(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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)和氣溶膠粒子布朗運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)：

(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(gè)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(shí)，其動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(shí)針旋轉(zhuǎn))每隔100 r/min調(diào)整到2 000 r/min(順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，可計(jì)算出電機(jī)帶動(dòng)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(gè)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(gè)周期內(nèi)線性變化范圍為-17.9～17.8 m/s。每個(gè)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(gè)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(gè)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。