一種對高斯脈沖光學盲區(qū)實際測量方法的研究

付廷正

（北京怡孚和融科技有限公司，北京 100094）

當前，國內(nèi)多普勒測風激光雷達已經(jīng)發(fā)展數(shù)年，幾大雷達廠商實現(xiàn)了從無到有的跨越，現(xiàn)今進一步優(yōu)化激光雷達性能，穩(wěn)定其品質(zhì)，提高其精度，顯得尤為重要。

脈沖相干式激光雷達自始至終存在一個盲區(qū)問題。激光雷達光學部分通常使用脈沖式光纖激光器，能量分布呈近高斯波形。脈沖激光具有一定的寬度，導致出現(xiàn)了近距離探測盲區(qū)。盲區(qū)值的確定，會直接影響激光雷達對不同高度層風場測量的準確性，進而影響到數(shù)據(jù)的可靠程度?；诖耍芯苛艘环N實用、可靠且精度較高的光學盲區(qū)測試方法。

1 光路結(jié)構(gòu)

激光雷達光路結(jié)構(gòu)由激光放大器、光路系統(tǒng)、探測器和信號處理單元等組成。激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)過分束后，一部分作為參考光輸入耦合器用于拍頻，另一部分調(diào)制成激光脈沖后進行功率放大，通過望遠鏡擴束發(fā)散到大氣中。氣溶膠的后向散射信號經(jīng)過望遠鏡與本振光在耦合器處拍頻，經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號。

在光束的發(fā)射與接收上采用了收發(fā)同路的結(jié)構(gòu)。光路系統(tǒng)是無實焦基本光學系統(tǒng)，主要是對激光進行擴束，如圖1 所示。

2 主要光學參數(shù)

激光雷達使用的是一款光纖脈沖激光器，工作波長為1 550 nm，高脈沖能量輸出，可達100 μJ。

整體來說，光纖脈沖激光器結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，易于集成到光學系統(tǒng)中。所探討的盲區(qū)正是由于它的脈沖寬度特性才有的，無法消除，只能通過技術(shù)手段降低盲區(qū)數(shù)值，如減小脈寬等方法。研究暫不對降低盲區(qū)的方法做討論，只討論盲區(qū)測試方法和精度提升。具體使用到的光纖脈沖激光器參數(shù)信息，如表1 所示。

表1 光纖脈沖激光器參數(shù)信息表

3 號線條即激光器脈沖輸出波形，可見實測脈沖寬度為302.2 ns，波形近似高斯分布，如圖2 所示。

3 詳細測試過程

3.1 盲區(qū)的產(chǎn)生

脈沖寬度與近距離盲區(qū)的長短有關(guān)。如果脈沖寬度為500 ns，那么盲區(qū)距離應(yīng)該為75 m，是理論上的最小探測高度。在雷達出光后，近端發(fā)出去的光無法回收到氣溶膠的散射信號即無法完成與本振光的拍頻，會出現(xiàn)不可探測區(qū)域即盲區(qū)。對于激光雷達而言，造成其近端盲區(qū)的因素除了光學上的盲區(qū)外還有很多，如電學脈沖前后沿和封閉脈沖的延遲、發(fā)射時開關(guān)余震的影響、采集延遲等，都會擴大近距離盲區(qū)實際值[1]。

所謂理論計算的盲區(qū)，是把多種干擾因素進行分解，并選取影響最大的因素作為真實盲區(qū)的數(shù)值。一般而言是比較準確的，但要想將真實的盲區(qū)精確到分米級別，只靠理論計算對實際的應(yīng)用意義有限。

3.2 盲區(qū)的測量

對于一款最遠探測距離為6 km 的多普勒測風激光雷達來說，它的理論盲區(qū)計算為90 m。本文設(shè)計了一種簡單的方法來測試其盲區(qū)的真實數(shù)值和理論差值。盲區(qū)是因為探測不到近端風場數(shù)據(jù)，所以基于這個思路進行實驗。若將激光雷達直接探測大氣，因風場遠近基本都是均勻的，只能知道哪個是第一個有效信號，但無法判定第一個有效信號是多遠距離產(chǎn)生的，只能粗略認為位置是90 m。所以，決定采用在無風場的區(qū)域進行單點模擬風場，查找出現(xiàn)實際信號的點，然后使用卷尺測試該點距離雷達出光口多遠，即實際的盲區(qū)值。

地點選取了一段長距離走廊，總直線長度為105.8 m。將激光雷達運到場地一端，接上電，調(diào)整后機器水平，并調(diào)好光路準直，要求出光到100 m 時光斑偏差為10 mm 以內(nèi)，如圖3 所示。

調(diào)整好光斑后，需要開始模擬風場，此過程需要2 ～3 人協(xié)助完成。使用一臺大功率風扇對光斑進行吹風，從0 ～100 m 逐漸移動風扇，然后觀察第一個信號值是否出現(xiàn)，操作過程如圖4 所示。

在信號發(fā)生板的驅(qū)動下，AOM 驅(qū)動器產(chǎn)生80 MHz的正弦脈沖信號調(diào)制連續(xù)種子激光產(chǎn)生激光脈沖。零風場的情況下是沒有頻移的，信號仍為80 MHz。隨著風場逐漸遠離雷達，出現(xiàn)了有效信號的頻移，頻移量約為84 MHz。根據(jù)頻移與風速的換算關(guān)系，1 m·s-1的風速會引起1.3 MHz 的頻移[2]，換算成風速約為3 m·s-1，是風扇風速的值，即該點到雷達的距離即為真實的雷達盲區(qū)，如圖5 所示。

通過測量此時風點到雷達的實際距離得知，其間隔是96.0 m。本臺激光雷達的真實盲區(qū)是96.0 m，與理論90.0 m 相差了6.0 m 的距離。

3.3 盲區(qū)可信度驗證

通過實際測試找到真實盲區(qū)是96.0 m，下面進一步分析其可信度，具體采用遠距離定點建筑進行驗證的方式展開實驗[3]。

將設(shè)置好實際盲區(qū)的激光雷達拉到室外，仍然調(diào)好雷達水平角度和出光風向，實驗使用了一臺分米級精度的外購器件測距儀。通過使用輔助準直紅外儀等設(shè)備，保證出光位置和測距儀起點完全相同。

將光斑分別打到遠端3 個合適距離的建筑物上，并記錄好測距儀的數(shù)值，分別是219.0 m、222.0 m、225.0 m，如圖6 所示。

通過分析載噪比的強反射信號，得到了強反射信號對應(yīng)的3 個距離值[4-5]。通過利用盲區(qū)對橫坐標進行反向補償和換算，發(fā)現(xiàn)其盲區(qū)值分別是96.6 m、95.2 m、96.4 m，與實際盲區(qū)位置分別相差+0.6 m、-0.8 m、+0.4 m。造成誤差的原因主要是測距儀的精度和光路打到的點位的偏離而產(chǎn)生，基本符合測試預期，說明盲區(qū)值96.0 m 的設(shè)定是準確可信的，精度可達到分米級別，如圖7 所示。

4 結(jié)語

實驗過程中，光路精準控制和模擬高精度風場調(diào)試過程頗為耗時。比如：在遠距離準直光路時，要達到非常精確的目標很困難；模擬風場過程中，要保證風量均勻且以厘米為單位進行精準平移，同時要保證投影到光路上的風場分量盡量一致。通過不斷試驗調(diào)節(jié)，終于得到了真實的盲區(qū)值，也從反向證明了測試值精準有效。如何縮小理論盲區(qū)值與實際盲區(qū)值的差異，以及如何更便捷和穩(wěn)定地測試實際高精度盲區(qū)，有待于進一步探索，是今后努力的方向。