基于双Fabry-Perot 标准具的双边缘测风激光雷达系统

李 强

（连云港师范高等专科学校 物理系，江苏 连云港222001）

0 引言

大气风场是气象学研究、气候研究和大气科学中最重要的参数之一。 高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术战略战术武器系统的气象保障、靶场气象条件检测等方面都具有广泛的应用。 与其它风场测量手段相比，直接探测多普勒测风激光雷达是目前唯一能够实现对全球范围的三维风场进行高精度、高时空分辨率探测的工具。 而基于Fabry-Perot 标准具的双边缘技术是迄今最成熟、最有效的直接多普勒探测方法，它能够实现从地面到平流层范围的风场探测。

1 多普勒测风激光雷达概述

多普勒测风激光雷达属于主动测量系统，它向大气发射激光脉冲并测量不同高度上返回信号的多普勒频移，从而实现对大气风场的观测。 多普勒频移是散射物体沿激光雷达径向的相对运动产生的，对应于测量体积的平均速度。 测量体积是由最大积分长度、高度分辨率和激光束宽度决定，并沿预定的不同方向上交替地连续测量。

激光雷达探测的回波信号主要来自于大粒子的米散射和大气分子的瑞利散射。 对于米后向散射，多普勒频移光的散射谱近似等于发射激光的频谱， 只是由于在测量体积内风的变化会有略微的展宽；对于分子散射，空气分子的布朗运动是主要的散射谱展宽原因，其宽度相当于风速为几百米/秒的多谱勒频移， 因此平均空气运动产生的多普勒频移只占谱宽的一个非常小的部分，这比气溶胶散射小很多。 所以在相同径向速度情况下分子散射需要更大的信号，但是分子散射信号与气溶胶散射相比波长依赖关系不同。分子散射与波长的四次方的倒数成正比， 而气溶胶散射则近似与波长的1.3 次方的倒数成正比，所以分子散射在短波长有较大的信号强度，而气溶胶散射则在长波长的信号较强。

气溶胶散射的信号强度取决于气溶胶的密度， 对于不同地区、不同高度和时间，其变化范围相当大。 气溶胶主要集中在对流层低于4公里范围，并在对流层之上减小。因此，基于气溶胶后向散射的激光雷达系统不能测量高垂直高度的参数。 与米散射信号相反，在清洁大气条件下的分子后向散射信号只微弱地依赖气溶胶衰减且随高度只有很小变化，这样可以测量的垂直高度可以到达20 公里以上。利用这种米散射和瑞利散射接收信号互补的特点将可以得到整个高度范围精确的速度测量。

2 系统结构

多普勒测风激光雷达系统的基本单元包括二维扫描系统、激光发射单元、接收光学单元、信号探测和采集单元和运行控制单元五部分组成。

2.1 二维光学扫描系统

扫描系统由两块大口径发射镜组成，有效通光孔径为300mm。 它可以在水平0°～360°和竖直0°～180°的范围内旋转。 主要用来改变发射激光的方位，即激光雷达的测量方向，并用来收集激光的大气后向散射光。

2.2 激光发射单元

激光器为灯泵调Q Nd:YAG 激光器， 带有1064nm 种子光注入稳频。 它采用一级震荡和一级放大结构，输出波长为1064nm，单脉冲能量最大为500mJ，脉冲宽度7～9ns 光束发散角为0.5mrad，重复频率为50Hz。 激光发射与望远镜接收是采用同轴光学系统。 该激光器安装在光学平台上，激光器输出的激光光束通过导光单元导入至固定在接收望远镜光轴上的一块45°反射镜反射到二维扫描系统中，再由二维扫描系统反射到大气中。

2.3 接收光学单元

接收光学单元由接收望远镜和后继光学单元组成。接收望远镜采用抛物面聚焦反射镜，有效口径为300mm，焦距为665mm。 接收视场为0.15mrad，误差为0.02mrad。 由二维扫描系统收集的大气后向散射光输至望远镜，由望远镜汇聚到接收光纤的端面上，再由光纤导入后继光学单元。

后继光学单元主要由准直系统，Fabry-Perot 标准具和聚焦系统组成。 因为准直系统光源为耦合光纤，其芯径为0.105mm，数值孔径为0.22，且经过准直后的光入射到Fabry-Perot 标准具上的光束发散角要小于1mrad，所以准直系统采用非球面透镜校正相差，并可调谐，以使光束发散角能小于1mrad。 分束片将经过准直的光束约20%的能量反射到能量探测通道，约80%的光透过并入射到标准具上。 由于光子计数器亦采用光纤接收， 所以聚焦系统也采用非球面透镜组来汇聚光斑。

双Fabry-Perot 标准具是这台激光雷达的关键器件， 它直接用于分析气溶胶散射的信号的多谱勒频移。在一对基板上通过镀膜或沉积的方式形成面积和大小相同的两个标准具，根据镀膜的厚度不同可以形成两个频谱中心分离的标准具，形成透过率曲线的交叠。 由于两个标准具固定在一个基板上，这样两个标准具中心频率的相对位置由于温度的漂移变化相同，于是可以保证干涉仪的频谱中心间隔恒定。 在输出端可以利用三角棱镜的方式分别将出射光束聚焦到对应的探测器上。 标准具是采用IC Optical Systems Ltd 公司生产的可调谐式标准具，自带精密的温度控制器。 用监测回路控制标准具的PZT 可调节标准具的间隔，确保激光发射频率控制在两个干涉仪频谱间的交叉中心附近。

用于频率分析的标准具的分辨率与普通的干涉滤光片的要求不同，一般要求干涉仪的间隔稳定（温度和震动控制）、平面度高（PV 值约为λ/100 以上），尤其要精确控制镀膜的厚度，使两个干涉仪的频谱中心间隔满足设计要求。

2.4 信号探测和采集单元

信号探测和采集单元的主要功能是对能量和信号通道进行光电探测以及信号的采集。 其主要部件有单光子计数雪崩管和采集卡组成。 光子探测器是PerkinElmer 公司的SPCM-AQ4C 型号的4 通道单光子探测器，它采用光纤耦合，4 通道各自独立。 工作温度为22 °C，低压输入 （2V、5V 和30V），TTL 电平输出， 暗计数每通道最大值为500Counts/sec。 采集卡采用FAST ComTec GmbH 公司的MCA-3 P7882 型PCI 插槽卡，采样精度32bit，采样速率200MHz。

2.5 运行控制单元

运行控制单元的功能是保证激光发射、回波信号探测、数据采集、传送和存储协调一致地工作。整个测风激光雷达的工作过程是在运行控制程序的指令下完成的。运行控制单元包括二维扫描系统的控制系统（如扫描俯仰角，方位角及进行连续扫描等）、标准具的控制系统、光子探测器的门控装置、信号脉冲延迟发生器、工控机和数据的采集、处理、风速的反演及图像显示等运行控制软件。

3 测量原理

使用高分辨率的双通道Fabry-Perot 标准具可以实现基于双边缘技术的大气风场直接探测。出射激光束以设定的方位指向大气被探测区域，大气风场使得大气气溶胶粒子和大气分子整体移动，从而得到发生多普勒频移的大气回波信号。

可以由下式直接得到径向风速：

式中，V 是径向风速，λ 是激光波长，△v 是多普勒频移。激光脉冲以高重复频率（50Hz）发射，在经过一系列脉冲发射后进行平均可以减小探测噪声。激光扫描装置可以沿预先选定的4 个正交方向分量交替发射测量，在每个方向上信号采样过程中方位固定以减小由于连续扫描带来的方位改变引起的速度误差。

两个频谱分布相同而中心分离的F-P 标准具谱在相对透过率为约50%处交叠，如果发射激光的频率位于它们的交叉处，则两个F-P标准具的输出光信号相同；接收的频移散射光信号相对于发射激光会产生一个频移，这时两个标准具的输出光信号不同，根据这两个光信号差异的大小可以确定多普勒频移量。

设标准具的输出光信号为Ii，其计算式为：

其中，i=1,2 表示通道数，I0i表示入射到每个F-P 标准具的米散射光信号。实际测量中，接收到的大气后向散射信号不仅包含米（或气溶胶）散射信号，还有瑞利（或分子）散射信号，但由于瑞利散射谱很宽，在多普勒频移的范围内近似不变，可以作为背景光扣除，则多普勒频移只引起气溶胶（或米）散射光输出信号的变化。定义两个标准具输出光信号的比值为：

式中的R（v）和R（vL）分别是接收光和参考光透过标准具两个通道信号相对强度的比值，R-1为R 的反函数。

定义R 的多普勒灵敏度为：

由于，

则

上式分别是单标准具下各自的多普勒频率灵敏度。由于分别利用两个F-P 干涉仪的不同侧边缘（斜率符号相反），由(5)和(6)式得：

或

则系统的理论误差可以在此基础上进行估算。

4 结束语

非相干测风激光雷达是可探测晴空风场精细结构的工具，对于天气预报、大气动力学研究、航空安全预警和国防等都有非常重要的意义和显著的应用前景。

同时，面向气象应用的测风激光雷达系统的研制，也将为我国星载测风激光雷达的发展奠定一定基础。本文分析了激光雷达测风的原理以及双边缘理论，推导了雷达径向风速的反演方法，并针对测风雷达的灵敏度进行了分析和估算。 通过系统仿真选取合适的参数，可以进行风速误差模拟。 模拟结果表明，测速为50m/s 以内，探测高度在10km 以下时，系统测量误差小于1m/s。该风速误差范围可以满足系统的测量要求。