基于雙Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具的雙邊緣測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)

李 強(qiáng)

（連云港師范高等?？茖W(xué)校 物理系，江蘇 連云港222001）

0 引言

大氣風(fēng)場是氣象學(xué)研究、氣候研究和大氣科學(xué)中最重要的參數(shù)之一。 高精度、高分辨率的全球大氣風(fēng)場觀測在氣象研究、天氣預(yù)報、大氣環(huán)境監(jiān)測和國防高技術(shù)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)的氣象保障、靶場氣象條件檢測等方面都具有廣泛的應(yīng)用。 與其它風(fēng)場測量手段相比，直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)對全球范圍的三維風(fēng)場進(jìn)行高精度、高時空分辨率探測的工具。 而基于Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具的雙邊緣技術(shù)是迄今最成熟、最有效的直接多普勒探測方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)從地面到平流層范圍的風(fēng)場探測。

1 多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)概述

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)屬于主動測量系統(tǒng)，它向大氣發(fā)射激光脈沖并測量不同高度上返回信號的多普勒頻移，從而實(shí)現(xiàn)對大氣風(fēng)場的觀測。 多普勒頻移是散射物體沿激光雷達(dá)徑向的相對運(yùn)動產(chǎn)生的，對應(yīng)于測量體積的平均速度。 測量體積是由最大積分長度、高度分辨率和激光束寬度決定，并沿預(yù)定的不同方向上交替地連續(xù)測量。

激光雷達(dá)探測的回波信號主要來自于大粒子的米散射和大氣分子的瑞利散射。 對于米后向散射，多普勒頻移光的散射譜近似等于發(fā)射激光的頻譜， 只是由于在測量體積內(nèi)風(fēng)的變化會有略微的展寬；對于分子散射，空氣分子的布朗運(yùn)動是主要的散射譜展寬原因，其寬度相當(dāng)于風(fēng)速為幾百米/秒的多譜勒頻移， 因此平均空氣運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移只占譜寬的一個非常小的部分，這比氣溶膠散射小很多。 所以在相同徑向速度情況下分子散射需要更大的信號，但是分子散射信號與氣溶膠散射相比波長依賴關(guān)系不同。分子散射與波長的四次方的倒數(shù)成正比， 而氣溶膠散射則近似與波長的1.3 次方的倒數(shù)成正比，所以分子散射在短波長有較大的信號強(qiáng)度，而氣溶膠散射則在長波長的信號較強(qiáng)。

氣溶膠散射的信號強(qiáng)度取決于氣溶膠的密度， 對于不同地區(qū)、不同高度和時間，其變化范圍相當(dāng)大。 氣溶膠主要集中在對流層低于4公里范圍，并在對流層之上減小。因此，基于氣溶膠后向散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)不能測量高垂直高度的參數(shù)。 與米散射信號相反，在清潔大氣條件下的分子后向散射信號只微弱地依賴氣溶膠衰減且隨高度只有很小變化，這樣可以測量的垂直高度可以到達(dá)20 公里以上。利用這種米散射和瑞利散射接收信號互補(bǔ)的特點(diǎn)將可以得到整個高度范圍精確的速度測量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的基本單元包括二維掃描系統(tǒng)、激光發(fā)射單元、接收光學(xué)單元、信號探測和采集單元和運(yùn)行控制單元五部分組成。

2.1 二維光學(xué)掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)由兩塊大口徑發(fā)射鏡組成，有效通光孔徑為300mm。 它可以在水平0°～360°和豎直0°～180°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 主要用來改變發(fā)射激光的方位，即激光雷達(dá)的測量方向，并用來收集激光的大氣后向散射光。

2.2 激光發(fā)射單元

激光器為燈泵調(diào)Q Nd:YAG 激光器， 帶有1064nm 種子光注入穩(wěn)頻。 它采用一級震蕩和一級放大結(jié)構(gòu)，輸出波長為1064nm，單脈沖能量最大為500mJ，脈沖寬度7～9ns 光束發(fā)散角為0.5mrad，重復(fù)頻率為50Hz。 激光發(fā)射與望遠(yuǎn)鏡接收是采用同軸光學(xué)系統(tǒng)。 該激光器安裝在光學(xué)平臺上，激光器輸出的激光光束通過導(dǎo)光單元導(dǎo)入至固定在接收望遠(yuǎn)鏡光軸上的一塊45°反射鏡反射到二維掃描系統(tǒng)中，再由二維掃描系統(tǒng)反射到大氣中。

2.3 接收光學(xué)單元

接收光學(xué)單元由接收望遠(yuǎn)鏡和后繼光學(xué)單元組成。接收望遠(yuǎn)鏡采用拋物面聚焦反射鏡，有效口徑為300mm，焦距為665mm。 接收視場為0.15mrad，誤差為0.02mrad。 由二維掃描系統(tǒng)收集的大氣后向散射光輸至望遠(yuǎn)鏡，由望遠(yuǎn)鏡匯聚到接收光纖的端面上，再由光纖導(dǎo)入后繼光學(xué)單元。

后繼光學(xué)單元主要由準(zhǔn)直系統(tǒng)，F(xiàn)abry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具和聚焦系統(tǒng)組成。 因?yàn)闇?zhǔn)直系統(tǒng)光源為耦合光纖，其芯徑為0.105mm，數(shù)值孔徑為0.22，且經(jīng)過準(zhǔn)直后的光入射到Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具上的光束發(fā)散角要小于1mrad，所以準(zhǔn)直系統(tǒng)采用非球面透鏡校正相差，并可調(diào)諧，以使光束發(fā)散角能小于1mrad。 分束片將經(jīng)過準(zhǔn)直的光束約20%的能量反射到能量探測通道，約80%的光透過并入射到標(biāo)準(zhǔn)具上。 由于光子計(jì)數(shù)器亦采用光纖接收， 所以聚焦系統(tǒng)也采用非球面透鏡組來匯聚光斑。

雙Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具是這臺激光雷達(dá)的關(guān)鍵器件， 它直接用于分析氣溶膠散射的信號的多譜勒頻移。在一對基板上通過鍍膜或沉積的方式形成面積和大小相同的兩個標(biāo)準(zhǔn)具，根據(jù)鍍膜的厚度不同可以形成兩個頻譜中心分離的標(biāo)準(zhǔn)具，形成透過率曲線的交疊。 由于兩個標(biāo)準(zhǔn)具固定在一個基板上，這樣兩個標(biāo)準(zhǔn)具中心頻率的相對位置由于溫度的漂移變化相同，于是可以保證干涉儀的頻譜中心間隔恒定。 在輸出端可以利用三角棱鏡的方式分別將出射光束聚焦到對應(yīng)的探測器上。 標(biāo)準(zhǔn)具是采用IC Optical Systems Ltd 公司生產(chǎn)的可調(diào)諧式標(biāo)準(zhǔn)具，自帶精密的溫度控制器。 用監(jiān)測回路控制標(biāo)準(zhǔn)具的PZT 可調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的間隔，確保激光發(fā)射頻率控制在兩個干涉儀頻譜間的交叉中心附近。

用于頻率分析的標(biāo)準(zhǔn)具的分辨率與普通的干涉濾光片的要求不同，一般要求干涉儀的間隔穩(wěn)定（溫度和震動控制）、平面度高（PV 值約為λ/100 以上），尤其要精確控制鍍膜的厚度，使兩個干涉儀的頻譜中心間隔滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 信號探測和采集單元

信號探測和采集單元的主要功能是對能量和信號通道進(jìn)行光電探測以及信號的采集。 其主要部件有單光子計(jì)數(shù)雪崩管和采集卡組成。 光子探測器是PerkinElmer 公司的SPCM-AQ4C 型號的4 通道單光子探測器，它采用光纖耦合，4 通道各自獨(dú)立。 工作溫度為22 °C，低壓輸入 （2V、5V 和30V），TTL 電平輸出， 暗計(jì)數(shù)每通道最大值為500Counts/sec。 采集卡采用FAST ComTec GmbH 公司的MCA-3 P7882 型PCI 插槽卡，采樣精度32bit，采樣速率200MHz。

2.5 運(yùn)行控制單元

運(yùn)行控制單元的功能是保證激光發(fā)射、回波信號探測、數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲協(xié)調(diào)一致地工作。整個測風(fēng)激光雷達(dá)的工作過程是在運(yùn)行控制程序的指令下完成的。運(yùn)行控制單元包括二維掃描系統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如掃描俯仰角，方位角及進(jìn)行連續(xù)掃描等）、標(biāo)準(zhǔn)具的控制系統(tǒng)、光子探測器的門控裝置、信號脈沖延遲發(fā)生器、工控機(jī)和數(shù)據(jù)的采集、處理、風(fēng)速的反演及圖像顯示等運(yùn)行控制軟件。

3 測量原理

使用高分辨率的雙通道Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具可以實(shí)現(xiàn)基于雙邊緣技術(shù)的大氣風(fēng)場直接探測。出射激光束以設(shè)定的方位指向大氣被探測區(qū)域，大氣風(fēng)場使得大氣氣溶膠粒子和大氣分子整體移動，從而得到發(fā)生多普勒頻移的大氣回波信號。

可以由下式直接得到徑向風(fēng)速：

式中，V 是徑向風(fēng)速，λ 是激光波長，△v 是多普勒頻移。激光脈沖以高重復(fù)頻率（50Hz）發(fā)射，在經(jīng)過一系列脈沖發(fā)射后進(jìn)行平均可以減小探測噪聲。激光掃描裝置可以沿預(yù)先選定的4 個正交方向分量交替發(fā)射測量，在每個方向上信號采樣過程中方位固定以減小由于連續(xù)掃描帶來的方位改變引起的速度誤差。

兩個頻譜分布相同而中心分離的F-P 標(biāo)準(zhǔn)具譜在相對透過率為約50%處交疊，如果發(fā)射激光的頻率位于它們的交叉處，則兩個F-P標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號相同；接收的頻移散射光信號相對于發(fā)射激光會產(chǎn)生一個頻移，這時兩個標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號不同，根據(jù)這兩個光信號差異的大小可以確定多普勒頻移量。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號為Ii，其計(jì)算式為：

其中，i=1,2 表示通道數(shù)，I0i表示入射到每個F-P 標(biāo)準(zhǔn)具的米散射光信號。實(shí)際測量中，接收到的大氣后向散射信號不僅包含米（或氣溶膠）散射信號，還有瑞利（或分子）散射信號，但由于瑞利散射譜很寬，在多普勒頻移的范圍內(nèi)近似不變，可以作為背景光扣除，則多普勒頻移只引起氣溶膠（或米）散射光輸出信號的變化。定義兩個標(biāo)準(zhǔn)具輸出光信號的比值為：

式中的R（v）和R（vL）分別是接收光和參考光透過標(biāo)準(zhǔn)具兩個通道信號相對強(qiáng)度的比值，R-1為R 的反函數(shù)。

定義R 的多普勒靈敏度為：

由于，

則

上式分別是單標(biāo)準(zhǔn)具下各自的多普勒頻率靈敏度。由于分別利用兩個F-P 干涉儀的不同側(cè)邊緣（斜率符號相反），由(5)和(6)式得：

或

則系統(tǒng)的理論誤差可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行估算。

4 結(jié)束語

非相干測風(fēng)激光雷達(dá)是可探測晴空風(fēng)場精細(xì)結(jié)構(gòu)的工具，對于天氣預(yù)報、大氣動力學(xué)研究、航空安全預(yù)警和國防等都有非常重要的意義和顯著的應(yīng)用前景。

同時，面向氣象應(yīng)用的測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制，也將為我國星載測風(fēng)激光雷達(dá)的發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。本文分析了激光雷達(dá)測風(fēng)的原理以及雙邊緣理論，推導(dǎo)了雷達(dá)徑向風(fēng)速的反演方法，并針對測風(fēng)雷達(dá)的靈敏度進(jìn)行了分析和估算。 通過系統(tǒng)仿真選取合適的參數(shù)，可以進(jìn)行風(fēng)速誤差模擬。 模擬結(jié)果表明，測速為50m/s 以內(nèi)，探測高度在10km 以下時，系統(tǒng)測量誤差小于1m/s。該風(fēng)速誤差范圍可以滿足系統(tǒng)的測量要求。