直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

引 言

風(fēng)是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的一個(gè)重要參量，利用風(fēng)的數(shù)據(jù)，可以獲得大氣的變化，并預(yù)見(jiàn)其改變，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)能量、水、氣溶膠、化學(xué)和其它空氣物質(zhì)圈的了解，提高氣象分析和預(yù)測(cè)全球氣候變化的能力。目前的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于無(wú)線電探空測(cè)風(fēng)儀、地面站、海洋浮標(biāo)、觀測(cè)船、飛行器以及衛(wèi)星，它們?cè)诟采w范圍和觀測(cè)頻率上都存在很大限制。對(duì)全球進(jìn)行直接三維風(fēng)場(chǎng)測(cè)量已經(jīng)提到日程上來(lái)，世界氣象組織提出了全球范圍的高分辨率大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的迫切需要，迄今為止，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是唯一能夠獲得直接三維風(fēng)場(chǎng)廓線的工具，具有提供全球所需數(shù)據(jù)的發(fā)展?jié)摿1]。

激光雷達(dá)是探測(cè)大氣的有力工具，隨著激光技術(shù)、光學(xué)機(jī)械加工技術(shù)、信號(hào)探測(cè)、數(shù)據(jù)采集以及控制技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展也日新月異。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有實(shí)用性、高分辨率和三維觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是其它探測(cè)手段難以比擬的[2, 3, 4]。

新研制的1064 nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，利用雙邊緣技術(shù)對(duì)對(duì)流層三維風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)[5]。本文介紹了該激光雷達(dá)

的總體結(jié)構(gòu)及其各部分的功能，并對(duì)其探測(cè)對(duì)流層風(fēng)場(chǎng)的初步結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1 總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

1064 nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)從整體上由激光發(fā)射單元、二維掃描單元，回波信號(hào)接收單元、信號(hào)探測(cè)和數(shù)據(jù)采集單元及控制單元五部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖和外觀照片分別見(jiàn)圖1和圖2，主要的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

激光發(fā)射單元、回波信號(hào)接收單元、信號(hào)探測(cè)和數(shù)據(jù)采集單元放置在光學(xué)平臺(tái)上，保證其光學(xué)穩(wěn)定性。Nd:YAG激光器的中心波長(zhǎng)是1064 nm，工作在此波長(zhǎng)，可以有較大的激光輸出功率，并且氣溶膠的后向散射截面比較大。脈沖重復(fù)頻率為50 Hz，可以節(jié)省探測(cè)的時(shí)間，能捕捉短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的變化，有利于提高風(fēng)速探測(cè)的準(zhǔn)確度。同時(shí)，激光器內(nèi)部注入種子激光可以保證激光器的頻率穩(wěn)定。

二維掃描單元安置在實(shí)驗(yàn)房的房頂，接收望遠(yuǎn)鏡的上方。由兩個(gè)鍍有1064 nm波長(zhǎng)全反的介質(zhì)膜的平面反射鏡、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成的大口徑光學(xué)潛望式結(jié)構(gòu)。通過(guò)軟件控制或者手動(dòng)調(diào)節(jié)能夠全方位掃描，水平方向可以旋轉(zhuǎn)0o至360o，垂直方向可以旋轉(zhuǎn)0o至180o。進(jìn)行常規(guī)探測(cè)時(shí)采用四波束法，水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四個(gè)方位探測(cè)，即東、南、西和北四個(gè)方位，工作仰角為45o。

接收望遠(yuǎn)鏡在二維掃描單元的正下方，有效通光口徑為300 mm，如圖1所示。主鏡鍍有1064 nm波長(zhǎng)全反的介質(zhì)膜，反射率高達(dá)99%。望遠(yuǎn)鏡接收的大氣后向散射回波信號(hào)耦合至光纖，由光纖導(dǎo)入到準(zhǔn)直鏡后成為平行光，經(jīng)過(guò)壓制背景光的窄帶濾光片后，由20%反射、80%透射的分束片分成兩部分。20%的反射信號(hào)作為能量探測(cè)，由直角反射棱鏡分成兩束，分別由光子計(jì)數(shù)探測(cè)器接收;80%的透射信號(hào)作為信號(hào)探測(cè)，經(jīng)過(guò)雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后，由于透過(guò)率的不一樣，得到強(qiáng)度不等的兩束光信號(hào)，由直角反射棱鏡分為兩束，由相應(yīng)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器接收。四個(gè)光子計(jì)數(shù)探測(cè)器分別將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，輸入光子計(jì)數(shù)卡內(nèi)，最后由工控機(jī)中的主程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度廓線、風(fēng)速和風(fēng)向。

控制柜內(nèi)安裝有工控機(jī)，其內(nèi)安裝的1064nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件通過(guò)RS232串口控制激光器、二位掃描單元和雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具工作，起著系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)作用?？刂乒駜?nèi)還有雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的控制器CS100、二位掃描單元的控制器、門(mén)控裝置以及同軸系統(tǒng)對(duì)光時(shí)使用的監(jiān)視器和各部件的電源。

2 雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率響應(yīng)曲線的測(cè)量

1064nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用高分辨率的雙Fabr

y-Perot標(biāo)準(zhǔn)具，它在一對(duì)基板上通過(guò)鍍膜或沉積方式形成兩個(gè)面積和大小相同的半圓形干涉儀，根據(jù)鍍膜的厚度可以形成標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道頻譜中心分離，形成透過(guò)率響應(yīng)曲線的交疊。由于它們固定在一個(gè)基板上，雙Fabry-Pero標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道的中心頻率的相對(duì)位置受溫度的漂移變化相同，保證標(biāo)準(zhǔn)具的頻譜中心間隔大小恒定。

雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率曲線的測(cè)量是通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件的CS100控制子程序?qū)ζ淝婚L(zhǎng)大小的控制，從而得到頻率與透過(guò)率的對(duì)應(yīng)曲線。圖3是2005年4月27日19:04，500個(gè)脈沖累加平均測(cè)量得到的雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率曲線，通道一(實(shí)圓點(diǎn))與通道二(虛圓點(diǎn))的頻譜中心間隔為228.2 MHz，半寬度分別為 205.0 MHz和224.3 MHz，實(shí)曲線與虛曲線分別為兩通道的相應(yīng)擬合曲線，其峰值透過(guò)率分別為73.7% 和70.8%，測(cè)量結(jié)果與表1對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)基本一致。

由于環(huán)境因素引起光學(xué)單元和電子器件的漂移，而且操作人員的活動(dòng)可能引起接收機(jī)部件的振動(dòng)而造成雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)漂移，以及激光器長(zhǎng)時(shí)間工作引起頻率的漂移，都對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線的測(cè)量產(chǎn)生影響。為了檢驗(yàn)雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的性能，從2005年4月24日至2005年5月15日內(nèi)，進(jìn)行了8次測(cè)量，透過(guò)率響應(yīng)曲線如圖4，實(shí)曲線和虛曲線分別對(duì)應(yīng)通道一和通道二的透過(guò)率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，雖然時(shí)間相距21天，但是8組透過(guò)率響應(yīng)曲線的重合度很好，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。

3 對(duì)流層風(fēng)場(chǎng)的初步結(jié)果

圖5給出了1064 nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)2005年4月20日17:18在合肥地區(qū)測(cè)量到的0.48 km至3 km的風(fēng)廓線。圖中虛圓點(diǎn)和實(shí)圓點(diǎn)線分別是二維掃描單元指向東和西測(cè)量得到的風(fēng)廓線，由于當(dāng)天是東風(fēng)，向東方向測(cè)量得到的多普勒頻移為正值，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速亦為正值;向西方向測(cè)量得到的多普勒頻移為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速則為負(fù)值，且二者在不同高度上的風(fēng)速體現(xiàn)了較好的一致性，這表明大氣風(fēng)場(chǎng)在測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)探測(cè)時(shí)間內(nèi)不同高度上的風(fēng)向和風(fēng)速都沒(méi)有什么大的變化。

圖6給出了1064 nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)2005年9月10日晚上在同一地點(diǎn)探測(cè)得到的徑向風(fēng)速的廓線。

該激光雷達(dá)的二維掃描單元工作仰角45o，方位指向東，距離分辨率為30m，進(jìn)行了10000個(gè)脈沖累加平均。可以看出連續(xù)測(cè)量的3組數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，從2km至8km風(fēng)速變化不大，大氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定，大體呈現(xiàn)一個(gè)增加趨勢(shì)，在8 km左右達(dá)到一個(gè)最大風(fēng)速約15 m/s。8km以上，風(fēng)速呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。夜晚的探測(cè)距離可以達(dá)到9km。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了自行研制的1064 nm直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)地?cái)⑹隽烁鞑糠值慕Y(jié)構(gòu)和功能。該激光雷達(dá)正在合肥進(jìn)行對(duì)流層徑向風(fēng)速的初步探測(cè)，并取得了初步的測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該激光雷達(dá)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，夜晚的探測(cè)高度可以達(dá)到9km。它的成功研制為進(jìn)一步開(kāi)展各領(lǐng)域內(nèi)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1 Paul Ingmann, Status of the Doppler WindLidar Profiling Mission ADM-Aeolus[], ESA Report, July, 1999, SP-1233(4).

2 Chanin, M. L., A. Garnier, A. Hauchecorne, J. Porteneuve, A Doppler lidar for measuring winds in the middle atmosphere, Geophys.Res.Lett.，1989, 16:1273-1276.

3 McGill, M. J., W.R. Skinner and T.D.Irgang, Validation of wind profiles measured using incoherent Doppler lidar. Appl. Opt., 1997, 36:1928-1939.

4 Friedman, J. S. , C Tepley, P. Castleberg and H. Roe, Middle-atmosphere Doppler lidar using a iodine-vapor edge filter, Opt.Lett. 1997, 22:1648-1650.

5 孫東松，鐘志慶，遲如利等.1.06um直接接米散射測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的性能分析.激光與紅外，2004,34(6): 412-514.