[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

摘要

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，实现步骤如下：(1)设计由两块平行玻璃板构成改进的Fabry-Perot标准具，包含5个通道，包含两个Mie散射信号通道，两个Rayleigh散射信号通道，一个激光频率锁定通道即通道L；(2)选择适当的标准具参数，使得具有如下要求：两个Mie散射的信号通道的透过率曲线与优化的Mie散射信号探测标准具的透过率曲线一致；两个Rayleigh散射的信号通道的透过率曲线与优化的Rayleigh散射信号探测标准具的透过率曲线一致；锁定通道L对两种散射的信号通道R1、R2的相对激光频率均具有跟踪作用；保证探测的高度，尤其是Rayleigh后向散射信号的强度。

主权项

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，其特征在于实现步骤如下：(1)设计由两块平行玻璃板构成改进的Fabry‑Perot标准具，改进的Fabry‑Perot标准具包含5个通道，包含两个Mie散射信号通道，即通道M1和M2，两个Rayleigh散射信号通道，即R1和R2，一个激光频率锁定通道即通道L；所述通道L表示的是锁定通道，用于跟踪激光相对于标准具的频率位置，锁定激光的相对频率；所述通道R1与R2用于鉴别大气的Rayleigh后向散射信号的Doppler频率，测量中高层大气的风场；通道M1和M2用于鉴别大气的Mie后向散射信号的Doppler频率，测量对流层中的大气风场；(2)在所述改进的Fabry‑Perot标准具结构的基础上，选择适当的标准具参数，使得具有如下要求：第一，两个Mie散射的信号通道的透过率曲线与优化的Mie散射信号探测标准具的透过率曲线一致；第二，两个Rayleigh散射的信号通道的透过率曲线与优化的Rayleigh散射信号探测标准具的透过率曲线一致；第三，锁定通道L对两种散射的信号通道R1、R2的相对激光频率均具有跟踪作用；第四，保证探测的高度，尤其是Rayleigh后向散射信号的强度；对于第一和第二点，为了实现相对于Mie散射谱宽Rayleigh后向散射信号的探测，标准具的自由谱宽度需尽可能包含全部Rayleigh谱，因而选取FSR范围为9.5‑15.6GHz，由FSR的定义：$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2L}---\left(1\right)$其中，c表示的是真空中的光速，L为标准具的腔长，选取FSR的一个典型值，FSR＝12GHz，由式(1)得标准具的腔长为12.5mm；Rayleigh信号通道的半高全宽FWHM的典型值为1.7GHz，由下(2)式：$\mathrm{\Δ}{v}_{1/2}=\frac{\mathrm{FSR}(1-R)}{\mathrm{\π}\sqrt{R}}---\left(2\right)$其中，R表示平行玻璃板内表面对相应波长光的反射率，Rayleigh信号通道的对应波长的反射率为64.3％，通过在平行玻璃板上镀上一层台阶使得R1和R2两个通道透过率曲线产生峰值间距，台阶的厚度为：$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\Δv}}{v}\×L---\left(3\right)$其中，Δν表示透过率曲线的峰值间距，ν表示透过激光的频率，L表示标准具的腔长，优化的Rayleigh后向散射标探测标准具边缘间距为1.7GHz，由此计算的R1与R2通道间的相差的台阶高度；对于Mie后向散射信号，其FWHM的典型值为0.17GHz，由式(2)可得Mie信号通道对应波长的反射率约为95.6％，两个通道的间的台阶厚度差同样由(3)式求出；对于第三点和第四点，采用单脉冲能量较高的Nd:YAG激光器，对于中高层大气的Rayleigh散射信号，后向散射系数与λ^‑4成正比，采用更短波长且人眼安全的354.7nm激光，该激光器基频振荡为1064nm激光，经过二倍频晶体和三倍频晶体转换后，输出532nm和354.7nm激光，三种激光的频率相互关联，满足2倍和3倍的关系。