全光纤相干测风激光雷达研究

【摘要】：测风激光雷达是目前可以实时、多尺度主动探测晴空风场的重要方法,在民用航天、航空气象保障、数值天气预报研究、军事保障有较好的应用前景。全光纤相干测风激光雷达是在保偏光纤无源器件的基础上,对原始系统中光学子系统的一种升级。由于全光纤系统中的激光都在光纤中进行传输,所以相比较原始空间光测风系统,该系统能够在更加恶劣外部环境,提供更加稳定的性能。本论文介绍了国内外常用主动式和被动式测风传感器；分析了主动式测风激光雷达中,相干鉴频方式和非相干鉴频方式的优缺点；总结了国内外相干测风激光雷达的发展过程和发展现状。为了能够更全面的了解全光纤相干系统,首先阐述了全光纤相干探测原理,其次分析了一个典型全光纤相干测风激光雷达中激光发射子系统、激光接收子系统、数据采集子系统、信号处理子系统的功能、组成结构、实现算法。最后探讨了这些子系统中所使用关键器件的实现原理、重要指标,以及这些指标所能获得的系统的最佳性能。为了搭建全光纤测风激光雷达系统,模拟了一套激光雷达系统。通过这个模拟系统研究了聚焦式相干激光雷达系统的信噪比；空间光耦合到单模光纤的耦合效率；回波功率和信噪比随着聚焦位置的变化关系；脉冲和连续激光雷达系统信噪比和本振光的关系,给出了模拟系统中系统信噪比最大时所对应的本振光的功率分别为730uW和700uW。分析了脉冲激光雷达系统中,声光调制器(AOM:Acousto-Optical Modulators)消光比与系统性能的关系,结合模拟系统参数计算了该模拟系统中AOM的消光比最小为-90dB。介绍了根据模拟系统所要求的各个部件的性能选择的如激光器、保偏光纤环形器、声光调制器、可调焦望远镜、平衡探测器等器件的指标。使用这些器件,本文搭建了一套全光纤脉冲测风激光雷达和一套全光纤连续风速仪。本文使用设计的全光纤相干脉冲激光雷达系统对大气进行了观测,成功的测量了45m-300m的大气风速。分析和测量了脉冲激光器由于损坏而产生次脉冲的强度,以及对于系统的探测性能的影响。对于搭建的全光纤连续相干风速仪,首先使用转盘对系统的性能进行了标定,实验证明该系统的速度分辨率为0.07m/s。其次利用该风速仪对加湿器喷出的水汽速度、大气中的风速进行了测量。在大气风速的测量中分析了在本振光处添加AOM前后系统的性能的变化,并使用了添加AOM的系统完成了不同方向上风速的测量。