基于双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统的设计

论文摘要

从60年代初期激光雷达问世以来,在短短40余年中,激光雷达技术得到了飞速的发展,其应用领域也越发广泛,涉及科学研究,军事工程和国民经济许多部分,特别是应用激光雷达技术在完成大气测量工作中显示出突出的发展前景。多普勒激光雷达能够获得高空间和时间分辨率的大气风场,已被认为是精确测量全球三维风场的唯一有效手段。多普勒激光雷达主要包括相干探测和直接探测技术。虽然相干探测激光雷达灵敏度和测量精度较高,但是相干探测只能利用大气中的气溶胶散射信号,因此测量范围和能力有限。直接探测多普勒激光雷达技术相对相干技术来说存在一定的优势。本论文描述了项目的背景和应用价值;阐述了测风激光雷达的发展历程;介绍了系统技术指标的确定和技术路线;说明了系统总体结构及各分系统的设计与设备选型;重点介绍了基于Fabry-Perot标准具的双边缘技术的基本原理及数据处理算法。在本论文的撰写过程中,借鉴了国外同类产品的技术指标要求,结合国内的实际情况,给出项目的总体技术指标。本论文采用的基于Fabry-Perot标准具的直接探测技术具有系统结构简单、对激光器频率稳定性要求相对不高、可分析气溶胶和分子散射信号,能实现全球范围（大空间范围）的风场观测等特点。基于气溶胶和分子后向散射的边缘技术是利用直接探测雷达实现高精度测风的主要理论和方法,双边缘技术使用在激光频率处有相反斜率的对称的两条纹边缘,激光频率锁定在每个边缘滤光器的条纹的半高宽处。相对于初始值多普勒频移将使得一个边缘滤光器的透射信号产生变化。对另一个性能相同的边缘滤光器,对应的信号变化大小近似相等,符号相反。相对于单边缘技术而言,信号变化增倍,测量精度提高了1.6倍。在本论文中,作者主要负责系统方案论证和设计、性能指标分析设计及结构设计,重点是光学接收机的设计和基于Fabry-Perot标准具的雷达数据处理算法研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 项目实用价值
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 国外多普勒测风激光雷达研究概况
• 1.3.2 国内多普勒测风激光雷达研究概况
• 1.4 项目目标及论文内容
• 第二章 总体技术指标和技术路线
• 2.1 机场多普勒激光雷达的测量要求
• 2.2 技术指标
• 2.3 技术路线
• 2.3.1 风场探测方式
• 2.3.2 扫描和显示方式
• 第三章 多普勒测风激光雷达系统的设计
• 3.1 多普勒测风激光雷达的系统总体结构
• 3.2 发射系统
• 3.2.1 激光器
• 3.2.2 扩束系统
• 3.3 发射接收光学系统
• 3.3.1 望远镜
• 3.3.2 二维扫描系统
• 3.4 光学接收系统
• 3.4.1 光学接收机系统的总体结构
• 3.4.2 光谱分析仪—Fabry-Perot 标准具
• 3.4.3 接收机光学镜片
• 3.4.3.1 光学设计要求
• 3.4.3.2 基本设计要求
• 3.4.3.3 接收机镜片设计具体要求
• 3.4.4 滤光片
• 3.4.5 探测器
• 3.4.6 光子计数卡和A/D 采集卡
• 3.5 控制系统
• 3.5.1 F-P 标准具和激光频率锁定软件
• 3.5.2 时序控制电路
• 第四章 基于双边缘技术的F-P 标准具的设计原理
• 4.1 Mie 散射的多普勒测量原理
• 4.2 Fabry-Perot 标准具的工作原理
• 4.3 基于Fabry-Perot 标准具的双边缘技术测量原理
• 4.4 F-P 标准具参数设计
• 4.4.1 F-P 标准具自由谱宽度
• 4.4.2 F-P 标准具光束最大入射角
• 4.4.3 F-P 标准具的带宽
• 4.4.4 F-P 标准具调整腔长的动态范围
• 4.4.5 F-P 标准具的其它参数
• 4.5 系统设计性能和误差估算
• 第五章 多普勒测风激光雷达数据处理方法
• 5.1 透过率函数理论公式
• 5.2 标准具透过率曲线校准
• 5.3 风场反演方法
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间研究成果