1 中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088
2 孔径阵列与空间应用安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088
3 中国人民解放军93209部队
为了实现全天时、高分辨率三维成像探测，文中提出了一种工作波长为1064 nm的光子计数激光雷达系统。其中，光学系统采用全光纤结构，增强了系统稳定性。雷达通过整机扫描方式对远距离目标进行成像探测，扩大扫描视场，水平方向达到360°，俯仰方向达到±30°，同时避免了由摆镜扫描引起的几何畸变；结合亚像素扫描方法，提高空间分辨率。最后通过自适应噪声阈值的多距离重建算法实现了目标的三维重建。实验结果表明，此系统在白天成功实现了3.1 km以外目标的三维重建，重建图像目标特征清晰，距离精度为0.11 m，空间分辨率为0.11 m，超过光学系统衍射极限。
激光雷达 光子计数 三维成像 全光纤 高分辨率 Lidar photon-counting 3D imaging all-fiber high-resolution 红外与激光工程
2021, 50(7): 20210162
1 合肥师范学院 物理与材料工程学院， 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学 地球和空间科学学院， 安徽 合肥 230031
为实现风力发电机迎风信息的精确测量，采用连续波相干探测技术，设计了针对风力发电机偏航控制需求的激光测风系统。该系统的扫描装置中由直驱电机带动15°顶角楔形镜旋转实现激光对大气的圆锥扫描，设置扫描一圈用时为15 s，每圈采样点数为30个，利用正弦拟合方法反演风力发电机前方的风场信息。将激光测风系统安装在深圳市气象观测梯度塔下，与塔上超声波风速仪进行了对比测风试验。经过数据分析，水平风速相关系数达0.98，标准差为0.22 m/s，风向相关系数达0.97，标准差为3.04°，表明所设计的激光测风系统性能优良，工作稳定可靠，能够为风力发电机提供精确风场参数，提高风能的利用效率。
测风 风力发电机 相干探测 偏航控制 wind measurement wind turbine coherence detection yaw control 红外与激光工程
2020, 49(8): 20200228
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 物理与电子工程系，安徽 合肥 230601
一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统，于2014年至2016年先后在山西忻州（38.42°N 112.72°E）和甘肃酒泉（39.74°N 98.49°E）地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明：18~25 km范围内，酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构，并伴有明显的上下浮动现象，该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐（42.1°N 87.1°E）多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为：由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期，中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动；2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。
多普勒激光雷达 直接探测 平流层 准零风层 Doppler lidar direct detection stratosphere quasi-zero wind layer 红外与激光工程
2020, 49(3): 0305004
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
白天太阳光背景辐射严重降低雷达系统的信噪比, 从而影响探测高度和精度。为实现对中高层大气相关参数的全天时测量, 利用Nd:YAG激光器产生的355 nm激光束作为光源, 研制了用于全天时的超窄带滤光器。从原理出发, 利用FP标准具透过率曲线单支具有超窄带宽的特性, 设计了一款用于进行白天观测的级联式超窄带滤光器; 给出了该超窄带滤光器近似透过率函数形式, 定义了滤光器性能评价函数, 给出了设计方法; 通过定义的滤光器性能评价函数, 对超窄带滤光器主要参数进行了优化设计, 给出了各光学部件具体参数, 给出了超窄带滤光器的信噪比提升效果; 最后, 通过具体实验对各标准具及级联状态下的系统透过率进行了标定, 经曲线拟合表现出较好的一致性。
激光雷达 滤光器 法布里-珀罗标准具 超窄带 lidar filter Fabry-Perot etalon ultra-narrow 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205003
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
为实现近距离风场的精确实时观测, 基于连续相干探测技术, 选取人眼安全的1.55 μm为工作波长, 设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性, 望远镜采用同轴透射式结构, 有效口径为70 mm, 测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号, 并设计了谱质心算法估计径向风速, 提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明, 所设计激光风速仪输出信号稳定, 时间分辨率为1 s, 风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验, 两设备测得风速数据相关系数为0.997, 标准差为0.090 m/s, 最大相差0.480 m/s。
遥感 风速仪 连续激光 相干探测 remote sensing anemometer continuous wave laser coherence detection 红外与激光工程
2019, 48(12): 1203008
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备, 可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 μm波段, 望远镜直径50 mm, 时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比, 验证了系统测量距离达到5 km。之后, 通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980, 标准差为0.235 m/s, 风向数据相关系数达0.993, 标准差为3.105°。表明该相干激光雷达具有优良的性能, 可以应用于大气边界层内的风场探测。
相干激光雷达 载噪比 风场测量 光学效率 coherent lidar CNR wind measurement optical efficiency 红外与激光工程
2019, 48(11): 1105006
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国人民解放军陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
分别利用高斯拟合估计算法(Gaussian fitting estimation algorithm, 以下简称Gauss估计算法)和最大似然(Maximum Likelihood, ML) 离散谱峰值(Discrete Spectral Peak, DSP)估计算法(ML DSP)处理实测回波信号, 计算得到风速扰动的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系, 比较不同距离门下的PSD, 采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数, 分析比较不同距离情况下风速误差, 并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明: 在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法, 二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域, 两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上, Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法, 说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。
相干激光雷达 风速估计 最大似然估计 高斯拟合 coherent lidar wind velocity estimation maximum likelihood estimator Gaussian fitting 红外与激光工程
2018, 47(12): 1230006
1 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国人民解放军陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
3 合肥师范学院, 安徽 合肥 230601
对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件, 这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍, 并且展示了位于中国酒泉(39.741°N, 98.495°E), 垂直高度范围在15~60 km, 自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中, 对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后, 发现重力波波动非常明显, 这些波动的波长范围主要集中在3~6 km, 而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。
瑞利多普勒雷达 风场测量 重力波 风速扰动分析 Rayleigh Doppler lidar wind measurements gravity waves wind perturbation analysis 红外与激光工程
2018, 47(9): 0930002
1 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力, 吸引了多国学者的关注, 并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功, 出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz, 而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽, 会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选, 有效降低了风速测量误差, 提高测风准确度。
遥感 激光雷达 多普勒测风 脉冲筛选电路 remote sensing lidar Doppler winds pulse screening circuit 红外与激光工程
2018, 47(2): 0230001
1 中国科学技术大学地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
提出了一种能在高海拔区域工作的相干光路的直接探测多普勒激光雷达系统。系统设计借鉴了相干测风激光雷达系统的光路, 利用大气分子散射光进行风速测量, 采用偏振分光棱镜和1/4波片组成光开关, 配合收发合置的望远镜, 简化了直接探测系统的光路, 提高了光路稳定性; 采用腔长固定式的标准具, 脉冲激光器波长为可调谐, 经优化, 调谐范围约10 GHz, 完成了系统的仿真设计和设备选型工作。
遥感 激光雷达 可调谐激光器 法布里-珀罗干涉仪 中国激光
2017, 44(10): 1010005
