基于法布里-珀罗干涉仪多普勒测风激光雷达径向风速漂移研究

基于法布里-珀罗干涉仪的多普勒测风激光雷达可以实现从对流层到中层大气的高时空分辨率风场探测。然而,实际风场观测时,反演出的径向风速总会存在一个偏差,需要外部的参考风场来消除。从理论出发,分析了出现偏差的原因,得出主要影响因素是法布里-珀罗干涉仪和种子激光器的环境温度。随后对该温度的影响进行了实验研究。通过分别对种子激光器和法布里-珀罗干涉仪环境温度的精确控制,测量激光通过已标定的法布里-珀罗干涉仪的透过率来监测相对频率的漂移与温度之间的关系。实验结果表明,环境温度会影响频率漂移,理论上,对于355 nm测风激光雷达系统,控制1 m/s的径向风速漂移,种子激光器环境温度引起的频率漂移系数为1650 MHz/K,温度控制的精度须小于0.004 K;法布里-珀罗干涉仪环境的温度引起的频率漂移系数为799 MHz/K,温度控制的精度须小于0.007 K。     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的飞秒激光光丝NaCl气溶胶荧光光谱探测

设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件(CCD)相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体(ICMOS)相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10^-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。     

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术EI北大核心CSCD

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。     

基于光纤开放式法布里-珀罗干涉仪的液体折射率测量

法布里-珀罗(F-P)干涉仪结构的光纤传感器因其结构简单、体积小、高灵敏度等优点得到了广泛的应用,开放式法布里-珀罗干涉仪传感器可对待测液体的折射率进行测量。利用机械切割、飞秒激光击穿等方法可以制成开放式法布里-珀罗干涉仪。利用玻璃焊剂将开放的空心毛细管和两段单模光纤焊接在一起,制成开放式法布里-珀罗干涉仪传感器,并采用交叉相关的信号处理技术实现对待测液体折射率的绝对测量。采用不同浓度的氯化钠溶液进行折射率测量实验,折射率测量分辨率可达到10~(-5) RIU量级,传感器的温度灵敏度为39.59nm/℃。     

基于Fizeau干涉仪的大气多普勒频移检测技术

研究了基于激光条纹成像的风速测量技术,根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计,得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm,平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明,在20 m J、100 Hz重复频率和接收口径200 mm条件下,风速测量误差为1 m/s,探测高度为17.8 km。     

模式匹配对光学谐振腔透射精细度的影响

法布里-珀罗扫描干涉仪具有很高的光谱分辨本领，具有广泛的用途．它可以用作光谱仪观测激光器的输出模式，可以作为鉴频器与稳频电路配合稳定激光频率，还可以利用它的透射谱线来测量谐振腔镜的反射率等光学参数．一般用作光谱仪和鉴频器的法布里-珀罗干涉仪均选用共焦谐振腔，而作为一种测量手段时，谐振腔则可能是任意的非对称谐振腔，由于扫描干涉仪是通过对其透射谱线的观察来工作的，透射谱线的精细度直接影响扫描干涉仪的应用效果．虽然从理论上共焦谐振腔对任意的高斯光束均可以实现自再现，不存在模式匹配问题，但由于共焦腔长L一…     

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器

设计一套测量大气风场的多普勒激光雷达系统,以种子注入的单频、高重频、脉冲紫外全固态激光器为发射光源,采用两种直接探测技术获取高低空大气风场。基于费索干涉仪（Fizeau）的条纹图像技术获取边界层和低对流层大气风场,基于双法布里珀罗干涉仪（DFP）的双边缘检测技术获取高对流层和低平流层风场。研制的单频全固态激光器输出100 Hz、30 mJ的单纵模脉冲激光,输出线宽达到傅里叶转换极限。报道了测量原理和数值模拟结果、实验样机和系统技术参数。系统将用于移动式高低空大气风场测量。     

基于Mach-Zehnder干涉仪条纹成像技术的多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot（F-P）干涉仪、Fizeau干涉仪,Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷达探测范围较小,探测灵敏度的非线性的问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演,得到风速值与理论结果基本一致。     

瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/（m·s-1）;40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。     

基于Fabry-Perot标准具分子测风激光雷达接收机的研制

为了研究平流层大气风场,介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。基于测量误差最小和消除气溶胶的影响设计了标准具的参量。设计了分子测风激光雷达接收机,该接收机结构紧凑,可以灵活便捷地放置在机架上。并将本接收机用于分子测风激光雷达系统中进行了标准具透过率的测量和风廓线的初步测量。结果表明,标准具透过率曲线测量的结果和设计的大体一致,速率灵敏度较设计的略微下降,风廓线趋势和美国Goddard系统所测量的大体一致,这说明本系统光学接收机能够完成分子的多普勒风速测量。     

测风激光雷达鉴频器的性能研究

F-P标准具作为测风激光雷达Rayleigh通道的鉴频器,其性能决定了测风精度和测风激光雷达的性能,F-P标准具通过将频率变化转化为能量变化来进行鉴频,不同频率的回波信号具有不同的透过率,但标准具的透过率受到诸多因素的影响,文章从Airy曲线出发,研究了不同因素对标准具透过率的影响,峰值透过率随不同因素的变化规律和变化速率,为测风激光雷达的仿真、设计和研究仪器测量误差提供参数依据。     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

基于Fizeau干涉仪的激光风速测量技术

设计和讨论了一种利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理。该系统采用Fizeau干涉仪进行信号频谱分析 ,形成的梳状干涉图案强度分布可以通过线列CCD探测器测定 ,其重心位置决定信号的多普勒频移量或径向风速。利用Monte Carlo方法模拟计算了该系统的测量精度 ,结果表明 ,在 90 %的光子数探测几率下 ,多普勒测量精度约是单个CCD探测通道谱宽的 10 % ;激光雷达系统风速测量的精度在垂直高度 2km内优于 2m/s。     

瑞利测风激光雷达夜间准零风层观测结果分析

一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成,该雷达使用双边缘技术,设计探测高度10~40 km,距离分辨率分别为100 m(20 km高度以下)和500 m(20 km高度以上)。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区(42.1N,87.1E)进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构,给出了几组夜间典型的风场数据,根据观测结果得出:准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化,而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势,并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km,最小值则仅有约2~3 km。分析认为:准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关,同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同,导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化,从而引起准零风层厚度变化。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数,给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法,详细推导了三维风场的计算公式,给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下,水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果,结果表明,采用该方法测量大气风场是切实可行的。