激光雷達(dá)風(fēng)速模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國人民解放軍92942部隊(duì), 北京 100161)

0 引言

風(fēng)場是重要的氣象參數(shù)和大氣動力學(xué)參數(shù)，與氣候變化及各種異常氣候現(xiàn)象的發(fā)生有密切的關(guān)系，高時空大尺度的精細(xì)風(fēng)場探測技術(shù)的研究一直是激光雷達(dá)遙感的重要研究目標(biāo)及前沿技術(shù)之一。

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)是目前進(jìn)行大氣風(fēng)場測量的最有效的工具之一,為了保證激光雷達(dá)風(fēng)場測量的準(zhǔn)確性,需要對其進(jìn)行正確合理的定標(biāo)。而對于瑞利散射測風(fēng)激光雷達(dá),由于大氣分子后向散射譜的特殊性,直接對其風(fēng)速標(biāo)定比較困難,在考慮頻移量產(chǎn)生的同時還需要考慮目標(biāo)散射譜和大氣分子散射譜的一致性，所以采用風(fēng)速模擬裝置并選擇合適的鑒頻器搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顯得尤為重要[1]。通過比較目前非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻器，F(xiàn)abry-Perot(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具及機(jī)械式Mach-Zehnder(M-Z)干涉儀在光通量、透過率、最小視場角的優(yōu)勢。采用機(jī)械式M-Z干涉儀作為鑒頻器具有透過率高、視場寬及大光通量的特點(diǎn)，但同時其體積大、穩(wěn)定性差[2]，光纖M-Z干涉儀作為鑒頻器可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和小型化，為新型小型化多普勒激光雷達(dá)發(fā)展以及建立星載平臺上全球風(fēng)場探測激光雷達(dá)提供新的技術(shù)支持及解決方法[3]。

本文基于光纖M-Z干涉儀測風(fēng)激光雷達(dá)研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并搭建風(fēng)速模擬探測激光雷達(dá)的自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)采用能量探測方法對鑒頻系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)一步研究利用全光纖M-Z干涉儀實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場探測的關(guān)鍵技術(shù), 完成實(shí)際大氣風(fēng)場探測激光雷達(dá)的系統(tǒng)標(biāo)定。

1 光纖M-Z干涉儀的多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)原理及鑒頻特性分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)對風(fēng)速的探測過程為：采用種子注入技術(shù)的激光器以一定重復(fù)頻率射出波長為532 nm的激光光束，經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后通過分光鏡BS分成兩路，其中一路參考光束經(jīng)透鏡耦合進(jìn)光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)光纖1臂中，最后由PMT1和PMT2檢出，經(jīng)放大后送入示波器和工控機(jī)中，注意此時將頻率鎖在光纖M-Z干涉儀兩透過率譜線交點(diǎn)位置。

圖1 多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)原理圖

由BS分光后的另一路由全反射鏡整合，直接射入大氣風(fēng)場中，激光束中大氣分子熱運(yùn)動和氣溶膠粒子布朗運(yùn)動會產(chǎn)生多普勒展寬，將其等效為空氣柱，空氣柱的整體移動產(chǎn)生多普勒頻移，其后向散射光脈沖信號(大氣回波信號)由望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)光纖傳輸給窄帶干涉濾光片，濾除背景噪聲光后耦合進(jìn)光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)的光纖2臂中，此時測量信號相比于參考信號比較微弱，其干涉信號由PMT1和PMT2經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后送入示波器采集并顯示，最終在工控機(jī)中進(jìn)行風(fēng)速反演。由于透過率有陡峭的光譜響應(yīng)，因?yàn)闇y量信號頻率與發(fā)射信號頻率的微小變化，通過濾波器后，對應(yīng)光纖M-Z透過率強(qiáng)度不再相同，得到光強(qiáng)的較大變化，即光功率的變化，從而使光強(qiáng)變化直接相關(guān)到頻率的變化，達(dá)到鑒頻目的[4]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)探測風(fēng)場范圍為0～20 m/s低層大氣風(fēng)場，探測誤差小于1 m/s。

回波信號光強(qiáng)分布函數(shù)為I(σ)，而光纖M-Z干涉儀兩通道濾波器透過函數(shù)分別為T1(σ)、T2(σ)，通過兩者進(jìn)行卷積得到兩通道輸出函數(shù)S1(σ)、S2(σ)：

S1(σ)=sI(σ)?T1(σ)

S2(σ)=sI(σ)?T2(σ)

(1)

其中:s是探測器靈敏度，這里設(shè)s=1，I(σ′)為：

(2)

則光電探測器PMT1和PMT2接收到信號為：

S1=

S2=

(3)

其中:δ為光程差倒數(shù)，對于光纖M-Z干涉儀δ=1/nL，L為臂長差，n為光纖折射率。

計(jì)算差分信號為：

(4)

考慮到風(fēng)速引起的多普勒頻移，風(fēng)速u與后向散射光的波數(shù)關(guān)系：

(5)

那么優(yōu)化后的風(fēng)速u的響應(yīng)函數(shù)為:

(6)

對信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，假設(shè)兩通道輸出信號S1(σ)、S2(σ)都有很好的信噪比(使用一組脈沖累加數(shù)據(jù))，則有：

(7)

(8)

(9)

SNR是兩通道信噪比之和：

(10)

則風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為：

(11)

這里假設(shè)光纖M-Z干涉儀傳輸損耗是固定，SNR與鑒頻器的參數(shù)無關(guān)，若使εu達(dá)到最小值的必要條件就是使表達(dá)式 (1+Q2)(dQ/dv)-1的值達(dá)到最小，即使Q值最小并且dQ/du值最大。

1.2 系統(tǒng)光程差和探測靈敏度分析

在完成了多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需對系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，光纖鑒頻系統(tǒng)作為測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組成部分，其光程差的選取直接影響風(fēng)速響應(yīng)靈敏度和風(fēng)速探測范圍。這里根據(jù)光程差和靈敏度之間的關(guān)系，模擬不同光程下的風(fēng)速靈敏度和回波信號函數(shù)，找到適合系統(tǒng)探測范圍內(nèi)的最佳風(fēng)速響應(yīng)趨勢。

根據(jù)風(fēng)速u和Q響應(yīng)函數(shù)公式(6)，對風(fēng)速求導(dǎo)得到單位風(fēng)速下差分信號的變化率，即風(fēng)速靈敏度：

(12)

在保證零頻移探測靈敏度最高，同時正負(fù)向風(fēng)場探測范圍對稱的前提下，根據(jù)雙邊緣技術(shù)大氣風(fēng)場探測原理，發(fā)射激光中心波長應(yīng)位于光纖M-Z干涉儀兩通道透過率強(qiáng)度曲線邊坡最陡峭處，設(shè)定入射中心波長λ=532 nm，參考溫度T0=250 K，光纖有效折射率n=1.46，兩臂光程差必須滿足在中心波長位置兩通道信號強(qiáng)度相等，即S1=S2，此時：

(13)

滿足此方程的光程差1/δ均為最優(yōu)光程差。由于不同高度上大氣風(fēng)場從0 m/s到上百米每秒之間變化，選取零風(fēng)速、20 m/s、100 m/s和580 m/s的風(fēng)速值，圖2為繪制在不同風(fēng)速時探測靈敏度隨最優(yōu)臂長差的變化情況，橫坐標(biāo)為滿足Q=0的最優(yōu)臂長差值(ALD)?？梢姴煌L(fēng)速下探測靈敏度隨最優(yōu)臂長差變化，在0 m/s條件下，其靈敏度最大值(圖中A點(diǎn))為1.8%(m/s)，對應(yīng)臂長差為74.8 cm；在100 m/s條件下，靈敏度為零時對應(yīng)的最小臂長差(圖中B點(diǎn))為13.7 cm；在580 m/s條件下，靈敏度為零時對應(yīng)的最小臂長差(圖中C點(diǎn))為2.35 cm，即實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有光纖M-Z干涉儀臂長差值。

圖2 靈敏度與最優(yōu)臂長差關(guān)系曲線

分別取最優(yōu)臂長差A(yù)LD的值74.8 cm、13.7 cm和2.35 cm代入風(fēng)速響應(yīng)函數(shù)Q中，響應(yīng)函數(shù)值Q對應(yīng)不同風(fēng)速變化趨勢如圖3所示。零風(fēng)速下響應(yīng)函數(shù)Q值均在零點(diǎn)，可以看出當(dāng)ALD=74.8 cm時，響應(yīng)函數(shù)值Q隨風(fēng)速變化更迅速，響應(yīng)函數(shù)曲線更陡峭，曲線的1/2周期所對應(yīng)的風(fēng)速值決定了風(fēng)速探測范圍，風(fēng)速探測動態(tài)范圍為±18.2 m/s，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的精細(xì)探測，滿足低空大氣風(fēng)場下的模擬風(fēng)速變化范圍要求。當(dāng)ALD=13.7 cm時，響應(yīng)函數(shù)Q對應(yīng)風(fēng)速變化比較緩慢，對風(fēng)速響應(yīng)不積極，風(fēng)速動態(tài)變化范圍大，達(dá)到±100 m/s，適合中高層大氣探測。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的ALD=2.35 cm的光纖M-Z干涉儀，其由于光程差較小，在3個曲線中對風(fēng)速響應(yīng)趨勢最緩慢，風(fēng)速探測靈敏度最低，而且風(fēng)速測量范圍大于500 m/s，并不適于本系統(tǒng)用于大氣風(fēng)速探測。

圖3 回波信號函數(shù)Q隨風(fēng)速分布圖

再分別對最優(yōu)臂長差為74.8 cm、13.7 cm和2.35 cm組成的鑒頻系統(tǒng)對風(fēng)速靈敏度進(jìn)行分析，則鑒頻系統(tǒng)在ALD=74.8/13.7 cm和ALD=2.35 cm時，其動態(tài)風(fēng)速探測范圍內(nèi)的風(fēng)速探測靈敏度分布如圖4、5所示。

圖4 鑒頻系統(tǒng)風(fēng)速探測范圍內(nèi)的靈敏度分布圖(ALD=74.8/13.7 cm)

圖5 鑒頻系統(tǒng)風(fēng)速探測范圍內(nèi)的靈敏度分布圖(ALD=2.35 cm)

ALD=74.8 cm的鑒頻光路可實(shí)現(xiàn)高靈敏度(最大1.8%/(m/s))、小動態(tài)范圍(±18.2 m/s)探測，ALD=13.7 cm的鑒頻光路可實(shí)現(xiàn)中靈敏度(最大0.78%/(m/s))、較大動態(tài)范圍(±100 m/s)探測，ALD=2.35 m的鑒頻光路可實(shí)現(xiàn)低靈敏度(最大0.25%/(m/s))、大動態(tài)范圍(±100 m/s)。根據(jù)仿真結(jié)果可知，隨著光程差減小，風(fēng)速探測范圍隨之增大，而對風(fēng)速響應(yīng)的靈敏度則逐漸變小。

因此根據(jù)低層大氣風(fēng)場探測(±20 m/s內(nèi))要求，本系統(tǒng)選取74.8 cm最優(yōu)臂長差，可得到探測范圍內(nèi)的最佳風(fēng)速響應(yīng)趨勢。

2 風(fēng)速模擬探測激光雷達(dá)的自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建

由于非相干多普勒測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)在測風(fēng)時會產(chǎn)生測量誤差，因此設(shè)計(jì)一套校正系統(tǒng)，通過模擬的風(fēng)速，由確定的多普勒頻移反推靈敏度方法來校正系統(tǒng)測量風(fēng)速，其原理如圖6所示。采用種子注入技術(shù)的激光器射出的波長為532 nm的激光光束通過分束鏡，分成兩路，其中一路參考光束經(jīng)透鏡L1耦合到光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)，最后由光電探測器PMT檢測，作為參考信號。另一路光直接射向以一定角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪上，轉(zhuǎn)輪的線速度引起入射光多普勒頻移，透鏡L2收集后向散射光，經(jīng)過光纖反向傳輸?shù)借b頻系統(tǒng)，由光電探測器PMT檢測，在示波器中以能量形式顯示，進(jìn)行模擬風(fēng)速校正。通過對示波器上不同時刻檢測到的光電探測器信號能量變化按上述公式進(jìn)行反演，可得轉(zhuǎn)輪的線速度。

圖6 自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

全光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)通過兩個光纖耦合器熔接進(jìn)行制備，按照74.8 cm的最優(yōu)臂長差值進(jìn)行熔接，實(shí)際測量光纖M-Z干涉儀臂長差為76.5 cm,如圖7所示。

圖7 全光纖M-Z干涉儀

模擬風(fēng)場系統(tǒng)由電機(jī)和轉(zhuǎn)輪平臺構(gòu)成。電機(jī)選用全數(shù)字式松下A5II系列伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min[6]。轉(zhuǎn)輪直徑為200 mm，因激光器光束直徑為9.5 mm，轉(zhuǎn)輪厚度選為10 mm，通過AutoCad進(jìn)行設(shè)計(jì)并機(jī)械加工。

光電探測系統(tǒng)由兩個Metal Package-H6780系列03型光電倍增管組成，有低紋波噪聲和快速定位特性。

3 風(fēng)速模擬探測激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 光纖M-Z干涉儀光程差校正實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行風(fēng)速模擬探測前，先通過能量探測方式驗(yàn)證光纖M-Z干涉儀透過率譜強(qiáng)度曲線。按照最優(yōu)光程差選取分析，采用臂長差粗測值L0為0.023 5 m的全光纖M-Z干涉儀，又知光纖折射率n為1.46，可得光程差值：

L光程差=n·L0=1.46·0.0235=0.03431 m

(14)

這里取σ0為1/532.087 5，大氣溫度T為250 K，代入S1、S2和Ⅰ(σ)計(jì)算公式(2)和式(3)，則兩通道透過率強(qiáng)度分布通過Matlab軟件仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 光纖M-Z干涉儀兩通道透過率強(qiáng)度

S1、S2透過率強(qiáng)度曲線自由光譜范圍是6.142 8 m-1，此時綠色的分子入射譜線中心位置沒有位于透過率強(qiáng)度分布曲線S1和S2的交點(diǎn)，通過差分計(jì)算S1和S2值可以反演風(fēng)速，但透過率強(qiáng)度曲線的自由光譜范圍受光程差影響較大，微小的光程差變化可能帶來較大的周期變化，因此需要利用種子激光器模擬多普勒頻移過程，通過繪制透過率強(qiáng)度分布曲線對應(yīng)的自由光譜范圍來反推精確的光程差值。

圖9 光纖M-Z干涉儀光程差校正實(shí)驗(yàn)方案

利用自校正式系統(tǒng)的一部分器件搭建實(shí)驗(yàn)，方案如圖9所示，激光器輸出532 nm激光，經(jīng)透鏡L1耦合如光纖M-Z干涉儀一臂(另一臂封閉)，干涉光的光強(qiáng)信號經(jīng)過PMT1、PMT2和放大電路后轉(zhuǎn)換為能量信號，通過調(diào)整種子激光器波長，記錄示波器在不同波長位置的兩通道能量變化值，從而繪制透過率強(qiáng)度分布曲線，反推光程差。

將種子激光器通過RS232串口線與控制計(jì)算機(jī)連接，打開種子激光器波長調(diào)試軟件，進(jìn)入操作主頁面如圖10所示。

圖10 種子激光器操作主界面圖

將波長從1 064.189 nm調(diào)整至1 064.131 nm，間隔0.002 nm采點(diǎn)，σ0選取調(diào)整范圍中間值為1/(1 064.161×10-9)，實(shí)際二倍頻后波長是從532.094 5 nm間隔0.000 5 nm調(diào)整至532.080 nm，σ0為1/(532.087 5×10-9)。通過對測量點(diǎn)進(jìn)行正余弦擬合可得到波長和透過率強(qiáng)度曲線關(guān)系，如圖11所示。

圖11 透過率強(qiáng)度測量值擬合曲線圖

可以看到透過率強(qiáng)度曲線呈正余弦變化趨勢。為了便于和仿真圖對照，將擬合曲線橫坐標(biāo)變?yōu)?σ-σ0)/γ計(jì)算，得到透過率強(qiáng)度擬合曲線變形圖，如圖12所示。

圖12 透過率強(qiáng)度擬合曲線變形圖

透過率強(qiáng)度曲線的自由光譜范圍是5.919=m-1，S1、S2透過率強(qiáng)度曲線交點(diǎn)偏移零點(diǎn)1.721=m-1。通過Matlab軟件代入公式2.30反推臂長差為0.023 898 872 5 m，將此臂長差值帶入S1、S2計(jì)算公式得到校正后的透過率強(qiáng)度曲線仿真圖(如圖13所示)。經(jīng)與透過率強(qiáng)度擬合曲線對比，自由光譜范圍相等，驗(yàn)證了反推的光程差值。

圖13 校正后的透過率強(qiáng)度曲線圖

3.2 風(fēng)速模擬探測實(shí)驗(yàn)

圖14 風(fēng)速模擬探測實(shí)驗(yàn)方案圖

為了驗(yàn)證風(fēng)速與Q的關(guān)系，利用自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)速模擬探測實(shí)驗(yàn)，在測量模擬風(fēng)場前，示波器中PMT1、PMT2輸出線接入C2、C3通道，示波器出現(xiàn)兩脈沖信號。通過PC端啟動種子調(diào)整波長位置，找到兩通道脈沖能量值相等的位置，此時激光頻率恰好位于透過率曲線交點(diǎn)，光纖M-Z干涉儀的透過率強(qiáng)度相等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)種子激光器波長調(diào)節(jié)到1 064.170 nm位置時，示波器檢測到脈沖能量近似相等的波形，如圖15所示，通道C2和通道C3能量差為6.4 mV。即認(rèn)為此中心波長指向透過率曲線交點(diǎn)位置附近。

電機(jī)轉(zhuǎn)速從-2 000 r/min(逆時針旋轉(zhuǎn))每隔100 r/min調(diào)整到2 000 r/min(順時針旋轉(zhuǎn))，可計(jì)算出電機(jī)帶動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的線速度變化范圍為-21～21 m/s間隔0.1 m/s變化。調(diào)節(jié)到指定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，對每個轉(zhuǎn)速下示波器C2、C3通道能量值做1 000次平均，并記錄平均值。

3.3 模擬風(fēng)速反演和誤差分析

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室環(huán)境中激光入射到轉(zhuǎn)輪側(cè)面散射光的多普勒頻移主要由米散射引起，而米散射大小又主要由激光器線寬決定，這里看成γ和γm相等為0.5，La表示熔接的光纖M-Z干涉儀臂長差值為76.5 cm，那么風(fēng)速響應(yīng)函數(shù)為：

(15)

由風(fēng)速響應(yīng)函數(shù)可計(jì)算仿真值Qs，得到Qs隨風(fēng)速u變化關(guān)系；將兩通道輸出總能量值歸一化校正，差分計(jì)算兩通道能量值得到實(shí)際值Qa，通過Qa值可得反演風(fēng)速值Vi。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

模擬風(fēng)速對應(yīng)Qa和Qs變化趨勢如圖16所示，Q的實(shí)際值和理論值變化趨勢基本吻合，模擬風(fēng)速在風(fēng)速響應(yīng)函數(shù)Q一個周期內(nèi)線性變化范圍為-17.9～17.8 m/s。每個設(shè)置的模擬風(fēng)速Vs對應(yīng)的實(shí)際反演風(fēng)速Vi分布，如圖17所示。

可觀察到隨模擬風(fēng)速增加和反演風(fēng)速值對應(yīng)成線性遞增趨勢，對反演風(fēng)速值進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線的斜率為0.999 2，即反演風(fēng)速與模擬風(fēng)速相關(guān)性為0.999 2。模擬風(fēng)速與反演風(fēng)速兩者的偏差分布情況如圖18所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖15 1 064.170 nm位置示波器顯示狀態(tài)

圖16 Qa和Qs風(fēng)速響應(yīng)圖

圖17 模擬風(fēng)速Vs對應(yīng)反演風(fēng)速Vi分布曲線土

圖18 反演風(fēng)速與理論風(fēng)速偏差分布曲線

分析偏差主要來自以下幾個方面：微小的光纖M-Z干涉儀光程差誤差、電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差±1 r/min(換算成線速度0.021 m/s)、探測器暗電流引起的噪聲。而風(fēng)速探測線性范圍的分布不對稱主要是由于激光頻率沒有嚴(yán)格位于透過率強(qiáng)度曲線零點(diǎn)位置導(dǎo)致。

4 結(jié)束語

本文基于多普勒測風(fēng)雷達(dá)測風(fēng)原理，采用光纖M-Z干涉儀作為鑒頻器，使用光電倍增管作為能量探測器，設(shè)計(jì)并搭建了激光雷達(dá)風(fēng)速模擬探測自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行光程差精確校正實(shí)驗(yàn)，通過種子激光器調(diào)節(jié)波長模擬多普勒頻移過程，在各個波長位置記錄兩探測器通道能量值，繪制了光纖M-Z干涉儀透過率強(qiáng)度譜線，證明鑒頻性能可靠，校正了光纖M-Z干涉儀的精確光程差值。完成了模擬風(fēng)速探測實(shí)驗(yàn)，通過能量值差分計(jì)算反演得到不同轉(zhuǎn)速下模擬的風(fēng)速，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了風(fēng)速模擬探測激光雷達(dá)的自校正式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法的可行性。