自制直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)介紹

引 言

風(fēng)是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的一個(gè)重要參量，利用風(fēng)的數(shù)據(jù)，可以獲得大氣的變化，并預(yù)見其改變，促進(jìn)人類對能量、水、氣溶膠、化學(xué)和其它空氣物質(zhì)圈的了解，提高氣象分析和預(yù)測全球氣候變化的能力。目前的風(fēng)場數(shù)據(jù)主要來源于無線電探空測風(fēng)儀、地面站、海洋浮標(biāo)、觀測船、飛行器以及衛(wèi)星，它們在覆蓋范圍和觀測頻率上都存在很大限制。對全球進(jìn)行直接三維風(fēng)場測量已經(jīng)提到日程上來，世界氣象組織提出了全球范圍的高分辨率大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)的迫切需要，迄今為止，多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)是唯一能夠獲得直接三維風(fēng)場廓線的工具，具有提供全球所需數(shù)據(jù)的發(fā)展?jié)摿Γ?］。

激光雷達(dá)是探測大氣的有力工具，隨著激光技術(shù)、光學(xué)機(jī)械加工技術(shù)、信號探測、數(shù)據(jù)采集以及控制技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展也日新月異。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)具有實(shí)用性、高分辨率和三維觀測等優(yōu)點(diǎn)，是其它探測手段難以比擬的［2， 3， 4］。

新研制的1064 nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，利用雙邊緣技術(shù)對對流層三維風(fēng)場進(jìn)行探測［5］。本文介紹了該激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)及其各部分的功能，并對其探測對流層風(fēng)場的初步結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1 總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

1064 nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)從整體上由激光發(fā)射單元、二維掃描單元，回波信號接收單元、信號探測和數(shù)據(jù)采集單元及控制單元五部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖和外觀照片分別見圖1和圖2，主要的技術(shù)參數(shù)見表1。

激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、信號探測和數(shù)據(jù)采集單元放置在光學(xué)平臺上，保證其光學(xué)穩(wěn)定性。Nd:YAG激光器的中心波長是1064 nm，工作在此波長，可以有較大的激光輸出功率，并且氣溶膠的后向散射截面比較大。脈沖重復(fù)頻率為50 Hz，可以節(jié)省探測的時(shí)間，能捕捉短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的變化，有利于提高風(fēng)速探測的準(zhǔn)確度。同時(shí)，激光器內(nèi)部注入種子激光可以保證激光器的頻率穩(wěn)定。

二維掃描單元安置在實(shí)驗(yàn)房的房頂，接收望遠(yuǎn)鏡的上方。由兩個(gè)鍍有1064 nm波長全反的介質(zhì)膜的平面反射鏡、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成的大口徑光學(xué)潛望式結(jié)構(gòu)。通過軟件控制或者手動(dòng)調(diào)節(jié)能夠全方位掃描，水平方向可以旋轉(zhuǎn) 0o至360o，垂直方向可以旋轉(zhuǎn)0o至180o。進(jìn)行常規(guī)探測時(shí)采用四波束法，水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四個(gè)方位探測，即東、南、西和北四個(gè)方位，工作仰角為45o。

接收望遠(yuǎn)鏡在二維掃描單元的正下方，有效通光口徑為300 mm，如圖1所示。主鏡鍍有1064 nm波長全反的介質(zhì)膜，反射率高達(dá)99%。望遠(yuǎn)鏡接收的大氣后向散射回波信號耦合至光纖，由光纖導(dǎo)入到準(zhǔn)直鏡后成為平行光，經(jīng)過壓制背景光的窄帶濾光片后，由20％反射、80％透射的分束片分成兩部分。20％的反射信號作為能量探測，由直角反射棱鏡分成兩束，分別由光子計(jì)數(shù)探測器接收；80％的透射信號作為信號探測，經(jīng)過雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后，由于透過率的不一樣，得到強(qiáng)度不等的兩束光信號，由直角反射棱鏡分為兩束，由相應(yīng)的光子計(jì)數(shù)探測器接收。四個(gè)光子計(jì)數(shù)探測器分別將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，輸入光子計(jì)數(shù)卡內(nèi)，最后由工控機(jī)中的主程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理，并實(shí)時(shí)顯示測量的信號強(qiáng)度廓線、風(fēng)速和風(fēng)向。

控制柜內(nèi)安裝有工控機(jī)，其內(nèi)安裝的1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件通過RS232串口控制激光器、二位掃描單元和雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具工作，起著系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)作用?？刂乒駜?nèi)還有雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的控制器 CS100、二位掃描單元的控制器、門控裝置以及同軸系統(tǒng)對光時(shí)使用的監(jiān)視器和各部件的電源。

2 雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率響應(yīng)曲線的測量

1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用高分辨率的雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具，它在一對基板上通過鍍膜或沉積方式形成兩個(gè)面積和大小相同的半圓形干涉儀，根據(jù)鍍膜的厚度可以形成標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道頻譜中心分離，形成透過率響應(yīng)曲線的交疊。由于它們固定在一個(gè)基板上，雙 Fabry-Pero標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道的中心頻率的相對位置受溫度的漂移變化相同，保證標(biāo)準(zhǔn)具的頻譜中心間隔大小恒定。

雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線的測量是通過系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件的CS100控制子程序?qū)ζ淝婚L大小的控制，從而得到頻率與透過率的對應(yīng)曲線。圖3是2005年4月27日19:04，500個(gè)脈沖累加平均測量得到的雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線，通道一（實(shí)圓點(diǎn)）與通道二（虛圓點(diǎn)）的頻譜中心間隔為228.2 MHz，半寬度分別為 205.0 MHz和224.3 MHz，實(shí)曲線與虛曲線分別為兩通道的相應(yīng)擬合曲線，其峰值透過率分別為73.7% 和70.8%，測量結(jié)果與表1對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)基本一致。

由于環(huán)境因素引起光學(xué)單元和電子器件的漂移，而且操作人員的活動(dòng)可能引起接收機(jī)部件的振動(dòng)而造成雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的腔長漂移，以及激光器長時(shí)間工作引起頻率的漂移，都對標(biāo)準(zhǔn)具透過率曲線的測量產(chǎn)生影響。為了檢驗(yàn)雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的性能，從2005年4月24日至2005年5月 15日內(nèi)，進(jìn)行了8次測量，透過率響應(yīng)曲線如圖4，實(shí)曲線和虛曲線分別對應(yīng)通道一和通道二的透過率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，雖然時(shí)間相距21天，但是8 組透過率響應(yīng)曲線的重合度很好，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。