基于双f-p干涉仪和多纵模激光的米散射多普勒激光雷达系统
技术领域
1.本发明涉及一种可高精度探测对流层大气风场、较高精度探测气溶胶光学特性的激光雷达系统，特别涉及一种基于双f-p干涉仪和多纵模激光的直接探测米散射多普勒激光雷达系统。
背景技术：2.风是水汽、气溶胶、碳循环以及海气交换的主要动力，是影响人类生产生活的重要因素。实时的高精度高时空分辨率的风场数据在改进气候模型、研究全球气候变化、促进大气热力学及动力学研究、提高天气预报的准确性、保障航空航天器的起飞和着落安全、提高风能利用率等方面有着重要的应用。多普勒激光雷达是近30多年来发展起来的一种新型大气风场遥感探测设备，在时空分辨率、角度方位和机动性等方面相对于传统的声雷达和微波雷达有较大的提高，而且还可探测晴天条件下的三维风场，是目前对三维风场进行高精度、高时空分辨率遥感探测的最有效工具之一。因此，对多普勒激光雷达技术的研究具有重要的意义。由于风场测量的重要性，国内外很多大学和研究机构都开展了对多普勒激光雷达技术的研究，根据探测体制的不同可分为两类：相干探测和直接探测。然而，目前的多普勒激光雷达，无论采用的是相干探测体制，还是直接探测体制，其发射源均采用的是窄线宽、稳频的单纵模激光器。只能采用单纵模激光器的局限，造成了现有的多普勒激光雷达系统对工作环境的要求比较苛刻，一旦环境条件不满足就可能影响系统的探测性能，甚至无法正常工作，这就严重制约了多普勒激光雷达的产业化应用及机载和星载应用。
3.尝试将多纵模激光器用做高光谱分辨率气溶胶激光雷达、测温激光雷达以及多普勒激光雷达等的发射源是当前研究的前沿热点之一。这是因为多纵模激光器若能作为这些激光雷达系统的发射光源，则不仅可以降低系统成本、减小系统体积、提高系统的稳定性和环境适应性，而且可以提高系统待测参数的测量精度。2008年，巩马理等人对多纵模激光用作f-p干涉仪双边缘多普勒激光雷达发射源的可行性做了初步的分析研究，未涉及频率匹配误差、实际系统设计以及性能分析等问题。2013年，bruneau等人搭建了一套基于m-z干涉仪的多纵模测风激光雷达系统，并实现了对边界层风场探测。2015年，jin等和ristori等提出了多纵模高光谱分辨率激光雷达技术构想，并进一步对可调谐m-z干涉仪多纵模高光谱分辨率激光雷达技术做了深入研究。2018年，华灯鑫课题组做了进一步研究，所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能实现10km高度内的气溶胶光学参量精细探测。2017年，浙江大学刘东课题组利用设计的宽视场迈克耳逊干涉仪开展多纵模高光谱分辨率激光雷达气溶胶探测技术和理论研究。由此可见，目前国内外对多纵模激光雷达的研究主要集中在高光谱分辨率气溶胶激光雷达，对基于双f-p干涉仪多纵模多普勒激光雷达系统的设计研究还未见报道。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于双f-p干涉仪和多纵模激光的直接探测米散射多普勒激光雷达系统，能用基于双f-p干涉仪的多纵模米散射多普勒激光雷达高精度探测对流层大气风场、较高精度探测气溶胶光学特性。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的风场测量原理如图1、图2和图3所示，图2是图1的局部放大图。采用一体化的双f-p干涉仪，f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的自由谱间距(fsr)相同，均为2ghz，两者的频谱峰峰间隔为200mhz；多纵模激光发射波长为λ＝1064nm，其纵模间隔f-p与干涉仪的fsr匹配，且各纵模的中心频率被锁定在f-p干涉仪1和f-p干涉仪2频谱的交叉点位置。多纵模脉冲激光发射至大气中，遇到大气中运动的气溶胶和分子，总的后向散射光谱为所有单纵模的米和瑞利散射谱的叠加，而散射频谱将发生展宽和多普勒频移，如图1和图2所示。由于气溶胶粒子质量大，其布朗运动引起的米散射谱展宽可以忽略，气溶胶米散射谱宽近似为发射激光谱宽；而大气分子质量小，其热运动引起的瑞利散射谱显著展宽，在利用米散射信号进行风场测量的过程中，瑞利散射信号可看作白噪声。多普勒频移量vd与气溶胶和分子的宏观运动速度(即矢量风速)v有关，即vd＝2vr/λ，vr＝vcosφ为径向风速，φ为矢量风速方向与光束发射方向的夹角。为了测得多普勒频移量(径向风速)，大气后向散射光先分出小部分用作能量监测，大部分再均分为两束分别入射至f-p干涉仪1和f-p干涉仪2。不同径向风速情况下，等分的米散射光经过f-p干涉仪1和f-p干涉仪2后透射信号的比值将明显不同，利用f-p干涉仪1和f-p干涉仪2透射信号的比值与多普勒频移量的函数关系，可以反演得到径向风速，如图3所示。借助能量监测通道的信号可以反演获得后向散射比，并进一步用于修正风速反演结果。
6.频率为v的单色光平行光正入射至第i个f-p干涉仪的透过率函数为
[0007][0008]
其中：i＝1，2；ηi＝[1-a/(1-ri)]2(1-ri)/(1+ri)为第i个f-p干涉仪的平均透过率，r
e，i
、ri和a分别为第i个f-p干涉仪平板的有效反射率、实际反射率和平板吸收损耗系数；vi和v
fsr
分别为第i个f-p干涉仪的中心频率和自由谱间距。
[0009]
多纵模激光入射到大气中后，多纵模中的每一条单纵模谱线的回波函数仍然可以用高斯线型近似，只是各条纵模的强度受到激光介质增益曲线的调制。因此，多纵模激光的气溶胶米散射和分子瑞利散射总的归一化回波谱函数为：
[0010][0011][0012]
其中：δva＝δv/(4ln2)
1/2
为单个纵模米散射谱1/e高度处谱宽，δv为发射激光单个纵模的半高谱宽；δvm＝(δv
a2
+δv
r2
)
1/2
为单个纵模瑞利散射谱1/e高度处谱宽，δvr＝(8kt/mλ2)
1/2
为瑞利散射谱宽增量，k为玻尔兹曼常数，t为大气温度，m为大气分子平均质量，λ发射激光波长；v0为发射激光中心频率；q是以选定的中心频率v0(中心频率的q为0)为参考的纵模序数；vd为多普勒频移量；λ为纵模间隔；cq为各条谱线的相对强度(规定v0处相
对强度为1)。
[0013]
经准直镜准直后，全发散角为2θ0的米和瑞利散射光入射至双f-p干涉仪的透过率分别为
[0014][0015][0016]
将(1)～(3)式带入(4)～(5)式积分得：
[0017]
t
ia
(v0+vd)＝ηi(1+2σ
ia
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0018]
t
im
(v0+vd)＝ηi(1+2σ
im
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0019]
式中
[0020][0021]
其中v
′
fsr
＝2v
fsr
/(1+cosθ0)。当满足条件λ＝pv
′
fsr
，p＝1，2，...时，上式可简化为
[0022][0023]
该式和采用单纵模光源获得的结果完全一致。
[0024]
由此，两个边缘通道和一个能量监测通道探测器接收到的高度z处的大气后向散射光电子数为
[0025]
n1(z，vd，t)＝a1[na(z)t
1a
(v0+v
d-v1)+nm(z)t
1m
(v0+v
d-v1，t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0026]
n2(z，vd，t)＝a2[na(z)t
2a
(v0+v
d-v2)+nm(z)t
2m
(v0+v
d-v2，t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0027]
ne(z)＝a3[na(z)+nm(z)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0028]
式中：a1，a2，a3为校准常数；t为z高度处的大气温度；na(z)、nm(z)分别为激光雷达接收机接收到垂直高度z～z+δz之间的米和瑞利后向散射光电子数，δz为垂直距离分辨率，na(z)和nm(z)可由激光雷达方程得到。由(9)～(11)式得：
[0029][0030][0031]
式中：r
β
＝(na+nm)/nm为后向散射比。联立(12)(13)两个方程，得到
[0032][0033]
式中：ti为第i个f-p干涉仪的有效透过率。对(14)式采用非线性迭代方法可同时反演风速和后向散射比。根据误差传递公式，得到风速测量误差vv和后向散射比测量误差εr分别为：
[0034][0035][0036]
其中：分别为ti的后向散射比灵敏度和速度灵敏度，i＝1，2；snri为ti的探测信噪比。
[0037]
本发明的激光雷达系统整体结构如图4所示。采用nd：yag多纵模脉冲激光器作为发射源，发出1064nm激光束。发射激光由第一分束镜分成两束，占有绝大部分能量的透射光经过扩束镜扩束、第一45度反射镜和二维扫描仪导光，最终以预设的角度垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由卡塞格林望远镜接收，再由第一凸透镜耦合进入一段200m长多模裸光纤跳线延时后，进入第一1
×
2光纤耦合器的一个输入支端。占有很少能量的第一分束镜反射光作为参考光进入第二1
×
2光纤耦合器的一个支端，在经过一段100m长多模裸光纤后，其后向散射光由同侧另一支端输出并进入第一1
×
2光纤耦合器的另一个输入支端。从第一1
×
2光纤耦合器输出的光信号由准直镜准直、窄带干涉滤光片滤光后，被第二分束镜分为两束，其反射光束由第二凸透镜会聚进入第一雪崩光电二极管；其透射光束再被第三分束镜均分为两束。第三分束镜的透射光束正入射到双f-p干涉仪的f-p干涉仪1，从其透射的光信号被第三凸透镜会聚进入第二雪崩光电二极管；第三分束镜的反射光束由第二45度反射镜导光后，正入射到f-p干涉仪2，从其透射的光信号被第四凸透镜会聚进入第三雪崩光电二极管。参考光的作用是系统校准和发射光频率的测量及锁定。利用200m长多模裸光纤跳线将后向散射光延时，使得参考光和后向散射光在时序上错开。三个雪崩光电二极管的输出信号由多通道采集卡采集，再由工控机进行数据处理、存储、数据反演以及结果显示等。整个系统的1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器、双f-p干涉仪、二维扫描仪、多通道采集卡等均通过rs232接口由工控机控制。
[0038]
本发明所述的激光雷达系统由1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器、第一分束镜、扩束镜、第一45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、第一凸透镜、200m长多模裸光纤跳线、第一1
×
2光纤耦合器、第二1
×
2光纤耦合器、100m长多模裸光纤、准直镜、窄带干涉滤光片、第二分束镜、第二凸透镜、第一雪崩光电二极管、第三分束镜、双f-p干涉仪、第三凸透镜、第二雪崩光电二极管、第二45度反射镜、第四凸透镜、第三雪崩光电二极管、多通道采集卡、触发电路、f-p干涉仪控制器、二维扫描仪控制器、激光驱动电源和工控机组成，其特征是：1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器分别和激光驱动电源、触发电路相连，激光器发出1064nm的多纵模脉冲光，纵模间隔为2ghz，为双f-p干涉仪自由谱间距的整数倍。双f-p干涉仪设计成一体，确保各频谱之间的相对稳定性。f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的自由谱间距都为2ghz，谱宽都为180mhz，有效通光口径相同，f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的频谱峰峰间隔为200mhz。发射激光各纵模的中心频率被锁定在f-p干涉仪1和f-p干涉仪2频谱的交叉点位置。在该设计参数下，对风速测量最有利，且采用多纵模激光的单次测量效果与采用单纵模激光进行多次测量的效果相同。发射激光经由第一分束镜(透反射比99/1)分束后，透射绝大部分激光，反射很少部分激光。透射光束经过扩束镜扩束、第一45度反射镜和二维扫描
仪导光后，最终以预设的角度垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由卡塞格林望远镜接收，再由第一凸透镜耦合进入一段200m长多模裸光纤跳线，第一凸透镜的焦点在耦合光纤端面上。200m长多模裸光纤跳线与第一1
×
2光纤耦合器的一个输入支端连通。第二1
×
2光纤耦合器的合束端与一段100m长多模裸光纤连通。第一分束镜的反射光束作为参考光，其少量通过空间自由耦合进入第二1
×
2光纤耦合器的一个支端。在经过一段100m长多模裸光纤后，其后向散射光由同侧另一支端输出，该支端与第一1
×
2光纤耦合器的另一个输入支端连通。参考光和后向散射光均由第一1
×
2光纤耦合器的合束端输出，后续行进的光路完全相同。参考光的作用是系统校准和发射光频率的测量及锁定。利用200m长多模裸光纤跳线将后向散射光延时，使得参考光和后向散射光在时序上正好错开。从第一1
×
2光纤耦合器合束端输出的光信号由准直镜准直，准直后的光束口径略小于f-p干涉仪1有效通光口径，其再经过1064nm窄带干涉滤光片滤光后，被第二分束镜分为两束，反射光束由第二凸透镜会聚到第一雪崩光电二极管光敏面；透射光束再被第三分束镜均分为两束。第三分束镜的透射光束正入射到双f-p干涉仪的f-p干涉仪1，从其透射的光信号由第三凸透镜会聚到第二雪崩光电二极管光敏面；第三分束镜的反射光束由第二45度反射镜导光后，正入射到f-p干涉仪2，从其透射的光信号由第四凸透镜会聚到第三雪崩光电二极管光敏面。第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管、第三雪崩光电二极管和多通道采集卡相连，多通道采集卡和触发电路相连，f-p干涉仪控制器和双f-p干涉仪相连，二维扫描仪控制器和二维扫描仪相连。激光驱动电源、触发电路、f-p干涉仪控制器、二维扫描仪控制器与工控机相连，由工控机统一控制。
[0039]
由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：与现有的多普勒激光雷达系统相比，1、采用多纵模激光器作为发射光源构建多普勒激光雷达，既实现了激光发射系统低成本和小型化，同时无需对谐振腔精密控制，可明显提高多普勒激光雷达系统的稳定性和环境适应性；2、优化设计的系统参数不仅满足了多纵模激光的纵模间隔与双f-p干涉仪的自由谱间距匹配条件，而且更适合多纵模激光风场测量，使得所有纵模均可高效地用于测量，采用多纵模激光源单次测量效果与采用单纵模激光源多次测量效果相同，大大提高激光能量利用率；3、实现了多纵模多普勒激光雷达既可高精度探测对流层大气风场，又可同时较高精度探测气溶胶光学特性。
附图说明
[0040]
图1是本发明的风速测量示意图。
[0041]
图2是本发明图1的局部放大图。
[0042]
图3是本发明的风速测量原理图。
[0043]
图4是本发明的结构框图。
[0044]
图中 1. 1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器，2.第一分束镜，3.扩束镜，4.第一45度反射镜，5.二维扫描仪，6.玻璃平板，7.卡塞格林望远镜，8.第一凸透镜，9.200m长多模裸光纤跳线，10.第一1
×
2光纤耦合器，11.第二1
×
2光纤耦合器，12.100m长多模裸光纤，13.准直镜，14.窄带干涉滤光片，15.第二分束镜，16.第二凸透镜，17.第一雪崩光电二极管，18.第三分束镜，19.双f-p干涉仪，20.第三凸透镜，21.第二雪崩光电二极管，22.第二45度反射镜，23.第四凸透镜，24.第三雪崩光电二极管，25.多通道采集卡，26.触发电路，27.f-p
干涉仪控制器，28.二维扫描仪控制器，29.激光驱动电源，30.工控机。
具体实施方式
[0045]
本发明的结构框如4图所示。
[0046]
图4中1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器(1)分别和激光驱动电源(29)、触发电路(26)相连。1064nmnd：yag多纵模脉冲激光器(1)发射的激光经由第一分束镜(2)分为两束。占大部分能量的透射光束经过扩束镜(3)扩束、第一45度反射镜(4)和二维扫描仪(5)导光后，最终以预设的角度垂直透过玻璃平板(6)进入大气被测区域。其大气后向散射光由卡塞格林望远镜(7)接收，再由第一凸透镜(8)耦合进入一段200m长多模裸光纤跳线(9)，第一凸透镜(8)的焦点在耦合光纤(9)端面上。200m长多模裸光纤跳线(9)与第一1
×
2光纤耦合器(10)的一个输入支端连通。第二1
×
2光纤耦合器(11)的合束端与一段100m长多模裸光纤(12)连通。第一分束镜(2)的反射光束作为参考光，其少量通过空间自由耦合进入第二1
×
2光纤耦合器(11)的一个支端。在经过一段100m长多模裸光纤(12)后，其后向散射光由同侧另一支端输出，该支端与第一1
×
2光纤耦合器(10)的另一个输入支端连通。参考光和后向散射光均由第一1
×
2光纤耦合器(10)的合束端输出，后续行进的光路完全相同。利用200m长多模裸光纤跳线(9)将后向散射光延时，使得参考光和后向散射光在时序上正好错开。从第一1
×
2光纤耦合器(10)合束端输出的光信号由准直镜(13)准直，准直后的光束口径略小于双f-p干涉仪(19)中的f-p干涉仪1有效通光口径，其再经过1064nm窄带干涉滤光片(14)滤光后，被第二分束镜(15)分为两束，反射光束由第二凸透镜(16)会聚到第一雪崩光电二极管(17)光敏面；透射光束再被第三分束镜(18)均分为两束。第三分束镜(18)的透射光束正入射到双f-p干涉仪(19)的f-p干涉仪1，从其透射的光信号由第三凸透镜(20)会聚到第二雪崩光电二极管(21)光敏面；第三分束镜(18)的反射光束由第二45度反射镜(22)导光后，正入射到双f-p干涉仪(19)的f-p干涉仪2，从其透射的光信号由第四凸透镜(23)会聚到第三雪崩光电二极管(24)光敏面。第一雪崩光电二极管(17)、第二雪崩光电二极管(21)、第三雪崩光电二极管(24)和多通道采集卡(25)相连，多通道采集卡(25)和触发电路(26)相连，f-p干涉仪控制器(27)和双f-p干涉仪(19)相连，二维扫描仪控制器(28)和二维扫描仪(5)相连。激光驱动电源(29)、触发电路(26)、f-p干涉仪控制器(27)、二维扫描仪控制器(28)与工控机(30)相连，由工控机(30)统一控制。
技术特征：1.一种基于双f-p干涉仪和多纵模激光的直接探测米散射多普勒激光雷达系统，由1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器、第一分束镜、扩束镜、第一45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、第一凸透镜、200m长多模裸光纤跳线、第一1
×
2光纤耦合器、第二1
×
2光纤耦合器、100m长多模裸光纤、准直镜、窄带干涉滤光片、第二分束镜、第二凸透镜、第一雪崩光电二极管、第三分束镜、双f-p干涉仪、第三凸透镜、第二雪崩光电二极管、第二45度反射镜、第四凸透镜、第三雪崩光电二极管、多通道采集卡、触发电路、f-p干涉仪控制器、二维扫描仪控制器、激光驱动电源和工控机组成，其特征是：1064nm nd：yag多纵模脉冲激光器分别和激光驱动电源、触发电路相连，激光器发出1064nm的多纵模脉冲光，纵模间隔为2ghz，为双f-p干涉仪自由谱间距的整数倍。双f-p干涉仪设计成一体，确保各频谱之间的相对稳定性。f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的自由谱间距都为2ghz，谱宽都为180mhz，有效通光口径相同，f-p干涉仪1和f-p干涉仪2的频谱峰峰间隔为200mhz。发射激光各纵模的中心频率被锁定在f-p干涉仪1和f-p干涉仪2频谱的交叉点位置。在该设计参数下，对风速测量最有利，且采用多纵模激光的单次测量效果与采用单纵模激光进行多次测量的效果相同。发射激光经由第一分束镜(透反射比99/1)分束后，透射绝大部分激光，反射很少部分激光。透射光束经过扩束镜扩束、第一45度反射镜和二维扫描仪导光后，最终以预设的角度垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由卡塞格林望远镜接收，再由第一凸透镜耦合进入一段200m长多模裸光纤跳线，第一凸透镜的焦点在耦合光纤端面上。200m长多模裸光纤跳线与第一1
×
2光纤耦合器的一个输入支端连通。第二1
×
2光纤耦合器的合束端与一段100m长多模裸光纤连通。第一分束镜的反射光束作为参考光，其少量通过空间自由耦合进入第二1
×
2光纤耦合器的一个支端。在经过一段100m长多模裸光纤后，其后向散射光由同侧另一支端输出，该支端与第一1
×
2光纤耦合器的另一个输入支端连通。参考光和后向散射光均由第一1
×
2光纤耦合器的合束端输出，后续行进的光路完全相同。参考光的作用是系统校准和发射光频率的测量及锁定。利用200m长多模裸光纤跳线将后向散射光延时，使得参考光和后向散射光在时序上正好错开。从第一1
×
2光纤耦合器合束端输出的光信号由准直镜准直，准直后的光束口径略小于f-p干涉仪1有效通光口径，其再经过1064nm窄带干涉滤光片滤光后，被第二分束镜分为两束，反射光束由第二凸透镜会聚到第一雪崩光电二极管光敏面；透射光束再被第三分束镜均分为两束。第三分束镜的透射光束正入射到f-p干涉仪1，从其透射的光信号由第三凸透镜会聚到第二雪崩光电二极管光敏面；第三分束镜的反射光束由第二45度反射镜导光后，正入射到f-p干涉仪2，从其透射的光信号由第四凸透镜会聚到第三雪崩光电二极管光敏面。第一雪崩光电二极管、第二雪崩光电二极管、第三雪崩光电二极管和多通道采集卡相连，多通道采集卡和触发电路相连，f-p干涉仪控制器和双f-p干涉仪相连，二维扫描仪控制器和二维扫描仪相连。激光驱动电源、触发电路、f-p干涉仪控制器、二维扫描仪控制器与工控机相连，由工控机统一控制。
技术总结本发明公开了一种基于双F-P干涉仪和多纵模激光的直接探测米散射多普勒激光雷达系统。采用1064nm固体多纵模脉冲激光器，纵模间隔2GHz，为F-P干涉仪自由谱间距的整数倍。双F-P干涉仪设计成一体，自由谱间距均为2GHz，谱宽均为180MHz，频谱峰峰间隔为200MHz。发射激光各纵模的中心频率锁定在两个F-P干涉仪频谱的交叉点位置。接收光路由双F-P干涉仪、分束镜和反射镜组成。本发明采用多纵模激光器，使发射系统低成本和小型化的同时，显著提高了激光能量利用率、多普勒激光雷达系统的稳定性和环境适应性，实现了多纵模多普勒激光雷达高精度探测对流层大气风场的同时，还可较高精度探测气溶胶光学特性。溶胶光学特性。
技术研发人员：沈法华 蒋佳佳 庄鹏
受保护的技术使用者：盐城师范学院
技术研发日：2022.07.17
技术公布日：2022/11/1
