高龍，鄭偉，安超，陶宇亮，杜國軍

（中國空間技術(shù)研究院 北京空間機(jī)電研究所，北京 100194）

引言

風(fēng)、濕、溫、壓是數(shù)值氣象模型的四大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-4]，目前最缺乏的是高精度的中低空風(fēng)場數(shù)據(jù)。風(fēng)場數(shù)據(jù)在數(shù)值氣象預(yù)報(bào)、航空安全與飛機(jī)起降保障、風(fēng)電效率提升與風(fēng)場選址等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值[5]。傳統(tǒng)的風(fēng)場測量手段在時(shí)空分辨率、測量范圍、精度等方面都不能同時(shí)滿足需求?；诩す饫走_(dá)技術(shù)的測量手段主要有相干激光測風(fēng)雷達(dá)、非相干激光測風(fēng)雷達(dá)、混合探測體制的激光測風(fēng)雷達(dá)、自協(xié)方差體制的激光測風(fēng)雷達(dá)、超導(dǎo)納米線頻率下轉(zhuǎn)換的相干激光測風(fēng)雷達(dá)等。其中，混合探測體制主要用于中高空風(fēng)場測量，其系統(tǒng)體積大，不易部署，并且在中低空風(fēng)場測量方面優(yōu)勢不明顯。自協(xié)方差體制的激光測風(fēng)雷達(dá)主要利用355 nm、532 nm 波長[6]，采用MZ 干涉儀作為風(fēng)場鑒頻器，該方式不受氣溶膠和大氣分子濃度的限制，同時(shí)可降低對激光頻率穩(wěn)定度的要求，但這種探測方式的激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)成熟度低。另外，2019 年中科大完成的1 550 nm 單光子頻率上轉(zhuǎn)換激光測風(fēng)雷達(dá)[7-8]，可實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的信號測量，其獲取的風(fēng)場時(shí)空分辨率較傳統(tǒng)模式提高了1 個(gè)數(shù)量級，具有較大的應(yīng)用價(jià)值，以上技術(shù)手段都為中低空風(fēng)場測量提供了不同的技術(shù)手段。另外，國內(nèi)外市場上也出現(xiàn)了多種相干激光測風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品，其中，國外產(chǎn)品主要以美國windtracer、法國Windcube、英國ZephIR 等為主，國內(nèi)主要以敏視達(dá)、南京牧鐳、科工二院23 所等單位的為主。以上產(chǎn)品的風(fēng)場探測高度基本都在3 km 以內(nèi)，風(fēng)速探測精度優(yōu)于1 m/s，但絕大多數(shù)產(chǎn)品都沒有針對于高低溫環(huán)境條件進(jìn)行專門的研究設(shè)計(jì)，這就降低了產(chǎn)品的可靠性。

本文研究的重點(diǎn)是基于傳統(tǒng)的相干激光測風(fēng)雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：1）風(fēng)速測量精度與垂直分辨率高、抗近地面雜波干擾性強(qiáng)；2）無微波電磁輻射，也不受電磁場及聲場干擾；3）體積小，重量輕，功耗低，易部署[9]。針對常年高可靠觀測需求，在激光雷達(dá)總體方案設(shè)計(jì)中充分考慮了風(fēng)場數(shù)據(jù)的快速處理、系統(tǒng)熱控方案設(shè)計(jì)和相關(guān)仿真，最后通過激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 原理

中低空相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)分為激光雷達(dá)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制（包括風(fēng)場數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)）兩個(gè)分系統(tǒng)組成，如圖1 所示。激光雷達(dá)先后通過指令1 與指令2 控制激光發(fā)射機(jī)與掃描鏡頭向大氣當(dāng)中發(fā)射激光，激光與大氣中分布的顆粒物（氣溶膠等）進(jìn)行碰撞，產(chǎn)生包含有風(fēng)速多普勒頻移的回波信號，回波信號被激光雷達(dá)接收，并經(jīng)由光電探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換和電子信號處理。最終，經(jīng)由計(jì)算機(jī)與風(fēng)場數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)獲取空間風(fēng)場數(shù)據(jù)分布信息，并輸出風(fēng)場數(shù)據(jù)[10]。

2 指標(biāo)仿真計(jì)算

信噪比是相干激光測風(fēng)雷達(dá)指標(biāo)體系中的核心指標(biāo)[11-12]，其公式可表示為

式中：fSNR(t)為激光回波中頻信號信噪比；K(R)為大氣消光系數(shù)；h為普朗克常數(shù)；ν為激光頻率；B為探測帶寬；〈PLOD〉為本振光照射到探測器感光面上的平均功率；V(q1,p1)為大氣目標(biāo)上任意位置上的局部反射系數(shù)；ET(q1,R,t-R/c)為激光發(fā)射信號在距離R處的激光反射功率；EBPLO(p1,R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)相對于探測器的互軛激光函數(shù)，該函數(shù)是空間位置q與p的函數(shù)。當(dāng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光發(fā)射與激光接收光學(xué)匹配時(shí)[13-15]，且激光脈沖信號較短時(shí)，公式(1)可簡化為

式中：ηQ為光電探測系統(tǒng)量子效率；UT為激光發(fā)射能量；β為大氣后向散射系數(shù)；c為光速；τ為激光脈寬；D為光學(xué)鏡頭口徑；R為激光測風(fēng)雷達(dá)激光作用距離；ρ為大氣橫向相干長度；λ為激光工作波長；F為激光測風(fēng)雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)焦距[16-17]。

按照系統(tǒng)探測高度、風(fēng)速精度與風(fēng)向精度等指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合公式(2)與速度誤差公式[18]，仿真了速度誤差與高度、能量、重頻等指標(biāo)的關(guān)系，如圖2 所示。圖2(a)為速度誤差與海拔高度的關(guān)系，可看出，在重復(fù)頻率、鏡頭口徑等不變情況下，速度誤差隨海拔高度的增加逐漸變大。圖2(b)為速度誤差與脈沖能量的關(guān)系，可看出，在激光重復(fù)頻率、光學(xué)鏡頭口徑、探測距離等不變情況下，速度誤差隨脈沖能量的增加逐漸變小。圖2(c)表示光學(xué)鏡頭口徑與脈沖能量的關(guān)系，由圖2(c)可看出，在最遠(yuǎn)探測距離固定的情況下，激光雷達(dá)系統(tǒng)存在最優(yōu)光學(xué)鏡頭口徑窗口，在該窗口內(nèi)，所需要的激光能量最低。圖2(d)可看出在不同激光發(fā)射頻率和探測距離下，風(fēng)速測量精度均優(yōu)于0.5 m/s。當(dāng)激光發(fā)射重復(fù)頻率固定時(shí)，隨著探測距離的變大，風(fēng)速誤差越大。當(dāng)激光重復(fù)頻率增加時(shí)，對于相同的探測距離，風(fēng)速誤差相應(yīng)減小。當(dāng)激光器的重復(fù)頻率為40 kHz時(shí)，探測距離為3 km時(shí)，風(fēng)速誤差優(yōu)于0.2 m/s，總結(jié)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。

表1 相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)Table 1 Parameters of coherent laser windfinding radar system

圖2 相干激光測風(fēng)雷達(dá)速度誤差仿真圖Fig.2 Simulation diagram of velocity errors for coherent laser windfinding radar

3 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體系統(tǒng)組成

如圖3(a)所示為相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)框圖，其主要過程是：激光發(fā)射光源用于產(chǎn)生發(fā)射到大氣中的單頻脈沖激光和用于外差混頻探測的本振連續(xù)激光。這兩路激光來自同一連續(xù)單頻主振蕩激光光源，以確保符合外差探測條件。主振激光由分束器分出的用于產(chǎn)生脈沖光的部分（圖3(a)中的①）首先經(jīng)過聲光頻移器（acoustic optical modulator,AOM）移頻，然后經(jīng)種子注入放大后得到大脈沖能量出射激光。AOM 產(chǎn)生的脈沖激光相對于主振激光的頻移用于在回波信號中判斷風(fēng)場多普勒頻移的正負(fù)，進(jìn)而反演風(fēng)向。樣機(jī)整機(jī)模型如圖3(b)所示，主要包括激光發(fā)射、全光纖中繼光學(xué)、光學(xué)鏡頭、光電探測、數(shù)據(jù)采集、熱控模塊等。

圖3 相干激光測風(fēng)雷達(dá)整機(jī)模型Fig.3 Whole-machine model of coherent laser windfinding radar

3.2 光纖激光發(fā)射與觸發(fā)同步技術(shù)

相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)激光源采用光纖種子激光器與光纖激光放大器組合的方式，實(shí)現(xiàn)單脈沖能量100 μJ 發(fā)射，其中在光纖種子激光器中包含了對激光中心頻率80 MHz 的聲光調(diào)制，該調(diào)制信號用于后續(xù)的風(fēng)向提取。為抑制100 μJ 激光信號產(chǎn)生的非線性效應(yīng)以及帶來的外差效率惡化，光纖放大器的輸出光纖采用大模場光纖。為保證在不同高度層的風(fēng)場測量一致性，將種子激光器的外部TTL（transistor-transistor logic）信號作為放大器脈沖激光輸出的同步信號（如圖4(a)所示），該同步信號作為數(shù)據(jù)采集的同步信號，提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，部分光學(xué)鏡面反射的信號會(huì)產(chǎn)生額外的中頻信號，該干擾信號在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中要注意剔除（如見圖4(b)所示）。

3.3 光纖環(huán)形器與收發(fā)光學(xué)鏡頭技術(shù)

光纖環(huán)形器與收發(fā)光學(xué)鏡頭（如圖5(a)所示）將大能量激光信號發(fā)射到大氣中，并對大氣回波信號進(jìn)行光學(xué)接收。光學(xué)鏡頭采用離軸兩反式，有效通光口徑80 mm，采用干涉儀對光學(xué)鏡頭系統(tǒng)波前差進(jìn)行測試，圖5(b)為波前圖，系統(tǒng)波前為0.048λ。光學(xué)鏡頭在實(shí)際工作中為豎直狀態(tài)模式，經(jīng)仿真計(jì)算，當(dāng)受到自身重力影響或者外部垂直向下應(yīng)力時(shí)，其鏡間距變形量為375 nm，對系統(tǒng)波像差影響可以忽略，如圖5(c)所示。

圖5 光纖環(huán)形器與收發(fā)鏡頭設(shè)計(jì)Fig.5 Design of fiber circulator and transceiver lens

3.4 微弱激光信號探測及在線數(shù)據(jù)采集處理與綜合控制技術(shù)

微弱激光信號探測采用雙平衡探測技術(shù)，該技術(shù)手段具有靈敏度高、增益系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。探測器的飽和增益閾值低，通常在1 mW 以內(nèi)，因此在產(chǎn)品研制過程中，要防止信號過強(qiáng)導(dǎo)致的器件損壞。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用在線采集與處理電路模塊，對3 km 以內(nèi)的40 個(gè)高度層的風(fēng)場信號進(jìn)行高速地實(shí)時(shí)采集與處理，可實(shí)現(xiàn)1 s 以內(nèi)1 000 次的回波中頻信號的處理累積。其主要的模塊組成圖如圖6 所示，主要由雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、可編程邏輯門陣列（FPGA）、數(shù)字信號處理（DSP）、存儲(chǔ)器和外部接口組成。

圖6 模塊組成框圖Fig.6 Block diagram of module composition

相干激光測風(fēng)雷達(dá)控制電路板提供激光雷達(dá)所需激勵(lì)信號和時(shí)序控制信號，完成與遠(yuǎn)程PC 機(jī)和外設(shè)的通信接口。電路板通過運(yùn)放積分電路產(chǎn)生所需鋸齒波形，具備DA 輸出接口、TTL 信號輸出接口、CAN 等資源。驅(qū)動(dòng)電信號輸出類型包括模擬觸發(fā)信號與數(shù)字觸發(fā)信號。模擬信號幅度1 V，半高寬300 ns～500 ns，重頻20 kHz。數(shù)字觸發(fā)信號為TTL 驅(qū)動(dòng)信號，頻率20 kHz，占空比50%。

3.5 相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)熱控仿真技術(shù)

考慮到相干激光測風(fēng)雷達(dá)在戶外高低溫環(huán)境下(-25 ℃～40 ℃)的工作要求，根據(jù)熱分析計(jì)算的需要對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?）忽略激光雷達(dá)內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)件對導(dǎo)熱、輻射的影響；2）將模型中的安裝螺釘、小凸臺(tái)等局部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡化處理；3）對結(jié)構(gòu)中的倒角、微槽等微小幾何特征進(jìn)行簡化處理，忽略其對傳熱的影響；4）創(chuàng)建一個(gè)激光雷達(dá)直徑10 倍的平面，設(shè)置定溫邊界模擬地面輻射，如圖7(a)所示；5）在測風(fēng)雷達(dá)外表面加載熱負(fù)載模擬太陽輻射熱流；6）采用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式模擬外部對流換熱；7）忽略NB 自然對流的影響；8）將集熱板、電源模塊散熱器冷板當(dāng)做定溫邊界處理。最后，采用TD 軟件進(jìn)行仿真建模，如圖7(b)與圖7(c)所示。

圖7 熱仿真模型Fig.7 Thermal simulation model

3.5.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)熱仿真

熱分析中選用的材料參數(shù)如表2 所示，其中鋁材料為激光雷達(dá)主要結(jié)構(gòu)件材料，聚酯亞胺泡沫隔熱材料為激光雷達(dá)外罩內(nèi)的隔熱材料，不銹鋼為部分激光雷達(dá)底座及電源模塊材料，白漆為外罩涂覆層材料，玻璃鋼為外罩材料。

3.5.2 高溫仿真工況

白天太陽直射條件，無風(fēng)情況，環(huán)境溫度40 ℃，地面溫度60 ℃，地點(diǎn)模擬在廣州的工況。這種條件屬于極度高溫天氣的情況，我們使用隔熱保溫材料隔絕外界熱流擾動(dòng)影響，使用單相流體回路液冷系統(tǒng)對各個(gè)內(nèi)熱源進(jìn)行散熱，同時(shí)使用半導(dǎo)體制冷器對溫度指標(biāo)要求較高的光電探測模塊進(jìn)行制冷控溫。仿真結(jié)果表明，圖8(a)為各熱源模塊在高溫環(huán)境下工作時(shí)的溫度分布云圖，由云圖可看出各個(gè)模塊的工作溫度范圍在41 ℃～46 ℃之間，滿足各熱源模塊的正常工作溫度范圍；圖8(b)為激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)鏡頭的被動(dòng)溫度范圍，其溫度范圍在46 ℃～48 ℃之間，雖然表面溫度分布不均勻，但都出于光學(xué)鏡頭的正常工作溫度范圍。

3.5.3 低溫仿真工況

夜晚無太陽照射條件，風(fēng)速30 m/s，環(huán)境溫度-34 ℃，地面溫度-40 ℃，以上條件屬于極嚴(yán)寒天氣，系統(tǒng)采用加熱控溫回路對工作溫度要求較高的模塊組件進(jìn)行加熱補(bǔ)償，同時(shí)結(jié)合保溫措施，進(jìn)行熱控。仿真結(jié)果表明：在環(huán)境溫度-34 ℃天氣，激光雷達(dá)各組件均能滿足溫度指標(biāo)要求。此時(shí)，半導(dǎo)體制冷器熱面連接的風(fēng)扇散熱器及電源模塊的散熱器均不工作。散熱器與空氣自然對流散熱。種子激光器、電機(jī)+光楔、光電探測模塊等設(shè)置加熱負(fù)載，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 低溫工況仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of low temperature conditions

4 激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)

4.1 室內(nèi)硬靶目標(biāo)實(shí)驗(yàn)

如圖10 所示為相干激光測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行的室內(nèi)硬靶目標(biāo)試驗(yàn)，圖10(a)為采集到的目標(biāo)拍頻信號，其中最左側(cè)的信號為激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部基準(zhǔn)信號，中間為水平方向的鏡面反射回波信號所對應(yīng)的中頻信號，而最右側(cè)為硬靶目標(biāo)散射的中頻信號，通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)鏈路的正確性。圖10(b)為通過激光雷達(dá)自身的采集系統(tǒng)對散射目標(biāo)信號進(jìn)行的采集，由該圖可得出，具有脈寬包絡(luò)信號的為激光雷達(dá)系統(tǒng)NB 的鏡面反射信號所產(chǎn)生的中頻信號，而右側(cè)幅度較小的信號為硬靶目標(biāo)信號，按照間隔時(shí)間差為2 μs 計(jì)算，硬靶目標(biāo)離激光雷達(dá)的距離為150 m，與實(shí)際距離符合。在實(shí)際的風(fēng)場測量中，激光雷達(dá)輸出的風(fēng)場數(shù)據(jù)包括：水平風(fēng)速（向）、徑向風(fēng)速、風(fēng)廓線、風(fēng)羽圖、風(fēng)速（向）誤差等。

圖10 室內(nèi)硬靶目標(biāo)試驗(yàn)Fig.10 Experiments of indoor hard targets

4.2 戶外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

如圖11 所示為激光雷達(dá)在大氣探測試驗(yàn)基地的風(fēng)速（風(fēng)向）測量結(jié)果與探空氣球的比對結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2022 年8 月份，期間的最高溫度為38 ℃，地面實(shí)際溫度為40 ℃。由于激光雷達(dá)的垂直分辨率為100 m，而探空氣球垂直分辨率為6 m～8 m，因此由探空氣球獲取的大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)比激光雷達(dá)數(shù)據(jù)要多。圖11 所示為0～3 km 范圍內(nèi)的對比結(jié)果，數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示激光雷達(dá)的風(fēng)速測量精度優(yōu)于0.7 m/s（見圖11(a)），風(fēng)向測量精度優(yōu)于±5°(見圖11(b))，滿足探測指標(biāo)需求。

圖11 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of calibration experiments

5 結(jié)論

本文完成了1.5 μm 高可靠中低空相干激光測風(fēng)雷達(dá)研制，該系統(tǒng)采用全光纖激光收發(fā)鏈路，具有系統(tǒng)集成度高、小型化、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；采用高可靠雙通數(shù)據(jù)采集與處理模塊，實(shí)現(xiàn)了激光回波信號高速高可靠的數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)現(xiàn)3 km 內(nèi)40 個(gè)高度層風(fēng)速數(shù)據(jù)的秒級時(shí)間間隔的獲?。谎兄屏擞糜陲L(fēng)場廓線數(shù)據(jù)顯示的風(fēng)場產(chǎn)品反演軟件，具有可視化程度高、易于判讀和多領(lǐng)域應(yīng)用等特點(diǎn)。創(chuàng)新點(diǎn)主要有：1）針對于激光源模塊無外部觸發(fā)的固有缺陷，從激光雷達(dá)系統(tǒng)綜合控制電路板引出同步觸發(fā)信號，該信號作為風(fēng)場探測及風(fēng)場廓線高度反演的同步基準(zhǔn)參考信號，提高了測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性；2）采用雙通道數(shù)據(jù)采集與在線快速傅里葉（FFT）頻譜變換、譜矩分析等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場數(shù)據(jù)的快速可靠處理；3）針對戶外高低溫應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，根據(jù)激光雷達(dá)各個(gè)系統(tǒng)組成的熱源模塊，進(jìn)行了熱控方案一體化設(shè)計(jì)，通過加熱控溫回路與單相流體回路液冷系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)高低溫溫度環(huán)境的適應(yīng)性，研制完成的熱控與制冷模塊可以滿足高低溫環(huán)境(-25℃～40℃)使用要求。最后，通過戶外實(shí)際的風(fēng)場標(biāo)定結(jié)果表明，該激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)探測高度3 km，風(fēng)速精度0.36 m/s，風(fēng)向精度優(yōu)于±5°，綜合驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)在戶外使用的可靠性。