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2μm激光测风雷达外差探测方法与关键技术研究

作　者: 李彦超
导　师: 王春晖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光测风雷达外差探测外差效率天线效率径向风速多脉冲积累中频数字化处理
分类号: TN959.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

“晴空”大气矢量风场测量一直是微波气象雷达发展的盲点。随着激光雷达技术和外差探测技术的迅速发展，基于多普勒效应的相干测风激光雷达已经成为大气矢量风场、大气湍流和局域风切变等测量的主要手段之一。相干测风激光雷达具有高分辨率和高精度的优点，而且由于激光与大气物质相互作用的特殊物理机制，它还具有极强的晴空探测能力，与微波气象雷达互补，可以构成“无缝隙”的大气遥感系统。因此，国内外各高端科研机构纷纷投入大量人力和物力进行研究和开发。目前，2μm相干测风激光雷达是国际测风激光雷达研究热点之一。本文围绕其所涉及的科学问题和关键技术，研究总结了大气后向散射信号的外差探测理论模型，提出了自由空间与光纤复合相干光学系统设计方法，研究了极微弱宽带中频信号提取与正交数字化处理的关键技术，最后搭建了一套2μm相干测风激光雷达外差探测实验系统，进行了实验验证。本论文主要研究内容包括以下几个方面：（1）系统地研究大气后向散射气象回波信号的外差探测理论，以此指导相干测风激光雷达系统设计。在考虑大气折射率湍流影响的条件下，利用菲涅尔衍射理论和光场的路径积分表达式，建立了相干测风激光雷达系统的外差效率的理论模型，分别给出了探测平面、接收平面和目标平面上外差效率的表达式，得到了相干探测激光雷达方程；根据相干激光雷达风速测量原理，给出了三维矢量风速的反演方法；建立了信噪比随本振光功率变化的理论模型，仿真结果表明：最佳本振光功率约为0.268mW；研究了三种相位失配和偏振态失配对外差效率的影响，针对于不同的情况给出了响应的仿真结果；探讨了高灵敏度平衡外差探测新方法，结果表明：可以明显克服本振光散粒噪声和提高外差探测的信噪比。（2）研究空间光与光纤高效耦合型相干光学系统设计方法，建立了一套收发合置相干光学系统。依据收发合置光学天线发射和接收光束的截断比理论，给出外差接收信号随截断比变化的数学表达式，研究结果表明：最佳光束截断比约为1.75；理论推导天线效率与外差效率之间的数学关系，仿真计算在弱湍流Cn²=10^-15条件下光学天线效率约为0.51、在强湍流Cn²=10^-13条件下约为0.03；利用ZEMAX软件优化设计与实现一套收发合置离轴卡塞格伦光学天线系统和预扩束系统，达到衍射极限水平；设计并实现一种耦合效率约为83%的2μm单模保偏光纤耦合器、2μm单模保偏光纤合束器、2μm单模保偏光纤分束器以及2μm收发偏振隔离光开关（即偏振分光棱镜+λ/4波片），克服光束在自由空间传输产生的退偏及本振光泄露问题。（3）研究极微弱宽带气象回波中频信号提取与正交数字解调技术。讨论了多脉冲积累法提取极微弱信号的方法，即对多脉冲气象回波信号进行中频直接采样、数字信号相干积累及功率谱非相干积累；针对于105MHz载频和30MHz带宽的中频信号，重点讨论正交混频低通滤波和奇偶抽取多相滤波的两种数字化处理算法，在64阶原型等纹波FIR滤波器设计基础上，以响应带宽和镜频抑制比为评价参数，比较分析7种FIR滤波器设计方案，从中优选出适合宽带信号数字处理算法。仿真结果表明：在回波信噪比为-13.24dB条件下，进行8ms的相参积累，信噪比增益可达19dB以上；先进行8ms短时相参积累，再进行非相参积累，当积累总时间超过20ms时，信噪比增益将达到18dB以上；1/2抽取64阶原型滤波器的多相滤波方案，不仅具有近似64阶原型FIR滤波器的镜频抑制比，而且数据输出速率减半，接收带宽约为采样率的25%以内，满足30MHz带宽中频信号的数字处理要求。（4）建立2μm相干激光测风雷达外差探测实验系统，验证上述理论模型、光学设计和极微弱信号提取算法的正确性。外差探测系统中激光发射机采用了波长2μm、单脉冲能量为2mJ、重复频率为100Hz、脉宽为300ns的固体Ho:YAG脉冲激光器；相干光学系统采用了150mm离轴卡塞格伦光学天线、偏振分束棱镜、/4波片、2μm单模保偏光纤耦合器等；接收机采用全光纤平衡式InGaAs光电探测器（响应带宽150MHz）和自研的中频信号采集卡。实验结果表明：设计加工的光学天线系统的波像差为0.052λ，预扩束系统的发散角为0.075mrad，达到了衍射极限水平；完成的2μm单模保偏光纤合束器、分束器和耦合器，不仅实现了外差探测系统偏振匹配，而且还实现了相位匹配及偏振态匹配；采用自研的2μm平衡式光电探测器检测微弱的外差信号，分别得到了16m处和96m处孔径为200mm合作目标的外差信号，信噪比分别为45.16dB和43.91dB。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-29
  1.1 引言  15
  1.2 课题背景及研究的目的和意义  15-16
  1.3 国外相干激光雷达研究现状  16-20
    1.3.1 气体相干激光测风雷达  17
    1.3.2 固体相干激光测风雷达  17-20
  1.4 国内相干激光雷达研究现状  20-23
  1.5 光学天线与光纤器件研究现状  23-24
  1.6 平衡式探测器与数字中频接收机研究现状  24-27
  1.7 主要研究内容  27-29
第2章大气后向散射信号外差探测理论  29-55
  2.1 引言  29
  2.2 2μm 相干测风激光雷达系统结构  29-34
    2.2.1 大气后向散射特性  30-31
    2.2.2 2μm 相干激光雷达测风原理  31-33
    2.2.3 三维矢量风速反演算法  33-34
  2.3 外差效率路径积分表达式  34-52
    2.3.1 探测平面上的表达式  34-37
    2.3.2 接收平面上的表达式  37-38
    2.3.3 目标平面上的表达式  38-42
    2.3.4 外差探测匹配条件  42-52
  2.4 高灵敏度平衡外差探测方法  52-54
  2.5 本章小结  54-55
第3章空间光与光纤高效耦合型相干光学系统  55-84
  3.1 引言  55
  3.2 光学天线孔径对目标散射信号影响  55-59
    3.2.1 天线孔径的光束截断效应  56-59
  3.3 光学天线系统设计的初级像差理论  59-62
  3.4 发射光学天线系统的 ZEMAX 优化设计  62-66
    3.4.1 发射光学天线系统的设计参数  62
    3.4.2 发射光学天线的优化设计结果  62-66
  3.5 预扩束系统设计  66-69
    3.5.1 预扩束系统 ZEMAX 优化设计结果  68-69
  3.6 接收光学天线系统的设计要求  69-72
    3.6.1 接收光学天线系统的优化设计结果  70-72
  3.7 光学天线系统的天线效率  72-75
    3.7.1 天线效率的数值计算  73-75
  3.8 辅助光学系统设计  75-83
    3.8.1 2μm 单模保偏光纤耦合器设计  75-79
    3.8.2 2μm 单模保偏光纤分束器设计  79-80
    3.8.3 2μm 单模保偏光纤合束器设计  80-82
    3.8.4 偏振隔离光开关和分光镜设计  82-83
  3.9 本章小结  83-84
第4章极微弱宽带中频信号提取与数字正交解调  84-117
  4.1 引言  84
  4.2 极微弱中频信号提取方法  84-90
    4.2.1 多脉冲积累  85-86
    4.2.2 信号积累过程仿真  86-90
  4.3 宽带中频信号数字正交解调  90-94
    4.3.1 正交混频低通滤波法  91
    4.3.2 奇偶抽取多相滤波法  91-94
  4.4 数字正交解调方案及仿真  94-115
    4.4.1 系统技术指标  95
    4.4.2 系统方案设计  95-99
    4.4.3 正交混频低通滤波法仿真结果  99-103
    4.4.4 奇偶抽取多相滤波法仿真结果  103-113
    4.4.5 两种算法仿真结果比较  113-114
    4.4.6 多普勒频率检测与风向判别  114-115
  4.5 本章小结  115-117
第5章 2μm 相干激光测风雷达实验研究  117-141
  5.1 引言  117
  5.2 相干激光雷达系统联调  117-134
    5.2.1 2μm 脉冲激光光源的选择  118-123
    5.2.2 2μm 脉冲激光光源的测试  123-125
    5.2.3 光学天线系统安装与调试  125-128
    5.2.4 预扩束系统的安装与检测  128-129
    5.2.5 平衡式探测器的实验研究  129-134
  5.3 外差探测系统实验方案  134-137
  5.4 外差信号的采集与分析  137-140
  5.5 本章小结  140-141
结论  141-143
参考文献  143-155
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  155-161
致谢  161-162
个人简历  162

2μm激光测风雷达外差探测方法与关键技术研究

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