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 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 亳州 233527
4 北京遥测技术研究所，北京 100076
星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息，已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道，设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机，结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数，对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求，接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中，内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内，整体结构稳定可靠，集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线，对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真，仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响，分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时，会引起1 m/s的风速误差增量。
星载激光雷达 法布里-珀罗标准具 多普勒测风 双边缘检测 spaceborne lidar Fabry-Perot etalon Doppler wind measurement dual edge detection 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210831
针对实现光纤布拉格光栅(FBG)传感器波长解调问题，提出将两个法布里-珀罗腔作为双边缘滤波器解调系统的方案。由于被反射的传感信号通过这两个光谱特征不同的滤波器时会产生不同程度的光强，所以可以利用两支路光强比值的对数算法来得到被测光的波长。最后通过计算和仿真验证了此系统能够较好地实现FBG信号的解调，仿真结果表明，系统的精度较高，线性度理想，而且系统在解调时不存在机械移动，因而测量速度更快，运行更稳定。
双边缘滤波 法布里-珀罗腔 光纤布拉格光栅 解调 double-edged filter Fabry-Perot cavity FBG demodulation
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048
基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.
激光雷达 多普勒测风 数值仿真 光纤Mach-Zehnder干涉仪 双边缘检测技术 风速反演 鉴频系统 Lidar Doppler wind measurement Numerical simulation Optical fiber Mach-Zehnder interferometer Double-edge technique Wind velocity retrieval Frequency discriminator system
1 中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学中国科学院临近空间重点实验室, 安徽 合肥 230026
研制了应用于中高层大气(15~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)的双模式数据获取系统(DMDAQ)。该系统技术指标达到国际先进水平，不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探测范围大、时空分辨率高的技术要求，而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载DWL 研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数据获取系统的性能，进行了风场观测对比实验。结果显示，车载DWL 系统对风场观测的结果与气球探测结果在重叠区域(15~35 km)上基本一致。同时，对车载DWL 系统的实时回波信号分析显示，在60 km 探测高度上的风速测量精度为6 m/s。
遥感 测风激光雷达 双边缘技术 数据获取 大动态范围
中国海洋大学海洋遥感研究所, 山东 青岛 266003
模拟了基于355 nm波长双边缘 Fabry-Perot(FP)鉴频器和基于532 nm波长碘分子鉴频器的 星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、 探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差, 以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0～5 km高度范围, 532 nm碘分子鉴频器系统 测风误差低于355 nm 双边缘FP系统,而对于距地面5 km以上大气范围, FP系统风速误差比碘分子 鉴频器系统低25%。
大气光学 鉴频器比较 激光雷达 碘分子鉴频器 双边缘FP鉴频器 atmospheric optics filter comparison lidar iodine filter double-edge Fabry-Perot filter
中国科学院 上海光学精密机械研究所 上海市全固态激光器与应用技术重点实验室,上海 201800
根据瑞利散射双边缘技术测风原理,模拟仿真了不同大气温度下直接探测多普勒激光测风雷达的响应函数曲线,分析了大气温度对风速测量的影响。仿真结果表明,对不同的大气温度,系统有不同的响应曲线,同时风速越大,大气温度对风速测量的影响也越大。因此在系统设计中,需要根据最大风速和风速精度要求,确定所需大气温度分布精度,在风速反演中进行温度校正。通过数值仿真的方法,获得了在不同风速和大气温度下温度误差导致的风速误差估算公式。
激光技术 多普勒激光测风雷达 双边缘 瑞利散射 温度校正
Author Affiliations
Abstract
1 Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2 Computer Department, Anhui Finance and Trade Vocational College, Hefei 230031, China
3 School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230031, China
4 Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon, 305-353 Korea
We describe a mobile molecular Doppler wind lidar (DWL) based on double-edge technique for wind measurement of altitudes ranging from 10 to 40 km. A triple Fabry-Perot etalon is employed as a frequency discriminator to determine the Doppler shift proportional to the wind velocity. The lidar operates at 355 nm with a 45-cm-aperture telescope and a matching azimuth-over-elevation scanner that provides full hemispherical pointing. To guarantee wind accuracy, a single servo loop is used to monitor the outgoing laser frequency to remove inaccuracies due to the frequency drift of the laser or the etalon. The standard deviation of the outgoing laser frequency drift is 6.18 MHz and the corresponding velocity error is 1.11 m/s. The wind profiles measured by the DWL are in good agreement with the results of the wind profile radar (WPR). Evaluation is achieved by comparing at altitudes from 2 to 8 km. The relative error of horizontal wind speed is from 0.8 to 1.8 m/s in the compared ranges. The wind accuracy is less than 6 m/s at 40 km and 3 m/s at 10 km.
多普勒测风激光雷达 双边缘技术 法布里-泊罗标准具 瑞利散射 风场 120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 140.0140 Lasers and laser optics 280.0280 Remote sensing and sensors Chinese Optics Letters
2010, 8(8): 726
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所,哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 控制与仿真中心,哈尔滨 150001
3 宜春学院 理工学院,宜春 336000
提出一种双边缘测风激光雷达法布里-珀罗(F-P)干涉仪鉴频器的非线性比例-积分-微分(PID)控制方法。该方法利用发射激光在鉴频器校正通道的透过率作反馈进行F-P干涉仪鉴频器的稳定控制。首先给出F-P干涉仪鉴频器透过率的控制模型,由气压波动、温度变化和振动等引起的外界扰动被等效为施加在致动压电陶瓷上的扰动外力。为了进行扰动补偿,用新增的反正切函数设计了非线性PID控制器,提高了经典PID控制方法的反馈增益。仿真结果显示,与经典的PID控制相比,新的非线性控制方法可以使F-P干涉仪鉴频器在更短的时间达到稳定状态,并且稳态误差约减小到原来的1/20。
测风激光雷达 双边缘技术 鉴频器 非线性比例-积分-微分控制 压电陶瓷 lidar double-edge technique frequency discriminator nonlinear proportional-integral-derivative control piezoelectric ceramics
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 和空间科学学院,安徽 合肥 230026
3 韩国原子能研究所 量子光学实验室,韩国 大田
研制了用于瑞利散射多普勒激光雷达的三通道法布里珀罗(Fabry-Prot)标准具,采用He-Ne激光对其进行检测,利用产生的干涉图案检测了两个边缘通道的厚度差为74.70±2.24 nm,对应频谱间隔为5.05±0.07 GHz;锁定通道与其中一个边缘通道的厚度差为27.16±1.90 nm,对应频谱间隔为1.79±0.07 GHz。数值模拟结果表明:采用脉冲能量350 mJ波长355 nm、重复频率30 Hz的激光器和口径450 mm的望远镜,利用该标准具作为鉴频器,在0-40 km高度,瑞利散射多普勒激光雷达的径向风速测量误差小于2.53 m/s,测量精度比理论设计值2.94 m/s提高了约14.1%。
分子散射 双边缘技术 测风激光雷达 法布里珀罗标准具 干涉条纹
中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800
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(DFF)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.
直接探测多普勒激光雷达 条纹图像 双边缘检测 种子注入
