基于双通道可调F-P干涉仪的机载测风激光雷达系统的鉴频器

　　1　引　言

　　从60年代初期激光雷达问世以来,在短短30余年中,激光雷达技术得到了飞速的发展。目前,直接探测多普勒激光雷达因其具有测量精度高、时间和空间分辨力高等特点,在大气风场测量中被广泛采用。

　　现有的基于瑞利散射的激光多普勒测风雷达系统按照鉴频方法的不同,主要可分为两种:条纹技术和双边缘法。条纹技术虽具有测速范围大,可分离气溶胶和分子散射成分的优点,但需采用复杂的二元光学系统将环形条纹转换了点阵探测,该类系统存在光学系统复杂、调整困难,数据处理复杂,处理速度慢,价格昂贵等缺点[1,2]。双边缘法具有测量精度较高、稳定性易控制、光学系统简单、后期数据处理方便等优点,而被广泛采用。然而现有系统中决定系统性能的鉴频器主要有碘分子滤波器和F-P标准具,它们受大气后向散射谱本身的限制,其测速范围通常为100m/s左右[3,4],而飞行器等高速运动的物体同大气的相对速度可达1000m/s左右,原有鉴频技术已无法满足测速范围要求。现提出利用双通道可调F-P干涉仪作为机载测风紫外激光雷达系统的核心部件———鉴频器,可以根据相对风速变化调整干涉仪的腔长,从而达到调整干涉仪透射谱中心频率的目的,从而间接实现测速范围动态可调,扩大测速范围的目的。由于瑞利散射光强与激光波长四次方成反比,而气溶胶的散射与激光波长关系不明显,且紫外激光光束能被大气迅速吸收,传输距离短隐身性好,所以选用波长为266nm的紫外激光作为光源。

　　2　测量原理

　　基于双通道可调F-P干涉仪的鉴频器的探测原理是基于双边缘法,双边缘法的技术和原理都已成熟,测量原理如图1所示,实线表示没有多普勒频移的大气回波光谱曲线,长虚线表示作为滤波器使用的F-P干涉仪的透射谱曲线,短虚线表示由相对风速引起多普勒频移后的大气回波光谱曲线。

　　多普勒频移量与相对风速的关系为[5]:

　　式(1)中:V为相对风速;λ为激光波长;Δνd为多普勒频移。频率ν(GHz)瑞利散射光在通过F-P干涉仪后的信号强度分别为:

其中: 为卷积符号;Δνd为多普勒频移;IR(Δνd)为多普勒频移后的瑞利后向散射光谱分布;T(ν1)和T(ν2)分别为两个边缘滤波器的透射谱函数,可用爱里函数近似表示为

其中V_h为透射谱的FWHH,νi为中心频率。

　　取两个通道的信号之比,则：

    （3）

双通道可调F-P干涉仪的频谱中心分别位于瑞利散射光谱的两边翼,在无多普勒频移时,落入两个信号通道的强度I1、I2相同,通过比较I1、I2之比可以确定散射光的多普勒频移量。即,当散射信号相对于发射信号产生多普勒频移时,两个通道信号强度大小变得不相等,这两个信号的强度差越大多普勒频移量越大,相对风速也越大,反之越小。