高龍,鄭偉,安超,陶宇亮,杜國(guó)軍
(中國(guó)空間技術(shù)研究院 北京空間機(jī)電研究所,北京 100194)
風(fēng)、濕、溫、壓是數(shù)值氣象模型的四大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-4],目前最缺乏的是高精度的中低空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在數(shù)值氣象預(yù)報(bào)、航空安全與飛機(jī)起降保障、風(fēng)電效率提升與風(fēng)場(chǎng)選址等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值[5]。傳統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量手段在時(shí)空分辨率、測(cè)量范圍、精度等方面都不能同時(shí)滿(mǎn)足需求。基于激光雷達(dá)技術(shù)的測(cè)量手段主要有相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、非相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、混合探測(cè)體制的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、自協(xié)方差體制的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、超導(dǎo)納米線(xiàn)頻率下轉(zhuǎn)換的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)等。其中,混合探測(cè)體制主要用于中高空風(fēng)場(chǎng)測(cè)量,其系統(tǒng)體積大,不易部署,并且在中低空風(fēng)場(chǎng)測(cè)量方面優(yōu)勢(shì)不明顯。自協(xié)方差體制的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)主要利用355 nm、532 nm 波長(zhǎng)[6],采用MZ 干涉儀作為風(fēng)場(chǎng)鑒頻器,該方式不受氣溶膠和大氣分子濃度的限制,同時(shí)可降低對(duì)激光頻率穩(wěn)定度的要求,但這種探測(cè)方式的激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜,技術(shù)成熟度低。另外,2019 年中科大完成的1 550 nm 單光子頻率上轉(zhuǎn)換激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)[7-8],可實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的信號(hào)測(cè)量,其獲取的風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分辨率較傳統(tǒng)模式提高了1 個(gè)數(shù)量級(jí),具有較大的應(yīng)用價(jià)值,以上技術(shù)手段都為中低空風(fēng)場(chǎng)測(cè)量提供了不同的技術(shù)手段。另外,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上也出現(xiàn)了多種相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品,其中,國(guó)外產(chǎn)品主要以美國(guó)windtracer、法國(guó)Windcube、英國(guó)ZephIR 等為主,國(guó)內(nèi)主要以敏視達(dá)、南京牧鐳、科工二院23 所等單位的為主。以上產(chǎn)品的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)高度基本都在3 km 以?xún)?nèi),風(fēng)速探測(cè)精度優(yōu)于1 m/s,但絕大多數(shù)產(chǎn)品都沒(méi)有針對(duì)于高低溫環(huán)境條件進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究設(shè)計(jì),這就降低了產(chǎn)品的可靠性。
本文研究的重點(diǎn)是基于傳統(tǒng)的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù),該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):1)風(fēng)速測(cè)量精度與垂直分辨率高、抗近地面雜波干擾性強(qiáng);2)無(wú)微波電磁輻射,也不受電磁場(chǎng)及聲場(chǎng)干擾;3)體積小,重量輕,功耗低,易部署[9]。針對(duì)常年高可靠觀測(cè)需求,在激光雷達(dá)總體方案設(shè)計(jì)中充分考慮了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的快速處理、系統(tǒng)熱控方案設(shè)計(jì)和相關(guān)仿真,最后通過(guò)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
中低空相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)分為激光雷達(dá)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制(包括風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)反演系統(tǒng))兩個(gè)分系統(tǒng)組成,如圖1 所示。激光雷達(dá)先后通過(guò)指令1 與指令2 控制激光發(fā)射機(jī)與掃描鏡頭向大氣當(dāng)中發(fā)射激光,激光與大氣中分布的顆粒物(氣溶膠等)進(jìn)行碰撞,產(chǎn)生包含有風(fēng)速多普勒頻移的回波信號(hào),回波信號(hào)被激光雷達(dá)接收,并經(jīng)由光電探測(cè)器進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和電子信號(hào)處理。最終,經(jīng)由計(jì)算機(jī)與風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)獲取空間風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分布信息,并輸出風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)[10]。
信噪比是相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)指標(biāo)體系中的核心指標(biāo)[11-12],其公式可表示為
式中:fSNR(t)為激光回波中頻信號(hào)信噪比;K(R)為大氣消光系數(shù);h為普朗克常數(shù);ν為激光頻率;B為探測(cè)帶寬;〈PLOD〉為本振光照射到探測(cè)器感光面上的平均功率;V(q1,p1)為大氣目標(biāo)上任意位置上的局部反射系數(shù);ET(q1,R,t-R/c)為激光發(fā)射信號(hào)在距離R處的激光反射功率;EBPLO(p1,R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)于探測(cè)器的互軛激光函數(shù),該函數(shù)是空間位置q與p的函數(shù)。當(dāng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光發(fā)射與激光接收光學(xué)匹配時(shí)[13-15],且激光脈沖信號(hào)較短時(shí),公式(1)可簡(jiǎn)化為
式中:ηQ為光電探測(cè)系統(tǒng)量子效率;UT為激光發(fā)射能量;β為大氣后向散射系數(shù);c為光速;τ為激光脈寬;D為光學(xué)鏡頭口徑;R為激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)激光作用距離;ρ為大氣橫向相干長(zhǎng)度;λ為激光工作波長(zhǎng);F為激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)焦距[16-17]。
按照系統(tǒng)探測(cè)高度、風(fēng)速精度與風(fēng)向精度等指標(biāo),同時(shí)結(jié)合公式(2)與速度誤差公式[18],仿真了速度誤差與高度、能量、重頻等指標(biāo)的關(guān)系,如圖2 所示。圖2(a)為速度誤差與海拔高度的關(guān)系,可看出,在重復(fù)頻率、鏡頭口徑等不變情況下,速度誤差隨海拔高度的增加逐漸變大。圖2(b)為速度誤差與脈沖能量的關(guān)系,可看出,在激光重復(fù)頻率、光學(xué)鏡頭口徑、探測(cè)距離等不變情況下,速度誤差隨脈沖能量的增加逐漸變小。圖2(c)表示光學(xué)鏡頭口徑與脈沖能量的關(guān)系,由圖2(c)可看出,在最遠(yuǎn)探測(cè)距離固定的情況下,激光雷達(dá)系統(tǒng)存在最優(yōu)光學(xué)鏡頭口徑窗口,在該窗口內(nèi),所需要的激光能量最低。圖2(d)可看出在不同激光發(fā)射頻率和探測(cè)距離下,風(fēng)速測(cè)量精度均優(yōu)于0.5 m/s。當(dāng)激光發(fā)射重復(fù)頻率固定時(shí),隨著探測(cè)距離的變大,風(fēng)速誤差越大。當(dāng)激光重復(fù)頻率增加時(shí),對(duì)于相同的探測(cè)距離,風(fēng)速誤差相應(yīng)減小。當(dāng)激光器的重復(fù)頻率為40 kHz時(shí),探測(cè)距離為3 km時(shí),風(fēng)速誤差優(yōu)于0.2 m/s,總結(jié)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。
表1 相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)Table 1 Parameters of coherent laser windfinding radar system
圖2 相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)速度誤差仿真圖Fig.2 Simulation diagram of velocity errors for coherent laser windfinding radar
如圖3(a)所示為相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)框圖,其主要過(guò)程是:激光發(fā)射光源用于產(chǎn)生發(fā)射到大氣中的單頻脈沖激光和用于外差混頻探測(cè)的本振連續(xù)激光。這兩路激光來(lái)自同一連續(xù)單頻主振蕩激光光源,以確保符合外差探測(cè)條件。主振激光由分束器分出的用于產(chǎn)生脈沖光的部分(圖3(a)中的①)首先經(jīng)過(guò)聲光頻移器(acoustic optical modulator,AOM)移頻,然后經(jīng)種子注入放大后得到大脈沖能量出射激光。AOM 產(chǎn)生的脈沖激光相對(duì)于主振激光的頻移用于在回波信號(hào)中判斷風(fēng)場(chǎng)多普勒頻移的正負(fù),進(jìn)而反演風(fēng)向。樣機(jī)整機(jī)模型如圖3(b)所示,主要包括激光發(fā)射、全光纖中繼光學(xué)、光學(xué)鏡頭、光電探測(cè)、數(shù)據(jù)采集、熱控模塊等。
圖3 相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)整機(jī)模型Fig.3 Whole-machine model of coherent laser windfinding radar
相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)激光源采用光纖種子激光器與光纖激光放大器組合的方式,實(shí)現(xiàn)單脈沖能量100 μJ 發(fā)射,其中在光纖種子激光器中包含了對(duì)激光中心頻率80 MHz 的聲光調(diào)制,該調(diào)制信號(hào)用于后續(xù)的風(fēng)向提取。為抑制100 μJ 激光信號(hào)產(chǎn)生的非線(xiàn)性效應(yīng)以及帶來(lái)的外差效率惡化,光纖放大器的輸出光纖采用大模場(chǎng)光纖。為保證在不同高度層的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量一致性,將種子激光器的外部TTL(transistor-transistor logic)信號(hào)作為放大器脈沖激光輸出的同步信號(hào)(如圖4(a)所示),該同步信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào),提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中,部分光學(xué)鏡面反射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生額外的中頻信號(hào),該干擾信號(hào)在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中要注意剔除(如見(jiàn)圖4(b)所示)。
光纖環(huán)形器與收發(fā)光學(xué)鏡頭(如圖5(a)所示)將大能量激光信號(hào)發(fā)射到大氣中,并對(duì)大氣回波信號(hào)進(jìn)行光學(xué)接收。光學(xué)鏡頭采用離軸兩反式,有效通光口徑80 mm,采用干涉儀對(duì)光學(xué)鏡頭系統(tǒng)波前差進(jìn)行測(cè)試,圖5(b)為波前圖,系統(tǒng)波前為0.048λ。光學(xué)鏡頭在實(shí)際工作中為豎直狀態(tài)模式,經(jīng)仿真計(jì)算,當(dāng)受到自身重力影響或者外部垂直向下應(yīng)力時(shí),其鏡間距變形量為375 nm,對(duì)系統(tǒng)波像差影響可以忽略,如圖5(c)所示。
圖5 光纖環(huán)形器與收發(fā)鏡頭設(shè)計(jì)Fig.5 Design of fiber circulator and transceiver lens
微弱激光信號(hào)探測(cè)采用雙平衡探測(cè)技術(shù),該技術(shù)手段具有靈敏度高、增益系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。探測(cè)器的飽和增益閾值低,通常在1 mW 以?xún)?nèi),因此在產(chǎn)品研制過(guò)程中,要防止信號(hào)過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致的器件損壞。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用在線(xiàn)采集與處理電路模塊,對(duì)3 km 以?xún)?nèi)的40 個(gè)高度層的風(fēng)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行高速地實(shí)時(shí)采集與處理,可實(shí)現(xiàn)1 s 以?xún)?nèi)1 000 次的回波中頻信號(hào)的處理累積。其主要的模塊組成圖如圖6 所示,主要由雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、存儲(chǔ)器和外部接口組成。
圖6 模塊組成框圖Fig.6 Block diagram of module composition
相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)控制電路板提供激光雷達(dá)所需激勵(lì)信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào),完成與遠(yuǎn)程PC 機(jī)和外設(shè)的通信接口。電路板通過(guò)運(yùn)放積分電路產(chǎn)生所需鋸齒波形,具備DA 輸出接口、TTL 信號(hào)輸出接口、CAN 等資源。驅(qū)動(dòng)電信號(hào)輸出類(lèi)型包括模擬觸發(fā)信號(hào)與數(shù)字觸發(fā)信號(hào)。模擬信號(hào)幅度1 V,半高寬300 ns~500 ns,重頻20 kHz。數(shù)字觸發(fā)信號(hào)為T(mén)TL 驅(qū)動(dòng)信號(hào),頻率20 kHz,占空比50%。
考慮到相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在戶(hù)外高低溫環(huán)境下(-25 ℃~40 ℃)的工作要求,根據(jù)熱分析計(jì)算的需要對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:1)忽略激光雷達(dá)內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)件對(duì)導(dǎo)熱、輻射的影響;2)將模型中的安裝螺釘、小凸臺(tái)等局部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理;3)對(duì)結(jié)構(gòu)中的倒角、微槽等微小幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,忽略其對(duì)傳熱的影響;4)創(chuàng)建一個(gè)激光雷達(dá)直徑10 倍的平面,設(shè)置定溫邊界模擬地面輻射,如圖7(a)所示;5)在測(cè)風(fēng)雷達(dá)外表面加載熱負(fù)載模擬太陽(yáng)輻射熱流;6)采用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式模擬外部對(duì)流換熱;7)忽略NB 自然對(duì)流的影響;8)將集熱板、電源模塊散熱器冷板當(dāng)做定溫邊界處理。最后,采用TD 軟件進(jìn)行仿真建模,如圖7(b)與圖7(c)所示。
圖7 熱仿真模型Fig.7 Thermal simulation model
3.5.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)熱仿真
熱分析中選用的材料參數(shù)如表2 所示,其中鋁材料為激光雷達(dá)主要結(jié)構(gòu)件材料,聚酯亞胺泡沫隔熱材料為激光雷達(dá)外罩內(nèi)的隔熱材料,不銹鋼為部分激光雷達(dá)底座及電源模塊材料,白漆為外罩涂覆層材料,玻璃鋼為外罩材料。
3.5.2 高溫仿真工況
白天太陽(yáng)直射條件,無(wú)風(fēng)情況,環(huán)境溫度40 ℃,地面溫度60 ℃,地點(diǎn)模擬在廣州的工況。這種條件屬于極度高溫天氣的情況,我們使用隔熱保溫材料隔絕外界熱流擾動(dòng)影響,使用單相流體回路液冷系統(tǒng)對(duì)各個(gè)內(nèi)熱源進(jìn)行散熱,同時(shí)使用半導(dǎo)體制冷器對(duì)溫度指標(biāo)要求較高的光電探測(cè)模塊進(jìn)行制冷控溫。仿真結(jié)果表明,圖8(a)為各熱源模塊在高溫環(huán)境下工作時(shí)的溫度分布云圖,由云圖可看出各個(gè)模塊的工作溫度范圍在41 ℃~46 ℃之間,滿(mǎn)足各熱源模塊的正常工作溫度范圍;圖8(b)為激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)鏡頭的被動(dòng)溫度范圍,其溫度范圍在46 ℃~48 ℃之間,雖然表面溫度分布不均勻,但都出于光學(xué)鏡頭的正常工作溫度范圍。
3.5.3 低溫仿真工況
夜晚無(wú)太陽(yáng)照射條件,風(fēng)速30 m/s,環(huán)境溫度-34 ℃,地面溫度-40 ℃,以上條件屬于極嚴(yán)寒天氣,系統(tǒng)采用加熱控溫回路對(duì)工作溫度要求較高的模塊組件進(jìn)行加熱補(bǔ)償,同時(shí)結(jié)合保溫措施,進(jìn)行熱控。仿真結(jié)果表明:在環(huán)境溫度-34 ℃天氣,激光雷達(dá)各組件均能滿(mǎn)足溫度指標(biāo)要求。此時(shí),半導(dǎo)體制冷器熱面連接的風(fēng)扇散熱器及電源模塊的散熱器均不工作。散熱器與空氣自然對(duì)流散熱。種子激光器、電機(jī)+光楔、光電探測(cè)模塊等設(shè)置加熱負(fù)載,仿真結(jié)果如圖9 所示。
圖9 低溫工況仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of low temperature conditions
如圖10 所示為相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行的室內(nèi)硬靶目標(biāo)試驗(yàn),圖10(a)為采集到的目標(biāo)拍頻信號(hào),其中最左側(cè)的信號(hào)為激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部基準(zhǔn)信號(hào),中間為水平方向的鏡面反射回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào),而最右側(cè)為硬靶目標(biāo)散射的中頻信號(hào),通過(guò)該試驗(yàn)驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)鏈路的正確性。圖10(b)為通過(guò)激光雷達(dá)自身的采集系統(tǒng)對(duì)散射目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行的采集,由該圖可得出,具有脈寬包絡(luò)信號(hào)的為激光雷達(dá)系統(tǒng)NB 的鏡面反射信號(hào)所產(chǎn)生的中頻信號(hào),而右側(cè)幅度較小的信號(hào)為硬靶目標(biāo)信號(hào),按照間隔時(shí)間差為2 μs 計(jì)算,硬靶目標(biāo)離激光雷達(dá)的距離為150 m,與實(shí)際距離符合。在實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量中,激光雷達(dá)輸出的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括:水平風(fēng)速(向)、徑向風(fēng)速、風(fēng)廓線(xiàn)、風(fēng)羽圖、風(fēng)速(向)誤差等。
圖10 室內(nèi)硬靶目標(biāo)試驗(yàn)Fig.10 Experiments of indoor hard targets
如圖11 所示為激光雷達(dá)在大氣探測(cè)試驗(yàn)基地的風(fēng)速(風(fēng)向)測(cè)量結(jié)果與探空氣球的比對(duì)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2022 年8 月份,期間的最高溫度為38 ℃,地面實(shí)際溫度為40 ℃。由于激光雷達(dá)的垂直分辨率為100 m,而探空氣球垂直分辨率為6 m~8 m,因此由探空氣球獲取的大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)比激光雷達(dá)數(shù)據(jù)要多。圖11 所示為0~3 km 范圍內(nèi)的對(duì)比結(jié)果,數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示激光雷達(dá)的風(fēng)速測(cè)量精度優(yōu)于0.7 m/s(見(jiàn)圖11(a)),風(fēng)向測(cè)量精度優(yōu)于±5°(見(jiàn)圖11(b)),滿(mǎn)足探測(cè)指標(biāo)需求。
圖11 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of calibration experiments
本文完成了1.5 μm 高可靠中低空相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)研制,該系統(tǒng)采用全光纖激光收發(fā)鏈路,具有系統(tǒng)集成度高、小型化、重量輕等優(yōu)點(diǎn);采用高可靠雙通數(shù)據(jù)采集與處理模塊,實(shí)現(xiàn)了激光回波信號(hào)高速高可靠的數(shù)據(jù)采集與處理,實(shí)現(xiàn)3 km 內(nèi)40 個(gè)高度層風(fēng)速數(shù)據(jù)的秒級(jí)時(shí)間間隔的獲取;研制了用于風(fēng)場(chǎng)廓線(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品反演軟件,具有可視化程度高、易于判讀和多領(lǐng)域應(yīng)用等特點(diǎn)。創(chuàng)新點(diǎn)主要有:1)針對(duì)于激光源模塊無(wú)外部觸發(fā)的固有缺陷,從激光雷達(dá)系統(tǒng)綜合控制電路板引出同步觸發(fā)信號(hào),該信號(hào)作為風(fēng)場(chǎng)探測(cè)及風(fēng)場(chǎng)廓線(xiàn)高度反演的同步基準(zhǔn)參考信號(hào),提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性;2)采用雙通道數(shù)據(jù)采集與在線(xiàn)快速傅里葉(FFT)頻譜變換、譜矩分析等,實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的快速可靠處理;3)針對(duì)戶(hù)外高低溫應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn),根據(jù)激光雷達(dá)各個(gè)系統(tǒng)組成的熱源模塊,進(jìn)行了熱控方案一體化設(shè)計(jì),通過(guò)加熱控溫回路與單相流體回路液冷系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)高低溫溫度環(huán)境的適應(yīng)性,研制完成的熱控與制冷模塊可以滿(mǎn)足高低溫環(huán)境(-25℃~40℃)使用要求。最后,通過(guò)戶(hù)外實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果表明,該激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)探測(cè)高度3 km,風(fēng)速精度0.36 m/s,風(fēng)向精度優(yōu)于±5°,綜合驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)在戶(hù)外使用的可靠性。