确的估计，以形成较为准确的透过率曲线，以此形成的频率响应函数才能 反演出正确的风速数据。这不仅在理论研究方案有重要的意义，对于推进激光雷达在军事、 民用领域的应用都具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的发明目的在于提供一种估计精度高，抗激光器频率抖动能力强，实现简 单的基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参数估计方法。
[0007] 本发明的技术目的是采用如下技术方案实现的：
[0008] -种基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参数估计方法，其特征在于：其包括 按顺序进行的下列步骤：
[0009] (1)首先按照较大间隔步长移动标准具腔长，获得整个标准具腔长量程下激光的 透过率；
[0010] (2)利用透过率曲线的线谱形式，减小噪声影响，然后谱估计的方法，分析其频谱
[0011] (3)利用线性最小二乘算法得到每步对应频率；
[0012] (4)按照较小步长移动标准具腔长，获得一个峰体的透过率函数；
[0013] (5)将步骤（3)得到的每步对应频率带入，利用非线性最小二乘方法对峰值透过 率和有效透过率进行估计，绘制标准具透过率函数。
[0014] 所述步骤（2)将标准具的透过率曲线视为正弦信号，使用的谱估计方法是MUSIC 算法，则其基频为每步对应频率和自由谱间距的比值。
[0015] 所述的步骤（3)从线谱多峰值中求取基频的方法为线性最小二乘法。
[0016] 所述的步骤（5)使用的透过率曲线公式是带入了步骤（3)中估计得到每步对应频 率，参数估计方法为非线性最小二乘法，数据为步骤（4)中小步长，长时间扫描的结果，最 后使用估计得到的三个参数，完成标准具在当时工作条件下的透过率曲线。
[0017] 本发明提供的基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参数估计方法，是利用透过 率函数的线谱形式，使用信号处理的方法对其中参数进行估计。其中，使用MUSIC算法和线 性最小二乘计算每步对应频率，得到频率参数以后，利用第二次扫描获进行幅度估计，本发 明估计精度高，抗激光器频率抖动能力强，实现简单。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的流程示意图；
[0019] 图2是本发明方法中大步长扫描标准具全量程透过率曲线；
[0020] 图3是使用MUSIC算法得到的透过率曲线的伪谱；
[0021 ] 图4是得到的谱峰的谱峰位置；
[0022] 图5-1是本发明中较小步长扫描脉冲位置的透过率曲线（每步对应频率估计）；
[0023] 图5-2是本发明中较小步长扫描脉冲位置的透过率曲线（峰值透过率估计）；
[0024] 图5-3是本发明中较小步长扫描脉冲位置的透过率曲线（有效反射率估计）；
[0025] 图5-4是本发明中较小步长扫描脉冲位置的透过率曲线（峰值位置估计）；
[0026] 图6是本发明对四个参数的估计结果在不同信噪比下的均方根误差。
[0027] 图7是最终的拟合结果。
【具体实施方式】
[0028] 下面参照附图和具体实施例对本发明基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参 数估计方法进行详细说明。
[0029] 为了方便起见，以Fabry-Perot标准具其中一个通道进行说明。
[0030] 如图5所示，本发明提供的基于Fabry-Perot标准具的透过率曲线参数估计方法 包括按顺序进行的下列步骤：
[0031] (1)首先按照较大间隔步长移动标准具腔长，获得整个标准具腔长量程下激光的 透过率：
[0032] 由于Nd: YAG激光器容易受到栗浦功率的变化、机械振动、环境温度变化及声振动 噪声等因素的影响，导致激光器腔长光程的起伏，产生激光频率抖动。这样在进行透过率扫 描时，长时间的扫描可以提升透过率曲线形状相关参数的准确度，但是频率参数会随着频 率的飘动而产生估计误差，以此对于频率参数需要在较短时间内完成测量。然后，因为标准 具三通道基本结构一致，故这里只使用一个通道的数据进行说明：
[0041] 其中，Tp、iap P分别表示真峰值透过率、有效反射率和每步对应频率，即受到环境 影响需要估计的参数。Vfsr是自由谱间距，设计值为3. 3GHz，0。表示光纤耦合的发散角为 0.01度，n(x)表示测量噪声。
[0042] (2)利用透过率曲线的线谱形式，采用MUSIC方法，分析其频谱：
[0043] 透过率函数的形式具有线谱信号的形式：