直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)

直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)引言風(fēng)是研究大氣動力學(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)見其改變，促進(jìn)人類對能量、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)測全球氣候變化的能力。目前的風(fēng)場數(shù)據(jù)主要來源于無線電探空測風(fēng)儀、地面站、海洋浮標(biāo)、觀測船、飛行器以及衛(wèi)星，它們在覆蓋范圍和觀測頻率上都存在很大限制。對全球進(jìn)行直接三維風(fēng)場測量已經(jīng)提到日程上來，世界氣象組織提出了全球范圍的高分辨率大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)的迫切需要，迄今為止，多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)是唯一能夠獲得直接三維風(fēng)場廓線的工具，具有提供全球所需數(shù)據(jù)的發(fā)展?jié)摿Γ?］。激光雷達(dá)是探測大氣的有力工具，隨著激光技術(shù)、光學(xué)機(jī)械加工技術(shù)、信號探測、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。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)具有實(shí)用性、高分辨率和三維觀測等優(yōu)點(diǎn)，是其它探測手段難以比擬的［2,3,4］。新研制的1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，利用雙邊緣技術(shù)對對流層三維風(fēng)場進(jìn)行探測［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，并對其探測對流層風(fēng)場的初步結(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)1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)從整體上由激光發(fā)射單元、二維掃描單元，回波信號接收單元、信號探測和數(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圖1和圖2,主要的技術(shù)參數(shù)見表1。

衣LlUblnmn^HiiVJ女討湖側(cè)風(fēng)戰(zhàn)死而還揪卜答眼SvstempmjiiF心、VulueNd上YAGWaieleftgLh/tunIOh4-Mhxpulsecncr^y/niJ55tiPulserepelitionrsitc/H^同Scuimin^：山撐應(yīng)45RecehcrJiamelerJinm加iReceiverfullFOVymradL5HFillerhundwidth/nm心％Etiilcmbandwidth/Mil/!7UEldhmLcnEraidislance^MH/20(1QuaniEhineJnutesn-y0fdeteccorf%)2MCA粕mpEi11grexnlution/n^20li圖11064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖圖2J.064nm直接探測名普勒測風(fēng)激光雷達(dá)外觀照片激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、信號探測和數(shù)據(jù)采集單元放置在光學(xué)平臺上，保證其光學(xué)穩(wěn)定性。Nd:YAG激光器的中心波長是1064nm，工作在此波長，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50Hz，可以節(jié)省探測的時(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1064nm波長全反的介質(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)。通過軟件控制或者手動調(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，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300mm，如圖1所示。主鏡鍍有1064nm波長全反的介質(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耦合全光纖，由光纖導(dǎo)入到準(zhǔn)直鏡后成為平行光，經(jīng)過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%的反射信號作為能量探測，由直角反射棱鏡分成兩束，分別由光子計(jì)數(shù)探測器接收；80%的透射信號作為信號探測，經(jīng)過雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)通道后，由于透過率的不一樣，得到強(qiáng)度不等的兩束光信號，由直角反射棱鏡分為兩束，由相應(yīng)的光子計(jì)數(shù)探測器接收。四個(gè)光子計(jì)數(shù)探測器分別將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，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)行儲存和處理，并實(shí)時(shí)顯示測量的信號強(qiáng)度廓線、風(fēng)速和風(fēng)向?？刂乒駜?nèi)安裝有工控機(jī)，其內(nèi)安裝的1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件通過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。控制柜內(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、門控裝置以及同軸系統(tǒng)對光時(shí)使用的監(jiān)視器和各部件的電源。2雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率響應(yīng)曲線的測量1064nm直接探測多普勒測風(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Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具，它在一對基板上通過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)具的透過率曲線的測量是通過系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件的CS100控制子程序?qū)ζ淝婚L大小的控制，從而得到頻率與透過率的對應(yīng)曲線。圖3是2005年4月27日19:04，500個(gè)脈沖累加平均測量得到的雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線，通道一（實(shí)圓點(diǎn)）與通道二（虛圓點(diǎn)）的頻譜中心間隔為228.2MHz，半寬度分別為205.0MHz和224.3MHz，實(shí)曲線與虛曲線分別為兩通道的相應(yīng)擬合曲線，其峰值透過率分別為73.7%和70.8%，測量結(jié)果與表1對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)基本一致。Apr,27,2Wl5dm?推l=Z2心MFH如Apr,27,2Wl5dm?推l=Z2心MFH如11gdEllrnil224JM1UDioa4g-3DD-3tH]-IDO□1DD2DD3D(]4DDEDOFrequency(MHz)i 圖;3雙Fag-Pemi標(biāo)準(zhǔn)具、透過隼響應(yīng)曲線nbsp;蕓UBs-UISlnu一 蕓UBs-UISlnu一 302LA*e!4 nJQ市聃3UFrequency(MHz)圖4雙Fahry-P^rm標(biāo)準(zhǔn)具透過率響應(yīng)|也線由于環(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可能引起接收機(jī)部件的振動而造成雙Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的腔長漂移，以及激光器長時(shí)間工作引起頻率的漂移，都對標(biāo)準(zhǔn)具透過率曲線的測量產(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次測量，透過率響應(yīng)曲線如圖4,實(shí)曲線和虛曲線分別對應(yīng)通道一和通道二的透過率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，雖然時(shí)間相距21天，但是8組透過率響應(yīng)曲線的重合度很好，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。3對流層風(fēng)場的初步結(jié)果圖5給出了1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)2005年4月20日17:18在合肥地區(qū)測量到的0.48km至3km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量得到的風(fēng)廓線，由于當(dāng)天是東風(fēng)，向東方向測量得到的多普勒頻移為正值，對應(yīng)的風(fēng)速亦為正值；向西方向測量得到的多普勒頻移為負(fù)值，對應(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)場在測風(fēng)激光雷達(dá)探測時(shí)間內(nèi)不同高度上的風(fēng)向和風(fēng)速都沒有什么大的變化。圖6給出了1064nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)2005年9月10日晚上在同一地點(diǎn)探測得到的徑向風(fēng)速的廓線。(udoqjph-h<

(udoqjph-h<5^10,2005^^氣J-415^10,2005^^氣J-41JlL<zl^21:“21:2TEast%d■AiLOSwindspeed(m/s)1*|6sows年g月io日探iS徑i句風(fēng)速的廊線該激光雷達(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?？梢钥闯鲞B續(xù)測量的3組數(shù)據(jù)趨勢基本一致，從2km至8km風(fēng)速變化不大，大氣相對運(yùn)動比較穩(wěn)定，大體呈現(xiàn)一個(gè)增加趨勢，在8km左右達(dá)到一個(gè)最大風(fēng)速約15m/s。8km以上，風(fēng)速呈現(xiàn)遞減趨勢。夜晚的探測距離可以達(dá)到9km。4結(jié)束語介紹了自行研制的1064nm直接探測多普勒測風(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)行對流層徑向風(fēng)速的初步探測，并取得了初步的測量結(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，夜晚的探測高度可以達(dá)到9km。它的成功研制為進(jìn)一步開展各領(lǐng)域內(nèi)測風(fēng)激光雷達(dá)的開發(fā)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)PaulIngmann,StatusoftheDopplerWindLidarProfilingMissionADM-Aeolus[],ESAReport,July,1999,SP-1233(4).Chanin,M.L.,A.Garnier,A.Hauchecorne,J.Porteneuve,ADopplerlidarformeasuringwindsinthemiddleatmosphere,Geophys.Res.Lett.，1989,16:1273-1276.McGill,M.J.,W.R.SkinnerandT.D.Irgang,ValidationofwindprofilesmeasuredusingincoherentDopplerlidar.Appl.Opt.,1997,36:1928-19