(中國人民解放軍92942部隊, 北京 100161)

0 引言

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

多普勒測風激光雷達是目前進行大氣風場測量的最有效的工具之一,為了保證激光雷達風場測量的準確性,需要對其進行正確合理的定標。而對于瑞利散射測風激光雷達,由于大氣分子后向散射譜的特殊性,直接對其風速標定比較困難,在考慮頻移量產生的同時還需要考慮目標散射譜和大氣分子散射譜的一致性，所以采用風速模擬裝置并選擇合適的鑒頻器搭建實驗系統(tǒng)顯得尤為重要[1]。通過比較目前非相干多普勒測風激光雷達的鑒頻器，F(xiàn)abry-Perot(F-P)標準具及機械式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，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現(xiàn)高穩(wěn)定性和小型化，為新型小型化多普勒激光雷達發(fā)展以及建立星載平臺上全球風場探測激光雷達提供新的技術支持及解決方法[3]。

本文基于光纖M-Z干涉儀測風激光雷達研究基礎，設計并搭建風速模擬探測激光雷達的自校正式實驗系統(tǒng)，重點采用能量探測方法對鑒頻系統(tǒng)性能進行實驗分析，進一步研究利用全光纖M-Z干涉儀實現(xiàn)大氣風場探測的關鍵技術, 完成實際大氣風場探測激光雷達的系統(tǒng)標定。

1 光纖M-Z干涉儀的多普勒測風激光雷達系統(tǒng)原理及鑒頻特性分析

1.1 系統(tǒng)結構及原理

多普勒測風激光雷達系統(tǒng)的結構如圖1所示。系統(tǒng)對風速的探測過程為：采用種子注入技術的激光器以一定重復頻率射出波長為532 nm的激光光束，經擴束、準直后通過分光鏡BS分成兩路，其中一路參考光束經透鏡耦合進光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)光纖1臂中，最后由PMT1和PMT2檢出，經放大后送入示波器和工控機中，注意此時將頻率鎖在光纖M-Z干涉儀兩透過率譜線交點位置。

圖1 多普勒測風激光雷達原理圖

由BS分光后的另一路由全反射鏡整合，直接射入大氣風場中，激光束中大氣分子熱運動和氣溶膠粒子布朗運動會產生多普勒展寬，將其等效為空氣柱，空氣柱的整體移動產生多普勒頻移，其后向散射光脈沖信號(大氣回波信號)由望遠鏡接收，經光纖傳輸給窄帶干涉濾光片，濾除背景噪聲光后耦合進光纖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經光電轉換、放大后送入示波器采集并顯示，最終在工控機中進行風速反演。由于透過率有陡峭的光譜響應，因為測量信號頻率與發(fā)射信號頻率的微小變化，通過濾波器后，對應光纖M-Z透過率強度不再相同，得到光強的較大變化，即光功率的變化，從而使光強變化直接相關到頻率的變化，達到鑒頻目的[4]。本系統(tǒng)設計探測風場范圍為0～20 m/s低層大氣風場，探測誤差小于1 m/s。

回波信號光強分布函數(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。

計算差分信號為：

(4)

考慮到風速引起的多普勒頻移，風速u與后向散射光的波數(shù)關系：

(5)

那么優(yōu)化后的風速u的響應函數(shù)為:

(6)

對信號進行統(tǒng)計學分析，假設兩通道輸出信號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)

則風速標準差為：

(11)

這里假設光纖M-Z干涉儀傳輸損耗是固定，SNR與鑒頻器的參數(shù)無關，若使εu達到最小值的必要條件就是使表達式 (1+Q2)(dQ/dv)-1的值達到最小，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激光雷達系統(tǒng)的結構設計后，需對系統(tǒng)關鍵參數(shù)進行仿真分析，光纖鑒頻系統(tǒng)作為測風激光雷達系統(tǒng)的核心組成部分，其光程差的選取直接影響風速響應靈敏度和風速探測范圍。這里根據(jù)光程差和靈敏度之間的關系，模擬不同光程下的風速靈敏度和回波信號函數(shù)，找到適合系統(tǒng)探測范圍內的最佳風速響應趨勢。

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

(12)

在保證零頻移探測靈敏度最高，同時正負向風場探測范圍對稱的前提下，根據(jù)雙邊緣技術大氣風場探測原理，發(fā)射激光中心波長應位于光纖M-Z干涉儀兩通道透過率強度曲線邊坡最陡峭處，設定入射中心波長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場從0 m/s到上百米每秒之間變化，選取零風速、20 m/s、100 m/s和580 m/s的風速值，圖2為繪制在不同風速時探測靈敏度隨最優(yōu)臂長差的變化情況，橫坐標為滿足Q=0的最優(yōu)臂長差值(ALD)?？梢姴煌L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)為1.8%(m/s)，對應臂長差為74.8 cm；在100 m/s條件下，靈敏度為零時對應的最小臂長差(圖中B點)為13.7 cm；在580 m/s條件下，靈敏度為零時對應的最小臂長差(圖中C點)為2.35 cm，即實驗室現(xiàn)有光纖M-Z干涉儀臂長差值。

圖2 靈敏度與最優(yōu)臂長差關系曲線

分別取最優(yōu)臂長差ALD的值74.8 cm、13.7 cm和2.35 cm代入風速響應函數(shù)Q中，響應函數(shù)值Q對應不同風速變化趨勢如圖3所示。零風速下響應函數(shù)Q值均在零點，可以看出當ALD=74.8 cm時，響應函數(shù)值Q隨風速變化更迅速，響應函數(shù)曲線更陡峭，曲線的1/2周期所對應的風速值決定了風速探測范圍，風速探測動態(tài)范圍為±18.2 m/s，可以實現(xiàn)風速的精細探測，滿足低空大氣風場下的模擬風速變化范圍要求。當ALD=13.7 cm時，響應函數(shù)Q對應風速變化比較緩慢，對風速響應不積極，風速動態(tài)變化范圍大，達到±100 m/s，適合中高層大氣探測。實驗室現(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個曲線中對風速響應趨勢最緩慢，風速探測靈敏度最低，而且風速測量范圍大于500 m/s，并不適于本系統(tǒng)用于大氣風速探測。

圖3 回波信號函數(shù)Q隨風速分布圖

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)對風速靈敏度進行分析，則鑒頻系統(tǒng)在ALD=74.8/13.7 cm和ALD=2.35 cm時，其動態(tài)風速探測范圍內的風速探測靈敏度分布如圖4、5所示。

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

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

ALD=74.8 cm的鑒頻光路可實現(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)仿真結果可知，隨著光程差減小，風速探測范圍隨之增大，而對風速響應的靈敏度則逐漸變小。

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

2 風速模擬探測激光雷達的自校正式實驗系統(tǒng)整體結構設計與搭建

由于非相干多普勒測風雷達系統(tǒng)在測風時會產生測量誤差，因此設計一套校正系統(tǒng)，通過模擬的風速，由確定的多普勒頻移反推靈敏度方法來校正系統(tǒng)測量風速，其原理如圖6所示。采用種子注入技術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的轉輪上，轉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，進行模擬風速校正。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行反演，可得轉輪的線速度。

圖6 自校正式實驗系統(tǒng)結構框圖

全光纖M-Z鑒頻系統(tǒng)通過兩個光纖耦合器熔接進行制備，按照74.8 cm的最優(yōu)臂長差值進行熔接，實際測量光纖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

模擬風場系統(tǒng)由電機和轉輪平臺構成。電機選用全數(shù)字式松下A5II系列伺服電機，額定轉速3 000 r/min[6]。轉輪直徑為200 mm，因激光器光束直徑為9.5 mm，轉輪厚度選為10 mm，通過AutoCad進行設計并機械加工。

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 風速模擬探測激光雷達實驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 光纖M-Z干涉儀光程差校正實驗

在進行風速模擬探測前，先通過能量探測方式驗證光纖M-Z干涉儀透過率譜強度曲線。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)計算公式(2)和式(3)，則兩通道透過率強度分布通過Matlab軟件仿真結果如圖8所示。

圖8 光纖M-Z干涉儀兩通道透過率強度

S1、S2透過率強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度分布曲線S1和S2的交點，通過差分計算S1和S2值可以反演風速，但透過率強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，通過繪制透過率強度分布曲線對應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驗方案

利用自校正式系統(tǒng)的一部分器件搭建實驗，方案如圖9所示，激光器輸出532 nm激光，經透鏡L1耦合如光纖M-Z干涉儀一臂(另一臂封閉)，干涉光的光強信號經過PMT1、PMT2和放大電路后轉換為能量信號，通過調整種子激光器波長，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串口線與控制計算機連接，打開種子激光器波長調試軟件，進入操作主頁面如圖10所示。

圖10 種子激光器操作主界面圖

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

圖11 透過率強度測量值擬合曲線圖

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

圖12 透過率強度擬合曲線變形圖

透過率強度曲線的自由光譜范圍是5.919=m-1，S1、S2透過率強度曲線交點偏移零點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計算公式得到校正后的透過率強度曲線仿真圖(如圖13所示)。經與透過率強度擬合曲線對比，自由光譜范圍相等，驗證了反推的光程差值。

圖13 校正后的透過率強度曲線圖

3.2 風速模擬探測實驗

圖14 風速模擬探測實驗方案圖

為了驗證風速與Q的關系，利用自校正式實驗系統(tǒng)進行風速模擬探測實驗，在測量模擬風場前，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，光纖M-Z干涉儀的透過率強度相等。經實驗發(fā)現(xiàn)種子激光器波長調節(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。即認為此中心波長指向透過率曲線交點位置附近。

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

3.3 模擬風速反演和誤差分析

因為實驗室環(huán)境中激光入射到轉輪側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，那么風速響應函數(shù)為：

(15)

由風速響應函數(shù)可計算仿真值Qs，得到Qs隨風速u變化關系；將兩通道輸出總能量值歸一化校正，差分計算兩通道能量值得到實際值Qa，通過Qa值可得反演風速值Vi。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

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

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

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖15 1 064.170 nm位置示波器顯示狀態(tài)

圖16 Qa和Qs風速響應圖

圖17 模擬風速Vs對應反演風速Vi分布曲線土

圖18 反演風速與理論風速偏差分布曲線

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、電機轉速誤差±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格位于透過率強度曲線零點位置導致。

4 結束語

本文基于多普勒測風雷達測風原理，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，設計并搭建了激光雷達風速模擬探測自校正式實驗系統(tǒng)。利用自校正式實驗系統(tǒng)進行光程差精確校正實驗，通過種子激光器調節(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。完成了模擬風速探測實驗，通過能量值差分計算反演得到不同轉速下模擬的風速，系統(tǒng)滿足設計要求。驗證了風速模擬探測激光雷達的自校正式實驗系統(tǒng)的設計理論和方法的可行性。