[发明专利]一种高低空同时探测直接测风激光雷达系统中鉴频器实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及测风激光雷达系统中的鉴频器实现方法。

背景技术

对于对流层，平流层以及以上的区域大气风场探测，直接探测测风激光雷达已经被证明是实现高时空分辨率风场探测最有效的方法。其基本原理是：激光发射进入大气并与之相互作用，由于大气运动，产生了激光的多普勒效应，接收望远镜收集大气后向散射信号并与发射激光的频率进行对比，频率的差值即为径向风速引起的多普勒频移，根据这个频移得到径向风速。

对于直接探测测风激光雷达的鉴频技术主要有两种：条纹技术和边缘技术。目前边缘技术是国际上多普勒激光雷达系统中采用最多的一种技术。边缘技术主要是利用鉴频器产生的陡峭边缘将透过其中的信号光携带的微小的频率变化转化成能量的变化，通过适当的探测器测量出这个能量变化反演多普勒频移，进而得到大气风场。作为一种改进，双边缘技术提高的测量的灵敏度，在直接测风激光雷达应用的更加广泛。其主要原理如图1所示。其中a表示的是无多普勒频移时的回波信号以及各个通道的透过率和强度分布，b表示的是存在多普勒频移时的回波信号以及各个通道的透过率和强度分布；A，B，C分别表示双信号边缘滤波器的透过率曲线和锁定边缘滤波器透过率曲线，D表示的是发射激光的强度分布，E表示的是大气回波信号的强度分布，包含Mie散射信号(窄带宽)和Rayleigh散射信号(宽带宽)。F，G表示的是大气回波经过双边缘后透过的能量分布。边缘分居在回波信号的两侧，当回波信号相对激光频率为0，即无多普勒频移，两个通道的透过率相等，当回波信号产生了多普勒频移，其中一个通道的透过率减小，另一个通道的透过率增加。通过探测两个通道的透过率变化来反演多普勒频移，即径向风速。产生这些陡峭边缘的鉴频器包括Fabry-Perot标准具，原子滤波器(如碘原子，钠原子等)。

国际上利用直接探测测风激光雷达最早实现大气风场探测的是1989年法国Chanin研究小组首次报道中层大气平均风场激光雷达的测量，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，其工作波长为532nm，利用分子的Rayleigh后向散射信号，其测量高度为25～60km。随后，美国NASA在直接探测多普勒测风激光雷达系统的研究中也进行了大量的研究工作。NASA Goddard航天中心采用Fabry-Perot标准具作为鉴频器，激光的工作波长为354.7nm，研制出激光雷达系统GLOW，其测量高度为1.8-35km。北极激光雷达的中层大气研究气象台(ALOMAR)在挪威建立了瑞利散射/米散射/拉曼散射激光雷达系统，主要用于探测北极地区的中层大气的风场、温度、气溶胶的浓度分布以及夜光云粒子气象参数。其中的测风通道同样采用了Fabry-Perot标准具作为鉴频器，并且利用五个标准具进行镜像风速测量，工作波长为1064nm，532nm，354.7nm，探测距离为18-80km。1999年欧空局(ESA)经全面启动全球第一台星载测风激光雷达计划(ADM-Aeolus)，采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，工作波长为354.7nm。因此，基于FP标准具的直接探测多普勒测风技术是目前最佳的全球测风激光雷达研制方案，并已经获得了国际上普遍的认同。

国内方面，1997年中国海洋大学组建了利用碘滤波器的可移动直接探测激光雷达系统，并于2000年报道了低对流层的风场分布，其激光的工作波长为532nm，利用大气气溶胶的Mie后向散射信号，探测的高度范围为最大7km。2006年，中国科学院安徽光学精密机械研究所成功研制了针对地对流层风场的直接探测测风激光雷达系统，系统采用Fabry-Perot标准具并利用Mie散射回波信号，波长为1064nm的Nd:YAG激光器，探测距离为0.2-10km。随后，2012年，中国科学技术大学成功研制了针对中高层大气风场探测的基于Fabry-Perot标准具多普勒测风激光雷达系统，激光波长为354.7nm，其探测距离为8-40km。

以上关于直接测风激光雷达的回顾中可以看出，现阶段，直接探测测风激光雷达系统较多采用的鉴频器是Fabry-Perot标准具。激光雷达系统或是利用低对流层中主要的后向散射信号为Mie散射，或是利用中高层大气中主要的后向散射信号为Rayleigh散射，这些系统的鉴频器的设计要么是高分辨率保证探测的灵敏度，要么是低分辨率保证充分利用回波信号的强度。因而，无法实现高低空大气风场同时探测。