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直接探测激光雷达准直和调整系统设计

董维建  
【摘要】: 直接测风激光雷达是探测晴空风场精细结构的遥感工具,对于天气预报、大气动力学研究、航空风切变安全预警和国防应用都有重要的意义和显著的应用前景。 多普勒激光测风雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。本文分析了测风激光雷达的基本原理。在此基础上论证了发散角的大小对鉴频精度的影响,并在实验中测量了几种不同发散角光束扫描F-P标准具的透过率曲线,结果表明当入射光斑大小相同时,发散角越小,其对应的精细度越高,鉴频精度越高,因此需要对光束发散角进行压缩。同时光斑越小对鉴频越有利。为了满足雷达系统测风精度,需要将回波信号发散角压缩到1mrad以下,同时在0-3m的工作距离内使光斑尺寸小于10mm。为了方便光路调整同时考虑到耦合效率,望远镜回波信号需要导入多模光纤后再进行准直。由于单透镜的准直区域要想有好的准直效果就要求透镜焦距f '较大,用单透镜准直必然用长焦距透镜,同时还要满足入射束腰位于透镜的前焦点处,这必然导致准直系统尺寸太大。另外,单透镜的变换能力有限,一般不适用准直区域很大的变换。使用正负透镜组的离焦系统可以很好的解决这个问题。我们使信号光束进行离焦系统扩束前先用一个直径小,焦距短,便于集成的自聚焦透镜先进行一级准直,这样使光束进入离焦系统扩束时光斑尺寸不会太大,又减小了离焦系统扩束倍率,使得加工方便。 雷达系统工作之前,首先要调整出射激光束与望远镜光轴的一致性,使得接收到的回波信号最强。本文设计了一种基于matlab图像处理的自动准直系统,对调整的结果进行实验验证,表明结果满足雷达系统的工作要求。选择合适的参数值就可以很快调整好,且精度很高。由于当两轴重合时,回波信号关于望远镜标准轴中心对称,故该方法调整好了也适用于远距离的信号的测量。同时该方法也适用于别的一些雷达收发系统的调整。


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