1 相干探測(cè)信號(hào)分析

由本振激光器產(chǎn)生激光通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，其產(chǎn)生的本振光為：

???? （5）

本振光經(jīng)過(guò)分束器其中一路在通過(guò) AOM 和放大通過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到空氣中，此時(shí)的信號(hào)可以表示為：

?（6）

放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)光開關(guān)選擇四個(gè)方向的望遠(yuǎn)鏡輸出打入空氣并與空氣中氣溶膠產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生反向的波形：

? （7）

通過(guò)光學(xué)探測(cè)器接收與本振光分束出的另一路，經(jīng)過(guò)合束器合束后混頻后的信號(hào)為

?（8）

根據(jù)光電探測(cè)器的平方律特性，光電探測(cè)器光敏面上的光電流為：

??? （20）

公式中前兩個(gè)分量包括高頻的信號(hào)和直流信號(hào)會(huì)被探測(cè)器濾除最后得到的光電轉(zhuǎn)換電流信號(hào)為：

??? （22）

數(shù)字信號(hào)處理得到反射回信號(hào)的頻率，根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算的頻移和氣溶膠的運(yùn)動(dòng)速度成正比，散射信號(hào)通過(guò)和系統(tǒng)內(nèi)部光纖激光器產(chǎn)生的本振光進(jìn)行相干調(diào)解然后經(jīng)過(guò) AD 采樣后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理得到徑向風(fēng)速再經(jīng)過(guò)風(fēng)場(chǎng)反演算法，即得到目標(biāo)范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)信息。

2 相干探測(cè)激光器

激光器主要用來(lái)產(chǎn)生探測(cè)大氣的激光。激光器除了波長(zhǎng)么外還有激光輸出功 率，線寬，光斑質(zhì)量等參數(shù)。如果激光器光源為脈沖模式，還有重復(fù)頻率，脈沖寬度，脈沖能量等參數(shù)。

2.2 激光器線寬

激光光源所發(fā)射激光并非理想單色光，而是有一定波長(zhǎng)寬度，在頻譜上表 現(xiàn)為頻譜展寬，這個(gè)展寬決定了激光的相干長(zhǎng)度。激光波長(zhǎng)和頻率存在如下關(guān)系：

??????? (2-2)

對(duì)公式(2-2)進(jìn)行微分有

?? (2-2)

或者寫為：

?? (2-3)

光源的相干長(zhǎng)度定義為相干時(shí)間內(nèi)激光傳播的距離，相干長(zhǎng)度可以表示為

?? (2-4)

表示激光光源的相干時(shí)間與激光器線寬之間的關(guān)系為

? (2-5)

? (2-6)

設(shè)激光器波長(zhǎng)2000nm，中心頻率為 ，探測(cè)距離為2000m，。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為

在相干探測(cè)系統(tǒng)中， 如果光源的相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)，本振光和信號(hào)光的相干效率就會(huì)越高。激光線寬在對(duì)外差探測(cè)時(shí)帶來(lái)的影響就是產(chǎn)生信號(hào)頻譜密度分布上的展寬，該展寬頻譜使得對(duì)頻譜峰值提取精度降低。為了盡可能準(zhǔn)確提取頻譜密度上的峰值頻率，要求峰值越窄越好，為此，在激光外差探測(cè)時(shí)，要盡可能的選取線寬較小的激光器。

2.2 脈沖激光器參數(shù)

脈沖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)量距離較遠(yuǎn)。但是往往存在幾十米的探測(cè)盲區(qū)，盲區(qū)可以通過(guò)下面式子進(jìn)行計(jì)算

? (2-7)

為探測(cè)盲區(qū)距離等于最小可分辨距離，c為光束，為脈沖寬度。

脈沖激光器的重復(fù)頻率決定了該激光雷達(dá)系統(tǒng)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離，在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，任意時(shí)刻探測(cè)器接收到的信號(hào)只能是一個(gè)脈沖信號(hào)在不同距離與大氣物質(zhì)作用的后向散射信號(hào)，如果一個(gè)時(shí)刻探測(cè)器接收到兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)，多個(gè)脈沖在不同位置的后向散射信號(hào)將在探測(cè)器上反射混疊，探測(cè)器系統(tǒng)將不能分辨此時(shí)的大氣反射信號(hào)是來(lái)自哪個(gè)位置的信號(hào)。

??? (2-8)

重復(fù)頻率還決定了2s中系統(tǒng)能采集的回波脈沖的個(gè)數(shù)，由于脈沖雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行頻譜估計(jì)時(shí)，需要多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行多測(cè)非相干疊加計(jì)算。合適的重復(fù)頻率能夠提高激光雷達(dá)系統(tǒng)完成一次視線信號(hào)的風(fēng)速計(jì)算。

脈沖激光器的輸出能量一般由脈沖功率，平均功率，脈沖能量進(jìn)行表征。

?? (2-9)

? (2-20)

?為脈沖功率，平均功率，為脈沖能量。

3 AOM

相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以分為零差相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和外差相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，兩者的區(qū)別在于發(fā)射激光中心頻率和本振中心頻率之間有沒(méi)有經(jīng)過(guò)頻移調(diào)制。零差法沒(méi)有頻移調(diào)制，智能區(qū)分視向風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移大小，無(wú)法區(qū)分正負(fù)，因而無(wú)法區(qū)分視向風(fēng)速的方向。外差法適用AOM進(jìn)行頻移調(diào)制，將零風(fēng)速位置的追蹤品頻率調(diào)制為，當(dāng)風(fēng)速的方向與激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡的視向方向相同時(shí)，風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移為負(fù)，反之為正，因此可以區(qū)分風(fēng)速的大小和方向。為了避免風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致的風(fēng)向混疊，頻移條質(zhì)量和多普勒頻移量需要滿足

?(3-1)

若風(fēng)速測(cè)量范圍要求為v=±30m/s，在2550nm波長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)多普勒頻移公式可得

則大于38.7MHz即可滿足區(qū)分風(fēng)向正負(fù)的要求，但是為了減少激光器的相對(duì)噪聲和2/f 噪聲對(duì)混頻信號(hào)的影響，目前的相干多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)中最常用的調(diào)制為為80MHz。

審核編輯：劉清