測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻器的性能研究

劉延文,孫學(xué)金,張傳亮,李紹輝

(國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211101)

1 引 言

風(fēng)是表征大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要的氣象要素,影響著大氣能量循環(huán),化學(xué)污染物的擴(kuò)散,以及水汽和氣溶膠粒子輸送,更是大氣環(huán)流的根本動(dòng)力,對(duì)天氣和氣候有著重要的影響。由于洋面和沙漠地區(qū)風(fēng)場(chǎng)資料的缺失在一定程度上影響了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果,其主要原因在于無(wú)法提供全球高精度的風(fēng)場(chǎng)初始值。風(fēng)還和人類(lèi)的生活息息相關(guān),對(duì)飛機(jī)起飛和軍事活動(dòng)都有重要的影響,然而獲取全球風(fēng)場(chǎng)是一件非常具有挑戰(zhàn)的事。海洋上空的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)主要依賴(lài)于星載儀器,根據(jù)探測(cè)得到的氣壓場(chǎng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)調(diào)整理論,間接得到風(fēng)場(chǎng)信息。但地轉(zhuǎn)理論在熱帶地區(qū)并不適用,所以需要直接探測(cè)資料來(lái)對(duì)大氣流動(dòng)有更精確的認(rèn)識(shí)和分析。當(dāng)前能夠進(jìn)行大氣風(fēng)廓線探測(cè)的儀器有無(wú)線電探空儀、微波雷達(dá)、多普勒聲雷達(dá)探空火箭和多普勒激光雷達(dá)等。無(wú)線電探空儀是探測(cè)風(fēng)場(chǎng)垂直廓線的最主要的探測(cè)系統(tǒng),其通過(guò)雷達(dá)追蹤探空氣球的位置,根據(jù)氣球隨時(shí)間的位移來(lái)獲取風(fēng)廓線,然而根據(jù)歐空局報(bào)道,近年來(lái)無(wú)線電探空網(wǎng)正在不斷弱化[1]；微波風(fēng)廓線雷達(dá)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)的原因,無(wú)法和大氣分子及氣溶膠粒子相互作用產(chǎn)生回波,導(dǎo)致在晴空條件或氣溶膠粒子濃度較低時(shí),會(huì)形成探測(cè)盲區(qū)；多普勒雷達(dá)主要是對(duì)邊界層的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè),探測(cè)范圍是從幾十米到一千米左右,可以探測(cè)風(fēng)廓線、大氣湍流和污染物擴(kuò)散等,但受其探測(cè)范圍的限制,多普勒雷達(dá)一般不用于遙感探測(cè)；探空火箭是探測(cè)25～60 km高空風(fēng)場(chǎng)的有效工具,但由于安全性和成本等問(wèn)題,火箭探空站的數(shù)目和發(fā)射次數(shù)都有限。

多普勒激光雷達(dá)使用激光作為其載波信號(hào),通過(guò)測(cè)量大氣中隨風(fēng)場(chǎng)移動(dòng)的氣溶膠和分子后向散射信號(hào)的多普勒頻移,來(lái)實(shí)現(xiàn)晴空條件下大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè),星載激光雷達(dá)是目前實(shí)現(xiàn)全球風(fēng)場(chǎng)高精度探測(cè)的最佳方案[2]。相比于其他探測(cè)設(shè)備,多普勒激光雷達(dá)有較高的時(shí)間分辨率、空間分辨率和探測(cè)精度,而且探測(cè)范圍廣,響應(yīng)速度快,可以得到三維風(fēng)場(chǎng)信息[3]。歐空局的ADM-Aeolus衛(wèi)星計(jì)劃于2018年1月5日發(fā)射,其搭載的ALADIN激光雷達(dá)主要用于探測(cè)全球大氣風(fēng)場(chǎng)(ESA,2016)。作為星載多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)Rayleigh通道的鑒頻器,F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率直接影響了測(cè)量精度和激光雷達(dá)的系統(tǒng)性能,所以透過(guò)率曲線校準(zhǔn)參量十分重要,主要包括:峰值透過(guò)率、峰值位置、半高全寬、自由譜間距和有效反射率等[4-6],而標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率將會(huì)影響速度靈敏度,進(jìn)而會(huì)影響測(cè)風(fēng)精度,本文基于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的原理和F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率函數(shù),將分析不同因素對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率和峰值位置的影響和峰值透過(guò)率隨不同因素的變化規(guī)律。

2 測(cè)風(fēng)原理

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是主動(dòng)遙感儀器,激光雷達(dá)向大氣中發(fā)射激光脈沖并接收大氣各層的后向散射信號(hào),測(cè)量出回波信號(hào)中由于大氣分子和氣溶膠粒子與遙感儀器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移,分子和氣溶膠粒子的平均運(yùn)動(dòng)速度等于探測(cè)體積內(nèi)的風(fēng)速,根據(jù)獲取的多普勒頻移算出徑向風(fēng)速:

(1)

式中,νd為多普勒頻移;vLOS為探測(cè)目標(biāo)與系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;λ為波長(zhǎng)。從式(1)可以看出,目標(biāo)物的多普勒頻移與兩個(gè)因素有關(guān):一是目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)速度；二是激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)選定后,多普勒頻移就只和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收到的回波信號(hào)包括分子后向散射信號(hào)和氣溶膠粒子后向散射信號(hào),分子布朗運(yùn)動(dòng)引起了后向散射信號(hào)的多普勒展寬,所以分子的后向散射信號(hào)的光譜比氣溶膠后向散射信號(hào)的光譜寬很多,分子整體的平均運(yùn)動(dòng)速度引起了后向散射信號(hào)的多普勒頻移,通過(guò)邊緣技術(shù)獲取分子后向散射信號(hào)的多普勒頻移,邊緣技術(shù)包括單邊緣技術(shù)和雙邊緣技術(shù),這兩種技術(shù)的原理相同,但雙邊緣技術(shù)的精度比單邊緣技術(shù)的精度高1.6倍[3],雙邊緣技術(shù)利用雙通道的 F-P 標(biāo)準(zhǔn)具,將大氣分子的后向散射信號(hào)中的多普勒頻移轉(zhuǎn)化為兩個(gè)邊緣通道上的能量變化,通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)通道后的光強(qiáng),便可以反演出回波信號(hào)的多普勒頻移,根據(jù)光的多普勒效應(yīng),就可以計(jì)算出徑向風(fēng)速。

雙邊緣技術(shù)所用的F-P 標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊平行的平板玻璃構(gòu)成,中心以一定間隔分開(kāi),通過(guò)改變平板上鍍膜的厚度將其分為兩個(gè)通道,兩個(gè)通道的分辨率、精度、頻譜分布形狀相同,但最大透過(guò)率對(duì)應(yīng)的中心頻率不相同,具有一個(gè)固定的頻率間隔,其值與干涉儀周?chē)臏囟葷q落無(wú)關(guān),且它們的透過(guò)率曲線具有陡峭的邊緣,不同頻率的光透過(guò)后強(qiáng)度會(huì)有較大的差別,如圖1所示,F-P 標(biāo)準(zhǔn)具具有兩個(gè)邊緣通道(兩側(cè)實(shí)線)和一個(gè)鎖頻通道(虛線),兩個(gè)邊緣通道分別位于回波信號(hào)譜線(中間實(shí)線)的兩側(cè)且斜率相反,將兩個(gè)透射率曲線交叉位置所對(duì)應(yīng)的頻率作為參考光頻率,當(dāng)回波信號(hào)(點(diǎn)劃線)的頻率等于參考光頻率時(shí),回波信號(hào)分別通過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后的光強(qiáng)相等。激光雷達(dá)的發(fā)射頻率等于參考頻率,所以在徑向風(fēng)速為零時(shí),多普勒頻移為零,回波信號(hào)分別通過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后的光強(qiáng)相等,當(dāng)徑向風(fēng)速不為零時(shí),回波信號(hào)頻率與激光發(fā)射頻率不相等,產(chǎn)生多普勒頻移,回波信號(hào)分別通過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后,兩個(gè)邊緣通道的透過(guò)率會(huì)發(fā)生明顯的變化,一個(gè)通道的光強(qiáng)將會(huì)增大,而另一個(gè)通道的光強(qiáng)將會(huì)減小,因此,可以利用回波信號(hào)通過(guò)兩個(gè)通道后的能量差異計(jì)算多普勒頻移,然后利用公式(1)求出風(fēng)速。

圖1 雙邊緣技術(shù)原理

多普勒激光雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)回波信號(hào)的頻移量來(lái)計(jì)算風(fēng)速,而回波信號(hào)的頻移由兩部分組成,一是發(fā)射激光頻率的漂移和抖動(dòng),二是隨大氣運(yùn)動(dòng)的分子造成回波信號(hào)頻率變化,后者是探測(cè)徑向風(fēng)速所需要的部分,而前者則為疊加在準(zhǔn)確值上的誤差,出射激光的頻率會(huì)隨外界的溫度變化發(fā)生連續(xù)的頻移,當(dāng)溫度變化1 K時(shí)頻率變化可以達(dá)到1 GHz,和徑向風(fēng)速為180 m/s時(shí)的頻移相當(dāng)[7],連續(xù)3 h的觀測(cè)引起的溫度變化可以達(dá)到1.5 K,其頻移量級(jí)與風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的頻移量級(jí)相當(dāng),會(huì)使探測(cè)結(jié)果失真,加入鎖頻通道就是為了追蹤出射激光的頻率,消除出射激光頻移對(duì)測(cè)風(fēng)精度的影響,由于在標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線半寬點(diǎn)處的速度靈敏度最大,所以鎖頻通道的半寬點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率與發(fā)射激光的頻率相等。

若兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具輸出信號(hào)強(qiáng)度分別為N1和N2,將N1和N2的差和比定義為接收器的響應(yīng)函數(shù)R(z,θ)[11]:

(2)

式中,z為高度;θ為徑向與z軸的夾角;C為因通道1和通道2不平衡而引起的修正因子,不隨方向和高度變化。響應(yīng)函數(shù)廓線反映了回波信號(hào)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的頻率位置的改變,利用系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)與大氣溫度廓線,可以計(jì)算出不同高度的多普勒頻移,因此,根據(jù)公式(1)求出徑向風(fēng)速。

由于雙邊緣技術(shù)是將頻率變化轉(zhuǎn)化為能量變化,從而通過(guò)能量變化反演出頻移量,而F-P標(biāo)準(zhǔn)具就是將頻率變化轉(zhuǎn)化為能量變化的器件,徑向風(fēng)速測(cè)量精度極大地依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率曲線,主要包括峰值透過(guò)率、透過(guò)率峰值所對(duì)應(yīng)的頻率,半高全寬、自由譜間距和反射率等,所以F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率的變化會(huì)引起風(fēng)速測(cè)量的誤差,F-P標(biāo)準(zhǔn)具的投射曲線的一個(gè)定量描述關(guān)系式為:當(dāng)透射率變化1%時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率變化為33.3 MHz,對(duì)應(yīng)的風(fēng)速測(cè)量誤差為6 m/s[8]。

3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率函數(shù)

3.1 理想狀況下的透過(guò)率函數(shù)

理想狀況下標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率用 Airy函數(shù)來(lái)表示:

(3)

式中,τ和R分別表示F-P標(biāo)準(zhǔn)具鍍膜玻璃平板的透過(guò)率與反射率;v為頻率;θ為入射光與標(biāo)準(zhǔn)具反射表面的法線的夾角;νFSR=c/2nd為干涉儀自由譜間距,即兩個(gè)相鄰峰值之間的頻率差[9],如圖2所示,c為真空中的光速;d是標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng);n為標(biāo)準(zhǔn)具平板間介質(zhì)的折射率。

圖2 F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率與相位差的關(guān)系

將式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到:

(4)

根據(jù)能量守恒定律R+τ=1,所以透過(guò)率函數(shù)轉(zhuǎn)換為:

(5)

3.2 平板的吸收損耗的影響

標(biāo)準(zhǔn)具平板上的金屬膜對(duì)光有吸收作用,假設(shè)金屬膜的吸收率為A,根據(jù)能量守恒定律:R+A+τ=1,所以透過(guò)率函數(shù)可以改寫(xiě)為:

(6)

式中,Tp=[1-A/(1-R)]2為干涉儀的峰值透過(guò)率,Fe=πR1/2/(1-R)是標(biāo)準(zhǔn)具的有效精細(xì)度,即標(biāo)準(zhǔn)具自由譜間距和透過(guò)率曲線的半高全寬(FWHM)之比,是反射率R的函數(shù),其物理意義為干涉條紋的銳利程度[9]。

3.3 光束發(fā)散角對(duì)透過(guò)率的影響

在利用邊緣技術(shù)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行探測(cè)時(shí),通常理論推導(dǎo)和設(shè)計(jì)都是在入射光為平行光且為單色光的假設(shè)下進(jìn)行的,但是實(shí)際情況中不可能滿(mǎn)足這個(gè)條件,雖然收到回波信號(hào)后,會(huì)進(jìn)行準(zhǔn)直和濾光處理,但進(jìn)入鑒頻器的入射光還是具有一定的發(fā)散角。假設(shè)入射到標(biāo)準(zhǔn)具的光的發(fā)散角為2θ0,則經(jīng)過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具后的透過(guò)率函數(shù)為:

(7)

為方便處理,將式(6)化為級(jí)數(shù)表達(dá)式[10]:

(8)

將式(8)代表式(7)得到發(fā)散角為2θ0的入射光的透過(guò)率函數(shù):

(9)

(10)

3.4 回波譜寬的影響

現(xiàn)實(shí)中并不存在真正的單色光,且經(jīng)過(guò)大氣的散射后會(huì)使激光具有一定的展寬,假設(shè)入射光譜寬呈高斯分布:

(11)

其中,v為入射光的中心頻率;ΔvFWHM為入射光頻譜的半高全寬,則透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具后的透過(guò)率函數(shù)為:

h2=h1?f(v,v′)

(12)

其中,符號(hào)“?”表示為卷積,從而得到透過(guò)率函數(shù)為:

(13)

3.5 標(biāo)準(zhǔn)具平板缺陷對(duì)透過(guò)率的影響

為了得到高精度的測(cè)風(fēng)結(jié)果,激光雷達(dá)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具的表面平整度有著極高的要求,但實(shí)際中干涉儀的表面不可能做到嚴(yán)格平整,在加工過(guò)程中存在一定的缺陷,設(shè)σ為平板缺陷的標(biāo)準(zhǔn)差,假設(shè)由于干涉儀缺陷造成的腔長(zhǎng)誤差Δd服從高斯分布:

(14)

式中,σ表示干涉儀表面的平整程度,數(shù)值越大表示干涉儀表面越不平整;Δd為干涉儀腔長(zhǎng)的改變量。由此可以計(jì)算得到考慮缺陷因子后的透過(guò)率函數(shù):

(15)

將公式(13)和公式(14)代入公式(15)中得到:

(16)

3.6 平板夾角對(duì)透過(guò)率的影響

理想 Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具由兩個(gè)完全平行平板組成,當(dāng)平行光入射時(shí),出射光會(huì)產(chǎn)生干涉條紋[9]。但在加工過(guò)程中或在后期使用中很難保證兩平板處于嚴(yán)格意義上平行,而存在一個(gè)很小的角度,這對(duì)透過(guò)率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,該角度用φ來(lái)表示,并假設(shè)干涉儀的玻璃板為圓形,半徑為r,則由于兩平板不平行而造成的干涉儀腔長(zhǎng)誤差的歸一化分布函數(shù)為:

(17)

考慮干涉儀兩平板不平行后的透過(guò)率函數(shù)為:

(18)

則考慮干涉儀兩平板不平行后的透過(guò)率分布函數(shù):

(19)

4 結(jié)果分析

由于標(biāo)準(zhǔn)具的反射率會(huì)影響透過(guò)率曲線的斜率,如圖3所示,為了使透過(guò)率曲線具有陡峭的邊緣,所以要選擇較大的反射率,假定干涉儀平板的反射率R=0.9,干涉儀的腔長(zhǎng)d=12.5 mm,干涉儀玻璃平板為圓形且半徑r=49 mm,并且根據(jù)ADM-Aeolus的設(shè)計(jì),激光的波長(zhǎng)選擇355 nm。

圖3 不同反射率下的透過(guò)率曲線

保持其他影響因素不變,通過(guò)改變F-P標(biāo)準(zhǔn)具平板金屬膜的吸收率A來(lái)研究平板吸收對(duì)透過(guò)率的影響,透過(guò)率曲線如圖4所示。圖5為理想狀況下的透過(guò)率與不同吸收率下的透過(guò)率之差,從圖中可以看出峰值透過(guò)率變化最大,F-P標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率隨著吸收率的增大而整體減小,且峰值透過(guò)率減小速率最快。圖6為峰值透過(guò)率隨吸收率的變化曲線,圖7為峰值透過(guò)率隨吸收率減小的速率(圖中縱坐標(biāo)表示的是相對(duì)的減小速率,并不是真實(shí)的數(shù)值,下同),從圖中可以看出隨著吸收率的增大,峰值透過(guò)率的減小速率在不斷減小,即峰值透過(guò)率曲線的斜率在減小。

圖4 不同平板吸收率時(shí)的透過(guò)率曲線

圖5 不同平板吸收率時(shí)的透過(guò)率改變量

圖6 不同平板吸收率下的峰值透過(guò)率

圖7 不同平板吸收率時(shí)峰值透過(guò)率的變化率

保持其他影響因素的數(shù)值不變,通過(guò)改變?nèi)肷涔獾陌l(fā)散角來(lái)研究入射光發(fā)散角對(duì)于透過(guò)率曲線的影響,透過(guò)率曲線如圖8所示,從圖中可以看出隨著發(fā)散角的增大,不僅使得透過(guò)率減小、線寬增大,并且使得透過(guò)率峰值對(duì)應(yīng)的頻率向高頻移動(dòng),發(fā)散角越大,偏移程度越大。如圖9所示峰值透過(guò)率隨著發(fā)散角的增大而減小,在發(fā)散角小于0.5 mrad時(shí),峰值透過(guò)率的變化很小,發(fā)散角為0.5 mrad時(shí)峰值透過(guò)率僅僅減小0.0344,發(fā)散角大于0.5 mrad時(shí),峰值透過(guò)率迅速減小,發(fā)散角為2 mrad時(shí)峰值透過(guò)率已經(jīng)減小到0.26,當(dāng)發(fā)散角為1.5 mrad時(shí),透過(guò)率曲線已經(jīng)變得較為平滑,透過(guò)率峰值對(duì)應(yīng)的頻率增大了0.45 GHz,且發(fā)散角越大,透過(guò)率峰值對(duì)應(yīng)的頻率的增大越快,當(dāng)發(fā)散角為2 mrad時(shí),頻移量已經(jīng)達(dá)到0.8 GHz以上。

圖8 不同入射光發(fā)散角下的透過(guò)率曲線

圖9 不同入射光發(fā)散角時(shí)的峰值透過(guò)率

圖10 不同發(fā)散角時(shí)引起的中心頻率的偏移

保持吸收率和光束發(fā)散角不變,不同入射光譜寬時(shí)的透過(guò)率曲線如圖11所示,隨著入射光譜寬的增大,峰值透過(guò)率不斷減小,在中心頻率附近透過(guò)率變化一直保持這種趨勢(shì),但頻率變化達(dá)到一定的范圍后,在透過(guò)率曲線的邊緣處,不同入射光譜寬的透過(guò)率和入射光頻譜為零時(shí)的透過(guò)率相比反而有所增大,如圖12所示為理想狀況下的透過(guò)率和不同入射光譜寬下的透過(guò)率之差,從圖中可以看出,在不同的入射光頻譜下,峰值透過(guò)率變化最大,隨著頻率的增大或減小,該差值不斷減小,并變?yōu)樨?fù)數(shù),即存在一定的入射光頻譜時(shí)的透過(guò)率大于理想狀況下的透過(guò)率,到達(dá)一定范圍后又開(kāi)始減小,最后趨近于零,從圖中可以清楚地看出中心透過(guò)率的變化明顯大于邊緣透過(guò)率的變化。從圖13和14可以看出在入射光譜寬小于50 MHz時(shí),峰值透過(guò)率減小的速率在并不斷增大,在60 MHz時(shí),減小的速率趨于不變,大于60 MHz時(shí),減小的速率稍有減小。

圖11 不同入射光頻譜時(shí)的透過(guò)率曲線

圖12 不同入射光頻譜時(shí)的透過(guò)率變化

圖13 不同入射光頻譜時(shí)的峰值透過(guò)率

圖14 不同平板吸收率時(shí)的峰值透過(guò)率的變化率

如圖15～圖18所示,干涉儀表面缺陷和干涉儀兩平板之間的夾角對(duì)透過(guò)率的影響和入射光譜寬對(duì)透過(guò)率的影響相似,隨著表面缺陷和干涉儀兩平板之間的夾角的增大,峰值透過(guò)率不斷減小,并在峰值透過(guò)率對(duì)應(yīng)頻率附近透過(guò)率都呈減小的趨勢(shì),但當(dāng)超過(guò)一定范圍后,透過(guò)率大于理想狀況下的透過(guò)率,但從圖19～圖22可以看出峰值透過(guò)率的減小的速率和不同入射光譜寬下峰值透過(guò)率減小速率并不不同,峰值透過(guò)率隨入射光頻譜的變化趨勢(shì)是入射光頻譜越大,峰值透過(guò)率降低的越快,但峰值透過(guò)率隨干涉儀平板表面缺陷和干涉儀兩平板之間的夾角的變化趨勢(shì)是在干涉儀表面缺陷和干涉儀兩平板之間的夾角很小(表面缺陷小于1.54 nm,干涉儀兩平板之間的夾角小于0.014 μrad)時(shí),峰值透過(guò)率的減小速率迅速增大,當(dāng)表面缺陷大于1.54 nm,干涉儀兩平板之間的夾角大于0.014 μrad時(shí),峰值透過(guò)率的變化速率開(kāi)始減小,當(dāng)干涉儀表面缺陷大于30 nm和干涉儀兩平板之間的夾角大于0.3 μrad時(shí),峰值透過(guò)率迅速減小,減小的速率幾乎為常數(shù),峰值透過(guò)率變化很小。

圖15 不同平板缺陷時(shí)的透過(guò)率曲線

圖16 不同平板缺陷時(shí)的透過(guò)率的變化量

圖17 不同平板夾角時(shí)的透過(guò)率曲線

圖18 不同平板夾角時(shí)的透過(guò)率變化量

圖19 不同平板缺陷時(shí)的峰值透過(guò)率

圖20 不同平板吸缺陷時(shí)的透過(guò)率的變化率

圖21 不同平板夾角時(shí)的峰值透過(guò)率

圖22 不同平板夾角時(shí)的峰值透過(guò)率的變化速率

從圖16、圖18、圖19和圖21可以看出標(biāo)準(zhǔn)具的平板缺陷和平板夾角引起透過(guò)率的改變非常相似,其實(shí)質(zhì)都是相同的,即都是改變了標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)的大小,從而改變了標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率。

5 結(jié) 論

F-P標(biāo)準(zhǔn)具平板的反射率會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的斜率,所以作為測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻系統(tǒng),為了使透過(guò)率曲線具有陡峭的邊緣,標(biāo)準(zhǔn)具要選擇反射率較大的平板,以提高靈敏度；平板吸收率會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)具的透射率,隨著吸收率的增大,透過(guò)率曲線會(huì)整體降低；入射光發(fā)散角不僅會(huì)使峰值透過(guò)率降低,還會(huì)使透過(guò)率峰值所對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生變化,且隨著發(fā)散角的增大,透過(guò)率峰值對(duì)應(yīng)頻率的變化也越大,峰值透過(guò)率減小的速率先增大后減??；入射光頻譜、干涉儀表面缺陷和干涉儀兩平板之間的夾角對(duì)透過(guò)率的影響結(jié)果相似,都是使峰值透過(guò)率減小,并且在邊緣處的透過(guò)率大于理想情況下的透過(guò)率,但峰值透過(guò)率減小的速率并不相同,隨著入射光頻譜的增加,峰值透過(guò)率減小的速率先增大后趨于常數(shù)甚至有微弱的減小,但平板缺陷和兩平板之間的夾角的微弱增加會(huì)使峰值透過(guò)率急速較小,減小的速率迅速增大,大于1.54 nm和0.014 μrad后,透過(guò)率減小的速率開(kāi)始緩慢減小,最后趨于0。F-P標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的斜率決定了速度靈敏度,而速率靈敏度的大小直接影響了激光雷達(dá)的測(cè)量誤差,且透過(guò)率的變化將會(huì)改變接收信號(hào)光子數(shù),即影響接收信噪比,會(huì)間接地影響系統(tǒng)測(cè)量精度。ADM-Aeolus上搭載的ALADIN激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)具的峰值透過(guò)率為0.6,對(duì)于接下來(lái)研究測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)仿真工作中參數(shù)選擇和誤差分析提供理論支撐。

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