本文關(guān)鍵詞：平流層測風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)接收機(jī)研制及性能分析

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【摘要】：平流層風(fēng)場觀測在日地關(guān)系研究、大氣氣候研究和航空航天工業(yè)發(fā)展等方面具有重要的作用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一套探測高度15-60km的平流層測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng),該套激光雷達(dá)系統(tǒng)由三臺(tái)分系統(tǒng)組成,每臺(tái)分系統(tǒng)都是一個(gè)基于雙邊緣技術(shù)的直接探測測風(fēng)激光雷達(dá)。三臺(tái)分系統(tǒng)中兩臺(tái)斜探測系統(tǒng)能夠測量徑向風(fēng)速進(jìn)而合成大氣水平風(fēng)場,垂直探測系統(tǒng)可以用于測量垂直風(fēng)場,也可以用于測量大氣的溫度廓線。除去垂直分系統(tǒng)的測溫模塊外,三臺(tái)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相同,由激光發(fā)射機(jī)、收發(fā)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制部分組成。 接收機(jī)是激光雷達(dá)的核心部件,直接決定激光雷達(dá)的性能。根據(jù)本套車載平流層測風(fēng)激光雷達(dá)的要求,設(shè)計(jì)了光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)。光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)由Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光纖分束器、光電探測器以及準(zhǔn)直與聚焦透鏡等四部分組成。按照雙邊緣技術(shù)原理給出了接收機(jī)的工作流程并分析和設(shè)計(jì)了接收機(jī)中所需要的各器件的參數(shù)。 接收機(jī)鎖定通道通過實(shí)時(shí)計(jì)算出射激光在Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具上的透過率值并反饋調(diào)節(jié)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的腔長實(shí)現(xiàn)對激光頻率的主動(dòng)跟蹤和鎖定。激光鎖定的效果取決于透過率值計(jì)算的精度。由于出射激光脈寬僅有約6ns,數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)較少。為了增加一個(gè)脈沖內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),獲取更加準(zhǔn)確的脈沖信息,在鎖定通道加入一個(gè)直徑200mm的積分球來對出射激光脈沖進(jìn)行展寬,展寬后激光脈寬約為13ns。積分球?qū)γ}沖的展寬在維持?jǐn)?shù)據(jù)采集卡采樣速率不變的情況下增加了采樣點(diǎn)數(shù),提高了鎖定通道測量精度。 為了提高接收機(jī)的集成度和穩(wěn)定性,平流層測風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)采用多模光纖分束器代替常見的棱鏡、分束片作為分光器件。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光纖分束器的分束比與入射端的光強(qiáng)分布有關(guān),為了性能穩(wěn)定,要求光纖分束器前的入射光斑強(qiáng)度均勻,該問題在鎖定通道尤為重要。在鎖定通道中加入積分球后,在展寬激光脈沖的同時(shí)光斑也被均勻化,解決了該問題,保證了光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)的穩(wěn)定工作。 實(shí)驗(yàn)測定了分束器的分束比,實(shí)現(xiàn)了對接收機(jī)內(nèi)不同通道的光電效率校準(zhǔn)。在接收機(jī)光路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了接收機(jī)透過率掃描實(shí)驗(yàn),對研制完成的光纖結(jié)構(gòu)接收機(jī)進(jìn)行了透過率掃描和性能分析,將實(shí)測透過率曲線與理論進(jìn)行了對比,對比結(jié)果基本一致。長時(shí)間多次掃描的結(jié)果顯示了接收機(jī)的穩(wěn)定性,透過率曲線上對應(yīng)頻率位置的透過率值相對標(biāo)準(zhǔn)誤差小于6%,優(yōu)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)車載瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)的表現(xiàn)。 接收機(jī)在平流層測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,在2013年和2014年的外場觀測和對比試驗(yàn)中,平流層風(fēng)場探測激光雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)與探空氣球數(shù)據(jù)、歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,對比結(jié)果顯示了良好的一致性。 借助中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)車載瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù),對2011年夏季新疆地區(qū)觀測到的準(zhǔn)零風(fēng)層現(xiàn)象、尤其是準(zhǔn)零風(fēng)層底部和頂部的高度在夜間的變化趨勢進(jìn)行了分析,對準(zhǔn)零風(fēng)層厚度在夜間“增加—穩(wěn)定—降低”的變化現(xiàn)象提出了一種解釋。
【關(guān)鍵詞】：平流層 瑞利測風(fēng)激光雷達(dá) 積分球 光纖分束器 激光雷達(dá)接收機(jī) 準(zhǔn)零風(fēng)層
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 圖例目錄11-14
• 表例目錄14-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 中高層大氣風(fēng)場觀測15-17
• 1.1.1 大氣風(fēng)場觀測的重要性15-17
• 1.1.2 平流層大氣風(fēng)場觀測的特殊意義17
• 1.2 瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)研究現(xiàn)狀17-28
• 1.2.1 多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)類型18-20
• 1.2.2 瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展20-28
• 1.3 本文研究內(nèi)容28-31
• 第2章 平流層測風(fēng)激光雷達(dá)探測原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)31-61
• 2.1 瑞利激光雷達(dá)探測原理31-36
• 2.1.1 瑞利散射與光學(xué)多普勒效應(yīng)31-34
• 2.1.2 激光雷達(dá)方程34-36
• 2.2 瑞利激光雷達(dá)風(fēng)速和溫度反演理論36-43
• 2.2.1 雙邊緣風(fēng)速反演理論36-42
• 2.2.2 瑞利信號反演大氣溫度理論42-43
• 2.3 Fabry-Perot干涉儀工作原理43-46
• 2.4 車載瑞利激光雷達(dá)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)46-58
• 2.4.1 激光發(fā)射機(jī)49-52
• 2.4.2 收發(fā)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡52-55
• 2.4.3 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集55-58
• 2.5 本章小結(jié)58-61
• 第3章 光纖結(jié)構(gòu)光學(xué)接收機(jī)設(shè)計(jì)與研制61-83
• 3.1 接收機(jī)基本構(gòu)成61-70
• 3.1.1 F-P標(biāo)準(zhǔn)具62-65
• 3.1.2 光纖分束器65-66
• 3.1.3 準(zhǔn)直與聚焦透鏡66-67
• 3.1.4 光電探測器67-70
• 3.2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作流程70-72
• 3.3 接收機(jī)鎖定通道72-77
• 3.3.1 積分球特性73-75
• 3.3.2 積分球?qū)⒖脊饷}沖的展寬75-77
• 3.4 光纖分束器在接收機(jī)中的使用77-81
• 3.4.1 入射光強(qiáng)分布對光纖分束器分束比的影響78-80
• 3.4.2 積分球?qū)獍叩木鶆蜃饔?/span>80-81
• 3.5 本章小結(jié)81-83
• 第4章 光纖結(jié)構(gòu)光學(xué)接收機(jī)性能分析83-95
• 4.1 接收機(jī)校準(zhǔn)83-87
• 4.2 接收機(jī)透過率曲線掃描87-93
• 4.3 本章小結(jié)93-95
• 第5章 數(shù)據(jù)處理與風(fēng)場觀測結(jié)果分析95-105
• 5.1 回波信號數(shù)據(jù)處理95-97
• 5.2 風(fēng)場觀測結(jié)果與對比實(shí)驗(yàn)97-101
• 5.3 平流層準(zhǔn)零風(fēng)層夜間觀測結(jié)果分析101-105
• 5.3.1 準(zhǔn)零風(fēng)層現(xiàn)象的概念與成因101-103
• 5.3.2 準(zhǔn)零風(fēng)層現(xiàn)象的夜間觀測結(jié)果103-105
• 第6章 總結(jié)與展望105-113
• 6.1 本文總結(jié)與結(jié)論105-110
• 6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)110-111
• 6.3 研究工作展望111-113
• 參考文獻(xiàn)113-123
• 致謝123-125
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果125-126

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：633492