激光測風(fēng)雷達信號與相干探測激光器介紹

1 相干探測信號分析

由本振激光器產(chǎn)生激光通過光纖進行傳輸，其產(chǎn)生的本振光為：

???? （5）

本振光經(jīng)過分束器其中一路在通過 AOM 和放大通過望遠鏡發(fā)射到空氣中，此時的信號可以表示為：

?（6）

放大后的信號經(jīng)過光開關(guān)選擇四個方向的望遠鏡輸出打入空氣并與空氣中氣溶膠產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生反向的波形：

? （7）

通過光學(xué)探測器接收與本振光分束出的另一路，經(jīng)過合束器合束后混頻后的信號為

?（8）

根據(jù)光電探測器的平方律特性，光電探測器光敏面上的光電流為：

??? （20）

公式中前兩個分量包括高頻的信號和直流信號會被探測器濾除最后得到的光電轉(zhuǎn)換電流信號為：

??? （22）

數(shù)字信號處理得到反射回信號的頻率，根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過計算的頻移和氣溶膠的運動速度成正比，散射信號通過和系統(tǒng)內(nèi)部光纖激光器產(chǎn)生的本振光進行相干調(diào)解然后經(jīng)過 AD 采樣后進行數(shù)字信號處理得到徑向風(fēng)速再經(jīng)過風(fēng)場反演算法，即得到目標(biāo)范圍內(nèi)的風(fēng)場信息。

2 相干探測激光器

激光器主要用來產(chǎn)生探測大氣的激光。激光器除了波長么外還有激光輸出功 率，線寬，光斑質(zhì)量等參數(shù)。如果激光器光源為脈沖模式，還有重復(fù)頻率，脈沖寬度，脈沖能量等參數(shù)。

2.2 激光器線寬

激光光源所發(fā)射激光并非理想單色光，而是有一定波長寬度，在頻譜上表 現(xiàn)為頻譜展寬，這個展寬決定了激光的相干長度。激光波長和頻率存在如下關(guān)系：

??????? (2-2)

對公式(2-2)進行微分有

?? (2-2)

或者寫為：

?? (2-3)

光源的相干長度定義為相干時間內(nèi)激光傳播的距離，相干長度可以表示為

?? (2-4)

表示激光光源的相干時間與激光器線寬之間的關(guān)系為

? (2-5)

? (2-6)

設(shè)激光器波長2000nm，中心頻率為 ，探測距離為2000m，。對應(yīng)的波長為

在相干探測系統(tǒng)中， 如果光源的相干長度越長，本振光和信號光的相干效率就會越高。激光線寬在對外差探測時帶來的影響就是產(chǎn)生信號頻譜密度分布上的展寬，該展寬頻譜使得對頻譜峰值提取精度降低。為了盡可能準確提取頻譜密度上的峰值頻率，要求峰值越窄越好，為此，在激光外差探測時，要盡可能的選取線寬較小的激光器。

2.2 脈沖激光器參數(shù)

脈沖測風(fēng)激光雷達測量距離較遠。但是往往存在幾十米的探測盲區(qū)，盲區(qū)可以通過下面式子進行計算

? (2-7)

為探測盲區(qū)距離等于最小可分辨距離，c為光束，為脈沖寬度。

脈沖激光器的重復(fù)頻率決定了該激光雷達系統(tǒng)的最遠探測距離，在激光雷達系統(tǒng)中，任意時刻探測器接收到的信號只能是一個脈沖信號在不同距離與大氣物質(zhì)作用的后向散射信號，如果一個時刻探測器接收到兩個或者多個信號，多個脈沖在不同位置的后向散射信號將在探測器上反射混疊，探測器系統(tǒng)將不能分辨此時的大氣反射信號是來自哪個位置的信號。

??? (2-8)

重復(fù)頻率還決定了2s中系統(tǒng)能采集的回波脈沖的個數(shù)，由于脈沖雷達系統(tǒng)進行頻譜估計時，需要多個回波信號進行多測非相干疊加計算。合適的重復(fù)頻率能夠提高激光雷達系統(tǒng)完成一次視線信號的風(fēng)速計算。

脈沖激光器的輸出能量一般由脈沖功率，平均功率，脈沖能量進行表征。

?? (2-9)

? (2-20)

?為脈沖功率，平均功率，為脈沖能量。

3 AOM

相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)可以分為零差相干多普勒測風(fēng)激光雷達和外差相干多普勒測風(fēng)激光雷達，兩者的區(qū)別在于發(fā)射激光中心頻率和本振中心頻率之間有沒有經(jīng)過頻移調(diào)制。零差法沒有頻移調(diào)制，智能區(qū)分視向風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移大小，無法區(qū)分正負，因而無法區(qū)分視向風(fēng)速的方向。外差法適用AOM進行頻移調(diào)制，將零風(fēng)速位置的追蹤品頻率調(diào)制為，當(dāng)風(fēng)速的方向與激光雷達望遠鏡的視向方向相同時，風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移為負，反之為正，因此可以區(qū)分風(fēng)速的大小和方向。為了避免風(fēng)速過大導(dǎo)致的風(fēng)向混疊，頻移條質(zhì)量和多普勒頻移量需要滿足

?(3-1)

若風(fēng)速測量范圍要求為v=±30m/s，在2550nm波長時，根據(jù)多普勒頻移公式可得

則大于38.7MHz即可滿足區(qū)分風(fēng)向正負的要求，但是為了減少激光器的相對噪聲和2/f 噪聲對混頻信號的影響，目前的相干多普勒測風(fēng)雷達中最常用的調(diào)制為為80MHz。

審核編輯：劉清