李 強(qiáng)

（連云港師范高等?？茖W(xué)校 物理系，江蘇 連云港222001）

0 引言

大氣風(fēng)場(chǎng)是氣象學(xué)研究、氣候研究和大氣科學(xué)中最重要的參數(shù)之一。 高精度、高分辨率的全球大氣風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)在氣象研究、天氣預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和國(guó)防高技術(shù)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)的氣象保障、靶場(chǎng)氣象條件檢測(cè)等方面都具有廣泛的應(yīng)用。 與其它風(fēng)場(chǎng)測(cè)量手段相比，直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全球范圍的三維風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行高精度、高時(shí)空分辨率探測(cè)的工具。 而基于Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具的雙邊緣技術(shù)是迄今最成熟、最有效的直接多普勒探測(cè)方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)從地面到平流層范圍的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。

1 多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)概述

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)屬于主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，它向大氣發(fā)射激光脈沖并測(cè)量不同高度上返回信號(hào)的多普勒頻移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)。 多普勒頻移是散射物體沿激光雷達(dá)徑向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，對(duì)應(yīng)于測(cè)量體積的平均速度。 測(cè)量體積是由最大積分長(zhǎng)度、高度分辨率和激光束寬度決定，并沿預(yù)定的不同方向上交替地連續(xù)測(cè)量。

激光雷達(dá)探測(cè)的回波信號(hào)主要來(lái)自于大粒子的米散射和大氣分子的瑞利散射。 對(duì)于米后向散射，多普勒頻移光的散射譜近似等于發(fā)射激光的頻譜， 只是由于在測(cè)量體積內(nèi)風(fēng)的變化會(huì)有略微的展寬；對(duì)于分子散射，空氣分子的布朗運(yùn)動(dòng)是主要的散射譜展寬原因，其寬度相當(dāng)于風(fēng)速為幾百米/秒的多譜勒頻移， 因此平均空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移只占譜寬的一個(gè)非常小的部分，這比氣溶膠散射小很多。 所以在相同徑向速度情況下分子散射需要更大的信號(hào)，但是分子散射信號(hào)與氣溶膠散射相比波長(zhǎng)依賴關(guān)系不同。分子散射與波長(zhǎng)的四次方的倒數(shù)成正比， 而氣溶膠散射則近似與波長(zhǎng)的1.3 次方的倒數(shù)成正比，所以分子散射在短波長(zhǎng)有較大的信號(hào)強(qiáng)度，而氣溶膠散射則在長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)較強(qiáng)。

氣溶膠散射的信號(hào)強(qiáng)度取決于氣溶膠的密度， 對(duì)于不同地區(qū)、不同高度和時(shí)間，其變化范圍相當(dāng)大。 氣溶膠主要集中在對(duì)流層低于4公里范圍，并在對(duì)流層之上減小。因此，基于氣溶膠后向散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)不能測(cè)量高垂直高度的參數(shù)。 與米散射信號(hào)相反，在清潔大氣條件下的分子后向散射信號(hào)只微弱地依賴氣溶膠衰減且隨高度只有很小變化，這樣可以測(cè)量的垂直高度可以到達(dá)20 公里以上。利用這種米散射和瑞利散射接收信號(hào)互補(bǔ)的特點(diǎn)將可以得到整個(gè)高度范圍精確的速度測(cè)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的基本單元包括二維掃描系統(tǒng)、激光發(fā)射單元、接收光學(xué)單元、信號(hào)探測(cè)和采集單元和運(yùn)行控制單元五部分組成。

2.1 二維光學(xué)掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)由兩塊大口徑發(fā)射鏡組成，有效通光孔徑為300mm。 它可以在水平0°～360°和豎直0°～180°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 主要用來(lái)改變發(fā)射激光的方位，即激光雷達(dá)的測(cè)量方向，并用來(lái)收集激光的大氣后向散射光。

2.2 激光發(fā)射單元

激光器為燈泵調(diào)Q Nd:YAG 激光器， 帶有1064nm 種子光注入穩(wěn)頻。 它采用一級(jí)震蕩和一級(jí)放大結(jié)構(gòu)，輸出波長(zhǎng)為1064nm，單脈沖能量最大為500mJ，脈沖寬度7～9ns 光束發(fā)散角為0.5mrad，重復(fù)頻率為50Hz。 激光發(fā)射與望遠(yuǎn)鏡接收是采用同軸光學(xué)系統(tǒng)。 該激光器安裝在光學(xué)平臺(tái)上，激光器輸出的激光光束通過(guò)導(dǎo)光單元導(dǎo)入至固定在接收望遠(yuǎn)鏡光軸上的一塊45°反射鏡反射到二維掃描系統(tǒng)中，再由二維掃描系統(tǒng)反射到大氣中。

2.3 接收光學(xué)單元

接收光學(xué)單元由接收望遠(yuǎn)鏡和后繼光學(xué)單元組成。接收望遠(yuǎn)鏡采用拋物面聚焦反射鏡，有效口徑為300mm，焦距為665mm。 接收視場(chǎng)為0.15mrad，誤差為0.02mrad。 由二維掃描系統(tǒng)收集的大氣后向散射光輸至望遠(yuǎn)鏡，由望遠(yuǎn)鏡匯聚到接收光纖的端面上，再由光纖導(dǎo)入后繼光學(xué)單元。

后繼光學(xué)單元主要由準(zhǔn)直系統(tǒng)，F(xiàn)abry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具和聚焦系統(tǒng)組成。 因?yàn)闇?zhǔn)直系統(tǒng)光源為耦合光纖，其芯徑為0.105mm，數(shù)值孔徑為0.22，且經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的光入射到Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具上的光束發(fā)散角要小于1mrad，所以準(zhǔn)直系統(tǒng)采用非球面透鏡校正相差，并可調(diào)諧，以使光束發(fā)散角能小于1mrad。 分束片將經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的光束約20%的能量反射到能量探測(cè)通道，約80%的光透過(guò)并入射到標(biāo)準(zhǔn)具上。 由于光子計(jì)數(shù)器亦采用光纖接收， 所以聚焦系統(tǒng)也采用非球面透鏡組來(lái)匯聚光斑。

雙Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具是這臺(tái)激光雷達(dá)的關(guān)鍵器件， 它直接用于分析氣溶膠散射的信號(hào)的多譜勒頻移。在一對(duì)基板上通過(guò)鍍膜或沉積的方式形成面積和大小相同的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具，根據(jù)鍍膜的厚度不同可以形成兩個(gè)頻譜中心分離的標(biāo)準(zhǔn)具，形成透過(guò)率曲線的交疊。 由于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具固定在一個(gè)基板上，這樣兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具中心頻率的相對(duì)位置由于溫度的漂移變化相同，于是可以保證干涉儀的頻譜中心間隔恒定。 在輸出端可以利用三角棱鏡的方式分別將出射光束聚焦到對(duì)應(yīng)的探測(cè)器上。 標(biāo)準(zhǔn)具是采用IC Optical Systems Ltd 公司生產(chǎn)的可調(diào)諧式標(biāo)準(zhǔn)具，自帶精密的溫度控制器。 用監(jiān)測(cè)回路控制標(biāo)準(zhǔn)具的PZT 可調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的間隔，確保激光發(fā)射頻率控制在兩個(gè)干涉儀頻譜間的交叉中心附近。

用于頻率分析的標(biāo)準(zhǔn)具的分辨率與普通的干涉濾光片的要求不同，一般要求干涉儀的間隔穩(wěn)定（溫度和震動(dòng)控制）、平面度高（PV 值約為λ/100 以上），尤其要精確控制鍍膜的厚度，使兩個(gè)干涉儀的頻譜中心間隔滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 信號(hào)探測(cè)和采集單元

信號(hào)探測(cè)和采集單元的主要功能是對(duì)能量和信號(hào)通道進(jìn)行光電探測(cè)以及信號(hào)的采集。 其主要部件有單光子計(jì)數(shù)雪崩管和采集卡組成。 光子探測(cè)器是PerkinElmer 公司的SPCM-AQ4C 型號(hào)的4 通道單光子探測(cè)器，它采用光纖耦合，4 通道各自獨(dú)立。 工作溫度為22 °C，低壓輸入 （2V、5V 和30V），TTL 電平輸出， 暗計(jì)數(shù)每通道最大值為500Counts/sec。 采集卡采用FAST ComTec GmbH 公司的MCA-3 P7882 型PCI 插槽卡，采樣精度32bit，采樣速率200MHz。

2.5 運(yùn)行控制單元

運(yùn)行控制單元的功能是保證激光發(fā)射、回波信號(hào)探測(cè)、數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲(chǔ)協(xié)調(diào)一致地工作。整個(gè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作過(guò)程是在運(yùn)行控制程序的指令下完成的。運(yùn)行控制單元包括二維掃描系統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如掃描俯仰角，方位角及進(jìn)行連續(xù)掃描等）、標(biāo)準(zhǔn)具的控制系統(tǒng)、光子探測(cè)器的門控裝置、信號(hào)脈沖延遲發(fā)生器、工控機(jī)和數(shù)據(jù)的采集、處理、風(fēng)速的反演及圖像顯示等運(yùn)行控制軟件。

3 測(cè)量原理

使用高分辨率的雙通道Fabry-Perot 標(biāo)準(zhǔn)具可以實(shí)現(xiàn)基于雙邊緣技術(shù)的大氣風(fēng)場(chǎng)直接探測(cè)。出射激光束以設(shè)定的方位指向大氣被探測(cè)區(qū)域，大氣風(fēng)場(chǎng)使得大氣氣溶膠粒子和大氣分子整體移動(dòng)，從而得到發(fā)生多普勒頻移的大氣回波信號(hào)。

可以由下式直接得到徑向風(fēng)速：

式中，V 是徑向風(fēng)速，λ 是激光波長(zhǎng)，△v 是多普勒頻移。激光脈沖以高重復(fù)頻率（50Hz）發(fā)射，在經(jīng)過(guò)一系列脈沖發(fā)射后進(jìn)行平均可以減小探測(cè)噪聲。激光掃描裝置可以沿預(yù)先選定的4 個(gè)正交方向分量交替發(fā)射測(cè)量，在每個(gè)方向上信號(hào)采樣過(guò)程中方位固定以減小由于連續(xù)掃描帶來(lái)的方位改變引起的速度誤差。

兩個(gè)頻譜分布相同而中心分離的F-P 標(biāo)準(zhǔn)具譜在相對(duì)透過(guò)率為約50%處交疊，如果發(fā)射激光的頻率位于它們的交叉處，則兩個(gè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號(hào)相同；接收的頻移散射光信號(hào)相對(duì)于發(fā)射激光會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻移，這時(shí)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號(hào)不同，根據(jù)這兩個(gè)光信號(hào)差異的大小可以確定多普勒頻移量。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)具的輸出光信號(hào)為Ii，其計(jì)算式為：

其中，i=1,2 表示通道數(shù)，I0i表示入射到每個(gè)F-P 標(biāo)準(zhǔn)具的米散射光信號(hào)。實(shí)際測(cè)量中，接收到的大氣后向散射信號(hào)不僅包含米（或氣溶膠）散射信號(hào)，還有瑞利（或分子）散射信號(hào)，但由于瑞利散射譜很寬，在多普勒頻移的范圍內(nèi)近似不變，可以作為背景光扣除，則多普勒頻移只引起氣溶膠（或米）散射光輸出信號(hào)的變化。定義兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具輸出光信號(hào)的比值為：

式中的R（v）和R（vL）分別是接收光和參考光透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具兩個(gè)通道信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度的比值，R-1為R 的反函數(shù)。

定義R 的多普勒靈敏度為：

由于，

則

上式分別是單標(biāo)準(zhǔn)具下各自的多普勒頻率靈敏度。由于分別利用兩個(gè)F-P 干涉儀的不同側(cè)邊緣（斜率符號(hào)相反），由(5)和(6)式得：

或

則系統(tǒng)的理論誤差可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行估算。

4 結(jié)束語(yǔ)

非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是可探測(cè)晴空風(fēng)場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的工具，對(duì)于天氣預(yù)報(bào)、大氣動(dòng)力學(xué)研究、航空安全預(yù)警和國(guó)防等都有非常重要的意義和顯著的應(yīng)用前景。

同時(shí)，面向氣象應(yīng)用的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制，也將為我國(guó)星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。本文分析了激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的原理以及雙邊緣理論，推導(dǎo)了雷達(dá)徑向風(fēng)速的反演方法，并針對(duì)測(cè)風(fēng)雷達(dá)的靈敏度進(jìn)行了分析和估算。 通過(guò)系統(tǒng)仿真選取合適的參數(shù)，可以進(jìn)行風(fēng)速誤差模擬。 模擬結(jié)果表明，測(cè)速為50m/s 以內(nèi)，探測(cè)高度在10km 以下時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量誤差小于1m/s。該風(fēng)速誤差范圍可以滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。